Spektrálnej notácie je usporiadanie elektrónových energetických hladín okolo jadra atómu. Podľa starého atómového modelu Bohra elektróny obsadzujú rôzne úrovne na obežných dráhach okolo jadra, od prvého plášťa najbližšie k jadru, K, po siedmy obal, Q, ktorý je najvzdialenejší od jadra.
Pokiaľ ide o podrobnejší kvantový mechanický model, sú KQ škrupiny rozdelené do sady orbitálov, z ktorých každý môže byť obsadený nie viac ako jedným párom elektrónov.
Všeobecne sa elektrónová konfigurácia používa na opis orbitálov atómu v jeho základnom stave, ale môže sa tiež použiť na znázornenie atómu, ktorý ionizoval na katión alebo anión, čím sa kompenzuje strata alebo zisk elektrónov v ich príslušných orbitaloch.
Mnohé z fyzikálnych a chemických vlastností prvkov môžu korelovať s ich jedinečnými elektronickými konfiguráciami. Valenčné elektróny, elektróny v najvzdialenejšom obale, sú určujúcim faktorom jedinečnej chémie prvku.
Keď elektróny v najvzdialenejšom obale atómu dostanú nejakú energiu, presunú sa do vrstiev vyššej energie. Elektrón v K-šupke sa teda prenesie do L-škrupiny, keď je v stave vyššej energie.
Keď sa elektrón vráti do svojho základného stavu, uvoľní energiu, ktorú absorbuje vyžarovaním elektromagnetického spektra (svetlo). Pretože každý atóm má špecifickú elektronickú konfiguráciu, bude mať tiež špecifické spektrum, ktoré sa bude nazývať absorpčné (alebo emisné) spektrum.
Z tohto dôvodu sa termín spektrálna notácia používa na označenie konfigurácie elektrónov.
Ako určiť spektrálnu notáciu: kvantové čísla
Celkom štyri kvantové čísla sa používajú na úplný opis pohybu a trajektórií každého elektrónu v atóme.
Kombinácia všetkých kvantových čísel všetkých elektrónov v atóme je opísaná vlnovou funkciou, ktorá spĺňa Schrödingerovu rovnicu. Každý elektrón v atóme má jedinečnú množinu kvantových čísel.
Podľa Pauliho princípu vylúčenia nemôžu dva elektróny zdieľať rovnakú kombináciu štyroch kvantových čísel.
Kvantové čísla sú dôležité, pretože sa môžu použiť na určenie elektrónovej konfigurácie atómu a pravdepodobného umiestnenia elektrónov v atóme.
Kvantové čísla sa používajú aj na určenie ďalších charakteristík atómov, ako je ionizačná energia a atómový polomer.
Kvantové čísla označujú konkrétne škrupiny, podškrupiny, orbitaly a roztoče elektrónov.
To znamená, že plne opisujú charakteristiky elektrónu v atóme, to znamená, že opisujú každé jedinečné riešenie Schrödingerovej rovnice alebo vlnovú funkciu elektrónov v atóme.
Existujú celkom štyri kvantové čísla: hlavné kvantové číslo (n), kvantové číslo orbitálnej hybnej hybnosti (l), magnetické kvantové číslo (ml) a kvantové číslo elektrónovej rotácie (ms).
Hlavné kvantové číslo, nn, popisuje energiu elektrónu a najpravdepodobnejšiu vzdialenosť elektrónu od jadra. Inými slovami, vzťahuje sa na veľkosť orbitálu a energetickú úroveň, na ktorej je elektrón umiestnený.
Počet podškrupín alebo ll opisuje tvar orbitálu. Môže sa tiež použiť na určenie počtu uhlových uzlov.
Magnetické kvantové číslo (ml) opisuje energetické úrovne v podškrupine a ms označuje spin na elektróne, ktorý môže byť nahor alebo nadol.
Princíp Aufbau
Aufbau pochádza z nemeckého slova „Aufbauen“, čo znamená „stavať“. V podstate písaním konfigurácie elektrónov vytvárame elektrónové orbitaly, keď sa presúvame z jedného atómu na druhý.
Keď píšeme elektrónovú konfiguráciu atómu, vyplníme orbitaly v rastúcom poradí podľa atómového čísla.
Princíp Aufbau vychádza z Pauliho vylučovacieho princípu, ktorý hovorí, že v atóme nie sú žiadne dva fermióny (napr. Elektróny).
Môžu mať rovnakú množinu kvantových čísel, takže sa musia „ukladať“ pri vyšších úrovniach energie. Ako sa elektróny hromadia, je záležitosťou konfigurácie elektrónov.
Stabilné atómy majú v jadre toľko elektrónov ako protóny. Elektróny sa zhromažďujú okolo jadra v kvantových obežných dráhach podľa štyroch základných pravidiel nazývaných Aufbauov princíp.
