Спектральний позначення є розташування рівнів енергії електронів навколо ядра атома. Відповідно до старої атомної моделі Бора, електрони займають різні рівні в орбітах навколо ядра, від першої оболонки, найближчої до ядра, K, до сьомої оболонки Q, яка є найдалі від ядра.
З точки зору більш доопрацьованої квантової механічної моделі, оболонки KQ підрозділяються на набір орбіталей, кожна з яких може бути зайнята не більше однієї пари електронів.
Зазвичай електронна конфігурація використовується для опису орбіталей атома в його основному стані, але також може бути використана для представлення атома, який іонізувався в катіон або аніон, компенсуючи втрату або посилення електронів на відповідних орбіталях.
Багато фізичних та хімічних властивостей елементів можна співвіднести з їх унікальними електронними конфігураціями. Валентні електрони, електрони в самій зовнішній оболонці, є визначальним фактором унікальної хімії елемента.
Коли електрони в самій зовнішній оболонці атома отримують певну енергію, вони переміщуються в шари вищої енергії. Таким чином, електрон в оболонці K буде перенесений в оболонку L, перебуваючи в стані більш високої енергії.
Коли електрон повертається до свого основного стану, він вивільняє енергію, яку він поглинає, випромінюючи електромагнітний спектр (світло). Оскільки кожен атом має специфічну електронну конфігурацію, він також матиме певний спектр, який буде називатися спектром поглинання (або випромінювання).
З цієї причини термін спектральне позначення використовується для позначення конфігурації електронів.
Як визначити спектральне позначення: квантові числа
Всього чотири квантові числа використовуються для повного опису руху та траєкторій кожного електрона в атомі.
Поєднання всіх квантових чисел усіх електронів в атомі описується хвильовою функцією, що відповідає рівнянню Шредінгера. Кожен електрон в атомі має унікальний набір квантових чисел.
Згідно з Принципом виключення Паулі, два електрони не можуть поділяти одну і ту ж комбінацію чотирьох квантових чисел.
Квантові числа важливі, оскільки їх можна використовувати для визначення електронної конфігурації атома та ймовірного розташування електронів в атомі.
Квантові числа також використовуються для визначення інших характеристик атомів, таких як енергія іонізації та атомний радіус.
Квантові числа позначають специфічні оболонки, підшарови, орбіталі та спіни електронів.
Це означає, що вони повністю описують характеристики електрона в атомі, тобто описують кожне унікальне рішення рівняння Шредінгера або хвильову функцію електронів в атомі.
Всього існує чотири квантових числа: головне квантове число (n), квантове число орбітального імпульсу імпульсу (l), магнітне квантове число (ml) та квантове число електронного спіна (мс).
Головне квантове число, nn, описує енергію електрона та найбільш ймовірне відстань електрона від ядра. Іншими словами, це стосується розміру орбіти та рівня енергії, на яку розміщується електрон.
Кількість підрозділів або ll описує форму орбіталі. Його також можна використовувати для визначення кількості кутових вузлів.
Магнітне квантове число, мл, описує рівні енергії в підклітині, а мс посилається на спін на електроні, який може бути вгору або вниз.
Принцип Ауфбау
Aufbau походить від німецького слова "Aufbauen", що означає "будувати". По суті, пишучи електронні конфігурації, ми будуємо електронні орбіталі, рухаючись від одного атома до іншого.
Коли ми пишемо електронну конфігурацію атома, ми будемо заповнювати орбіталі в порядку збільшення атомного числа.
Принцип Ауфбау бере свій початок від принципу виключення Паулі, який говорить про те, що в атомі немає двох ферміонів (наприклад, електронів).
Вони можуть мати однаковий набір квантових чисел, тому їм доводиться «укладатися» на більш високих рівнях енергії. Як накопичуються електрони, це питання конфігурації електронів.
Стабільні атоми мають стільки ж електронів, скільки протонів у ядрі. Електрони збираються навколо ядра на квантових орбіталях, дотримуючись чотирьох основних правил, званих принципом Ауфбау.
- В атомі немає двох електронів, які поділяють однакові чотири квантові числа n, l, m та s.
