Spektrin merkintä on järjestely elektronin energiatasot noin atomin ytimessä. Vanhan Bohr-atomimallin mukaan elektronit miehittävät erilaisia tasoja kiertoradalla ytimen ympärillä ensimmäisestä kuoresta, joka on lähinnä ydintä K, seitsemänteen kuoreen Q, joka on kauimpana ytimestä.
Hienostuneemman kvanttimekaanisen mallin suhteen KQ-kuoret on jaoteltu orbitaalijoukkoon, joista kukin voi olla enintään yhden elektroniparin varassa.
Yleensä elektronikonfiguraatiota käytetään kuvaamaan atomin kiertoradat sen perustilassa, mutta sitä voidaan käyttää myös edustamaan atomia, joka on ionisoitunut kationiksi tai anioniksi, kompensoimalla elektronien menetyksiä tai vahvistuksia vastaavissa orbitaaleissaan.
Monet elementtien fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista voidaan korreloida niiden ainutlaatuisiin elektronisiin kokoonpanoihin. Valenssielektronit, uloimmassa kuoressa olevat elektronit, ovat määräävä tekijä elementin ainutlaatuiselle kemialle.
Kun atomin uloimmassa kuoressa olevat elektronit vastaanottavat jonkinlaista energiaa, ne siirtyvät korkeamman energian kerroksiin. Siten K-kuoressa oleva elektroni siirtyy L-kuoreen korkeamman energian tilassa.
Kun elektroni palaa perustilaansa, se vapauttaa absorboimansa energian säteilemällä sähkömagneettista spektriä (valoa). Koska jokaisella atomilla on tietty elektroninen konfiguraatio, sillä on myös tietty spektri, jota kutsutaan absorptiospektriksi (tai emissiospektriksi).
Tästä syystä termiä spektrimerkintää käytetään viittaamaan elektronien konfiguraatioon.
Kuinka määrittää spektrimerkinnät: kvanttiluvut
Kaikkia atomin sisällä olevien elektronien liikettä ja suuntauksia kuvataan kokonaan neljällä kvanttiluvulla.
Kaikkien atomien elektronien kvanttilukujen yhdistelmä kuvataan aaltofunktiolla, joka täyttää Schrödingerin yhtälön. Jokaisella atomin elektronilla on ainutlaatuinen kvantilukujoukko.
Paulin poissulkemisperiaatteen mukaan kahdella elektronilla ei voi olla sama yhdistelmä neljää kvanttinumeroa.
Kvanttiluvut ovat tärkeitä, koska niitä voidaan käyttää atomin elektronikonfiguraation ja elektronien todennäköisen sijainnin määrittämiseen atomissa.
Kvanttilukuja käytetään myös atomien muiden ominaisuuksien, kuten ionisaatioenergian ja atomin säteen, määrittämiseen.
Kvanttiluvut osoittavat tietyt elektronien kuoret, alakuoret, kiertoradat ja spinnit.
Tämä tarkoittaa, että ne kuvaavat täysin atomissa olevan elektronin ominaisuuksia, ts. Kuvaavat kutakin ainutlaatuista ratkaisua atomin elektronien Schrödinger-yhtälöön tai elektronien aaltofunktioon.
Kvanttinumeroita on kaikkiaan neljä: pääkvanttilukema (n), kiertoradan kulmamomentin kvantiluku (l), magneettinen kvanttiluku (ml) ja elektronin spin-kvanttiluku (ms).
Pääkvanttinumero, nn, kuvaa elektronin energiaa ja elektronin todennäköisintä etäisyyttä ytimestä. Toisin sanoen, se viittaa kiertoradan kokoon ja energiatasoon, johon elektroni sijoitetaan.
Alihellien lukumäärä tai ll kuvaa kiertoradan muotoa. Sitä voidaan käyttää myös kulmasolmujen määrän määrittämiseen.
Magneettinen kvanttilukema ml kuvaa alakennon energiatasoja, ja ms viittaa elektronin spiniin, joka voi olla ylös tai alas.
Aufbau-periaate
Aufbau tulee saksan sanasta "Aufbauen", joka tarkoittaa "rakentaa". Pohjimmiltaan, kirjoittamalla elektronikonfiguraatioita, rakennamme elektronisia kiertoratoja siirtyessämme atomista toiseen.
Kun kirjoitamme atomin elektronikonfiguraatiota, täytämme kiertoradat kasvavassa järjestyksessä atominumeroa.