- V atóme nie sú dva elektróny, ktoré zdieľajú rovnaké štyri kvantové čísla n, l, m a s.
- Elektróny najskôr zaberajú orbitály s najnižšou energetickou úrovňou.
- Elektróny vždy vyplnia orbitaly rovnakým počtom spinov. Keď sú obežné dráhy plné, začne sa.
- Elektróny vyplnia orbitaly súčtom kvantových čísel n a l. Orbitály s rovnakými hodnotami (n + l) budú vyplnené najskôr dolnými hodnotami n.
Druhé a štvrté pravidlo sú v zásade rovnaké. Príkladom pravidla 4 by boli orbitály 2p a 3s.
Orbitál 2p je n = 2 an = 2 a orbitál 3s je n = 3 a l = 1. (N + l) = 4 v oboch prípadoch, ale orbitál 2p má najnižšiu energiu alebo najnižšiu n-hodnotu a vyplní sa pred vrstva 3s.
Obrázok 2: Moellerov diagram plnenia elektrónovej konfigurácie.
Našťastie možno Moellerov diagram znázornený na obrázku 2 použiť na plnenie elektrónov. Graf sa číta spustením uhlopriečok od 1 s.
Obrázok 2 zobrazuje atómové orbitaly a šípky nasledujú cestu vpred.
Teraz, keď je známe, že je vyplnené poradie orbitálov, zostáva len zapamätať si veľkosť každého orbitálu.
S orbitály majú 1 možnú hodnotu m l, aby mohli obsahovať 2 elektróny
Orbitaly majú 3 možné hodnoty ml, aby obsahovali 6 elektrónov
D orbitaly majú 5 možných hodnôt µl na zadržanie 10 elektrónov
F orbitaly majú 7 možných hodnôt m l na zachytenie 14 elektrónov
To je všetko, čo je potrebné na určenie elektronickej konfigurácie stabilného atómu prvku.
Napríklad vezmite prvok dusík. Dusík má sedem protónov, a teda sedem elektrónov. Prvý orbitál, ktorý vyplní, je orbitál 1 s. Orbitál má dva elektróny, takže zostáva päť elektrónov.
Ďalší orbitál je 2s orbitálny a obsahuje ďalšie dva. Posledné tri elektróny pôjdu na obežnú dráhu 2p, ktorá dokáže pojať až šesť elektrónov.
Hundove pravidlá
Aufbauova časť diskutovala o tom, ako elektróny napĺňajú obežné dráhy najnižšej energie ako prvé, a potom sa dostanú na najvyššiu obežnú dráhu energie až potom, ako sa naplnia obežné dráhy najnižšej energie.
S týmto pravidlom je však problém. Určite musia byť orbitály 1 s vyplnené pred dvoma orbitálmi, pretože orbitaly 1s majú nižšiu hodnotu n, a teda nižšiu energiu.
A tri rôzne 2p obežníky? V akom poradí by sa mali vyplniť? Odpoveď na túto otázku zahŕňa Hundovu vládu.
Hundovo pravidlo uvádza, že:
- Každý orbitál v podúrovni je obsadený individuálne predtým, ako je ktorýkoľvek orbitál obsadený dvakrát.
- Všetky elektróny na individuálne obsadených obežných dráhach majú rovnaké roztočenie (aby sa maximalizovalo celkové roztočenie).
Keď sú elektróny priradené k orbitalom, elektrón sa najprv pokúsi vyplniť všetky orbitaly podobnou energiou (nazývanou tiež degenerované orbitaly) a potom sa spojiť s iným elektrónom v poloplnej obežnej dráhe.
Atómy v pozemných štátoch majú tendenciu mať čo najviac nepárových elektrónov. Pri vizualizácii tohto procesu zvážte, ako elektróny prejavujú rovnaké správanie ako rovnaké póly v magnete, ak by mali prísť do kontaktu.
Keď záporne nabité elektróny vyplnia obežné dráhy, najprv sa pokúsia dostať čo najďalej od seba, než sa budú musieť spárovať.
Referencie
- Anastasiya Kamenko, TE (2017, 24. marca). Kvantové čísla. Získané z chem.libretexts.org.
- Princíp Aufbau. (2015, 3. júna). Získané z chem.libretexts.org.
- Elektrónové konfigurácie a vlastnosti atómov. (SF). Obnovené z oneonta.edu.
- Encyclopædia Britannica. (2011, 7. septembra). Elektronická konfigurácia. Obnovené zo stránky britannica.com.
- Helmenstine, T. (2017, 7. marca). Princíp Aufbau - elektronická štruktúra a Aufbauov princíp. Získané z webu thinkco.com.
- Hundove pravidlá. (2015, 18. júla). Získané z chem.libretexts.org.
- Spektroskopický zápis. (SF). Obnovené z adresy bcs.whfreeman.com.