- Електрони спочатку займуть орбіталі найнижчого рівня енергії.
- Електрони завжди будуть заповнювати орбіталі одним і тим же спиновим числом. Коли орбіталі заповнені, вона почнеться.
- Електрони заповнять орбіталі на суму квантових чисел n і l. Орбіталі з рівними значеннями (n + l) спочатку заповняться нижчими n значеннями.
Друге і четверте правила в основному однакові. Прикладом правила чотирьох є орбіталі 2p та 3s.
Орбітала 2p дорівнює n = 2 і l = 2, а орбітала 3s - n = 3 і l = 1. (N + l) = 4 в обох випадках, але орбітала 2p має найнижчу енергію або найнижчу n-величину і заповнюватиметься перед шар 3с.
Рисунок 2: Моеллерова схема заповнення конфігурації електронів.
На щастя, діаграма Моллера, показана на малюнку 2, може використовуватися для заповнення електронами. Графік читається, провівши діагоналі від 1s.
На малюнку 2 показані атомні орбіталі, а стрілки йдуть шляхом вперед.
Тепер, коли відомо, що порядок орбіталей заповнений, залишається лише запам'ятати розмір кожної орбіталі.
S орбіталі мають 1 можливе значення m l, щоб містити 2 електрона
P орбіталі мають 3 можливих значення мл, щоб містити 6 електронів
D орбіталі мають 5 можливих значень мкл для утримання 10 електронів
F орбіталі мають 7 можливих значень m l для утримання 14 електронів
Це все, що потрібно для визначення електронної конфігурації стійкого атома елемента.
Наприклад, візьміть елемент азот. Азот має сім протонів і тому сім електронів. Перша орбітальна заповнення - це орбіталь 1s. Орбіта s має два електрони, тому залишилось п’ять електронів.
Наступна орбіталь - це орбіталь 2s і містить дві наступні. Останні три електрона перейдуть до орбіталі 2p, яка може вмістити до шести електронів.
Правила Ханда
У розділі Ауфбау обговорювалося, як спочатку електрони заповнюють орбіталі найнижчої енергії, а потім рухаються до орбіталей найвищої енергії лише після заповнення орбіталей найнижчої енергії.
Однак з цим правилом є проблема. Звичайно, орбітали 1s повинні бути заповнені перед орбіталями 2s, оскільки орбіталі 1s мають нижче значення n, а отже, і меншу енергію.
А три різні орбіталі 2p? У якому порядку їх слід заповнити? Відповідь на це питання передбачає правило Гунда.
Правило Гунда говорить, що:
- Кожна орбіталь в підрівні займається індивідуально до того, як будь-яка орбітала буде подвоєна.
- Усі електрони на окремо зайнятих орбіталях мають однаковий спін (для максимізації загального спіну).
Коли на орбіталі призначаються електрони, електрон спочатку прагне заповнити всі орбіталі аналогічною енергією (також її називають виродженими орбіталями) перед тим, як з'єднатись з іншим електроном на півбітній орбіталі.
Атоми в основних станах, як правило, мають якомога більше парних електронів. Візуалізуючи цей процес, врахуйте, як електрони проявляють таку ж поведінку, як і ті ж полюси в магніті, якби вони контактували.
Коли негативно заряджені електрони заповнюють орбіталі, вони спочатку намагаються відійти якнайдалі один від одного, перш ніж зійти до пари.
Список літератури
- Анастасія Каменко, ТЕ (2017, 24 березня). Квантові числа. Відновлено з chem.libretexts.org.
- Принцип Ауфбау. (2015 р., 3 червня). Відновлено з chem.libretexts.org.
- Електронні конфігурації та властивості атомів. (СФ). Відновлено з oneonta.edu.
- Encyclopædia Britannica. (2011 р., 7 вересня). Електронна конфігурація. Відновлено з britannica.com.
- Гельменстін, Т. (2017, 7 березня). Принцип Ауфбау - електронна структура та принцип Ауфбау. Відновлено з thinkco.com.
- Правила Ханда. (2015 р., 18 липня). Відновлено з chem.libretexts.org.
- Спектроскопічні позначення. (СФ). Відновлено з bcs.whfreeman.com.