Spektralne zapis je razporeditev elektron energijski nivoji okoli jedra atoma. Po starem atomskem modelu Bohra elektroni zasedajo različne ravni v orbitah okoli jedra, od prve lupine, ki je najbližje jedru, K, do sedme lupine, Q, ki je najbolj oddaljeno od jedra.
Glede na bolj izpopolnjen kvantni mehanski model so lupine KQ razdeljene na niz orbitale, od katerih lahko zasede največ en par elektronov.
Običajno se elektronska konfiguracija uporablja za opisovanje orbitov atoma v njegovem osnovnem stanju, lahko pa ga uporabimo tudi za predstavljanje atoma, ki se je ioniziral v kation ali anion, s čimer kompenzira izgubo ali pridobitev elektronov v njunih orbitalah.
Številne fizikalne in kemijske lastnosti elementov je mogoče povezati z njihovimi edinstvenimi elektronskimi konfiguracijami. Valenčni elektroni, elektroni v najbolj oddaljeni lupini, so odločilni dejavnik za edinstveno kemijo elementa.
Ko elektroni v najbolj skrajni lupini atoma dobijo neko energijo, se premikajo v plasti višje energije. Tako se bo elektron v lupini K prenašal v lupino L, medtem ko je v višjem energijskem stanju.
Ko se elektron vrne v osnovno stanje, sprosti energijo, ki jo absorbira z oddajanjem elektromagnetnega spektra (svetlobe). Ker ima vsak atom določeno elektronsko konfiguracijo, bo imel tudi določen spekter, ki se bo imenoval absorpcijski (ali emisijski) spekter.
Zaradi tega se za konfiguracijo elektronov uporablja izraz spektralna notacija.
Kako določiti spektralno notacijo: kvantna števila
Skupno štiri kvantna števila se uporabljajo za popolno opisovanje gibanja in usmeritev vsakega elektrona znotraj atoma.
Kombinacijo vseh kvantnih števil vseh elektronov v atomu opisuje valovna funkcija, ki izpolnjuje Schrödingerjevo enačbo. Vsak elektron v atomu ima edinstven niz kvantnih števil.
Po načelu izključitve Pauli dva elektrona ne moreta deliti iste kombinacije štirih kvantnih števil.
Kvantna števila so pomembna, ker jih lahko uporabimo za določitev elektronske konfiguracije atoma in verjetne lokacije elektronov v atomu.
Kvantna števila se uporabljajo tudi za določanje drugih značilnosti atomov, na primer energije ionizacije in atomskega polmera.
Kvantna števila označujejo specifične lupine, podkostnice, orbitale in spinove elektronov.
To pomeni, da v celoti opisujejo značilnosti elektrona v atomu, to pomeni, da opisujejo vsako edinstveno rešitev Schrödingerjeve enačbe ali valovne funkcije elektronov v atomu.
Obstajajo štiri štiri kvantna števila: glavno kvantno število (n), kvantno število orbitalnega kotnega momenta (l), magnetno kvantno število (ml) in kvantno število vrtljajev elektronov (ms).
Glavno kvantno število, nn, opisuje energijo elektrona in najverjetnejšo oddaljenost elektrona od jedra. Z drugimi besedami, nanaša se na velikost orbite in energijsko raven, na katero je postavljen elektron.
Število podklepov ali ll opisuje obliko orbite. Uporablja se lahko tudi za določanje števila kotnih vozlišč.
Magnetno kvantno število, ml, opisuje ravni energije v poddrugi, ms pa se nanaša na spin na elektronu, ki je lahko navzgor ali navzdol.
Načelo Aufbau
Aufbau izvira iz nemške besede "Aufbauen", kar pomeni "graditi." V bistvu s pisanjem elektronskih konfiguracij gradimo elektronske orbitale, ko se premikamo od enega atoma do drugega.
Ko pišemo elektronsko konfiguracijo atoma, bomo polnili orbitale v naraščajočem zaporedju atomskega števila.
Načelo Aufbau izvira iz načela izključitve Pauli, ki pravi, da v atomu ni dveh fermion (npr. Elektronov).
Lahko imajo enak nabor kvantnih števil, zato se morajo "zlagati" pri višjih ravneh energije. Kako se elektroni kopičijo je stvar elektronskih konfiguracij.
Stabilni atomi imajo toliko elektronov kot protoni v jedru. Elektroni se zberejo okoli jedra v kvantnih orbitalah po štirih osnovnih pravilih, imenovanih Aufbau-ov princip.
- V atomu nista dva elektrona, ki bi si delila enaka štiri kvantna števila n, l, m in s.
- Elektroni bodo najprej zasedli orbite najnižje ravni energije.
- Elektroni bodo vedno zapolnili orbitale z isto vrtilno številko. Ko je orbitala polna, se bo začela.
- Elektroni bodo zapolnili orbitale s seštevkom kvantnih števil n in l. Orbitale z enakimi vrednostmi (n + l) bodo najprej napolnjene s spodnjimi n vrednostmi.
Drugo in četrto pravilo sta v osnovi enaki. Primer četrtega pravila je orbitala 2p in 3s.
Orbita 2p je n = 2 in l = 2 in 3s orbitala n = 3 in l = 1. (N + l) = 4 v obeh primerih, vendar je orbita 2p najnižja energija ali najnižja vrednost n in se bo napolnila pred plast 3s.
Slika 2: Moellerjev diagram polnjenja elektronske konfiguracije.
Na srečo lahko Moellerjev diagram, prikazan na sliki 2, uporabimo za polnjenje elektronov. Graf se bere z izvajanjem diagonale od 1s.
Slika 2 prikazuje atomske orbitale, puščice pa sledijo naprej.
Zdaj, ko je znano, da je vrstni red orbital izpolnjen, je ostalo le, da si zapomnite velikost vsake orbitale.
S orbitala ima 1 možno vrednost m l, da vsebuje 2 elektrona
P orbitale imajo 3 možne vrednosti ml, da vsebujejo 6 elektronov
D orbitale imajo 5 možnih vrednosti μl, da zadržijo 10 elektronov
F orbitale imajo 7 možnih vrednosti m l za zadrževanje 14 elektronov
To je vse, kar je potrebno za določitev elektronske konfiguracije stabilnega atoma elementa.
Za primer vzemite element dušik. Dušik ima sedem protonov in zato sedem elektronov. Prva orbitala, ki jo zapolnimo, je orbita 1s. Orbital s ima dva elektrona, zato je ostalo še pet elektronov.
Naslednja orbitala je orbita 2s in vsebuje naslednji dve. Končni trije elektroni bodo šli v orbito 2p, ki lahko sprejme do šest elektronov.
Hund pravila
Aufbau je razpravljal o tem, kako elektroni najprej napolnijo orbitale z najnižjo energijo in se nato premaknejo na najvišje energetske orbitale šele potem, ko so orbitele najnižje energije polne.
Vendar pa obstaja težava s tem pravilom. Zagotovo je treba 1s orbitale zapolniti pred 2s orbitalo, ker imajo orbite 1s nižjo vrednost n in s tem nižjo energijo.
In tri različne orbitale 2p? V kakšnem vrstnem redu jih je treba napolniti? Odgovor na to vprašanje vključuje Hundovo pravilo.
Hundovo pravilo pravi, da:
- Vsaka orbitala v podnadravju je zasedena posamično, preden je katera koli orbitala dvakrat zasedena.
- Vsi elektroni v posamično zasedenih orbitalah imajo isti spin (da maksimiramo skupni spin).
Ko so elektroni dodeljeni orbitali, naj bi elektron najprej napolnil vse orbitale s podobno energijo (imenovano tudi degenerirane orbitale), preden se seznani z drugim elektronom v napol polni orbitali.
Atomi v zemeljskih stanjih imajo navadno čim več neprimernih elektronov. Pri prikazu tega procesa upoštevajte, kako elektroni pokažejo enako vedenje kot isti polovi v magnetu, če bi prišli v stik.
Ko negativno nabiti elektroni zapolnijo orbitale, se najprej poskušajo čim bolj oddaljiti drug od drugega, preden se morajo pariti.
Reference
- Anastasija Kamenko, TE (2017, 24. marec). Kvantne številke. Pridobljeno s strani chem.libretexts.org.
- Načelo Aufbaua. (2015, 3. junij). Pridobljeno s strani chem.libretexts.org.
- Elektronske konfiguracije in lastnosti atomov. (SF). Pridobljeno iz oneonta.edu.
- Encyclopædia Britannica. (2011, 7. septembra). Elektronska konfiguracija. Pridobljeno od britannica.com.
- Helmenstine, T. (2017, 7. marec). Načelo Aufbau - elektronska struktura in načelo Aufbau. Pridobljeno iz misli.com.
- Hundova pravila. (2015, 18. julij). Pridobljeno s strani chem.libretexts.org.
- Spektroskopski zapis. (SF). Pridobljeno iz bcs.whfreeman.com.