Aufbau-periaate on peräisin Paulin poissulkemisperiaatteesta, jonka mukaan atomissa ei ole kahta fermionia (esim. Elektronia).
Heillä voi olla sama joukko kvanttilukuja, joten heidän on "pinottava" korkeammille energiatasoille. Miten elektronit kerääntyvät, on kysymys elektronimäärityksistä.
Vakaissa atomeissa on yhtä monta elektronia kuin protoneissa ytimessä. Elektronit kokoontuvat ytimen ympärille kvanttiorbitaaleissa noudattaen neljää perussääntöä, nimeltään Aufbau-periaate.
- Atomissa ei ole kahta elektronia, joilla on samat neljä kvantilukua n, l, m ja s.
- Elektronit miehittävät ensin alimman energiatason kiertoradat.
- Elektronit täyttävät kiertoradat aina samalla spin-numerolla. Kun kiertoradat ovat täynnä, se alkaa.
- Elektronit täyttävät kiertoradat kvanttinumeroiden n ja l summalla. Orbitaalit, joilla on yhtä suuret arvot (n + l), täytetään ensin ala-arvoilla n.
Toinen ja neljäs sääntö ovat periaatteessa samat. Esimerkki säännöstä neljä olisi 2p ja 3s kiertoradat.
2p-kiertorata on n = 2 ja l = 2 ja 3s-kiertorata on n = 3 ja l = 1. (N + l) = 4 molemmissa tapauksissa, mutta 2p-kiertoradalla on alhaisin energia tai alhaisin arvo n ja se täyttyy ennen kerros 3s.
Kuva 2: Moeller-kaavio elektronikonfiguraation täyttämisestä.
Onneksi kuvassa 2 esitettyä Moeller-kaaviota voidaan käyttää suorittamaan elektroneja. Kaavio luetaan ajamalla diagonaalit välillä 1s.
Kuvio 2 näyttää atomien kiertoradat ja nuolet seuraavat tietä eteenpäin.
Nyt kun kiertoratavälin järjestys tiedetään täyttyvän, on jäljellä vain kunkin kiertoradan koko.
S-kiertoväylillä on yksi mahdollinen arvo m l, joka sisältää 2 elektronia
P-orbitaaleilla on 3 mahdollista arvoa ml: n sisältämään 6 elektronia
D-orbitaaleilla on 5 mahdollista arvoa µl 10 elektronin pitämiseksi
F-orbitaaleilla on 7 mahdollista arvoa m l pitääkseen 14 elektronia
Tämä on kaikki mitä tarvitaan elementin stabiilin atomin elektronisen konfiguraation määrittämiseen.
Otetaan esimerkiksi typpi. Typpessä on seitsemän protonia ja siten seitsemän elektronia. Ensimmäinen täytettävä kiertorata on 1: n kiertorata. Orbitaalissa on kaksi elektronia, joten jäljellä on viisi elektronia.
Seuraava kiertorata on 2s: n kiertorata ja sisältää seuraavat kaksi. Kolme viimeistä elektronia menee 2p-kiertoradalle, joka voi pitää jopa kuusi elektronia.
Hundin säännöt
Aufbaun osiossa keskusteltiin siitä, kuinka elektronit täyttävät ensin alimman energian kiertoradat ja sitten siirtyvät korkeimman energian kiertoradalle vasta sen jälkeen, kun alimmat energiaradat ovat täynnä.
Tässä säännössä on kuitenkin ongelma. Varmasti 1s: n kiertoradat on täytettävä ennen 2s: n kiertoratoja, koska 1s: n kiertoradalla on alhaisempi arvo n ja siten alhaisempi energia.
Ja kolme erilaista 2p-kiertorataa? Missä järjestyksessä ne tulisi täyttää? Vastaus tähän kysymykseen sisältää Hundin säännön.
Hundin säännössä todetaan seuraavaa:
- Jokainen alatason kiertorata on miehitetty erikseen, ennen kuin kiertorata on kaksinkertainen.
- Kaikilla elektronilla yksilöllisesti käytössä olevilla orbitaaleilla on sama spin (maksimoidaksesi kokonaisen spinin).
Kun elektroneja osoitetaan kiertoradalle, elektroni pyrkii ensin täyttämään kaikki kiertoradat samanlaisella energialla (kutsutaan myös rappeutuneiksi rataväyliksi) ennen pariksi muodostumista toisen elektronin kanssa puoliksi täyteen kiertorataan.
Pohjatilojen atomilla on yleensä niin monta paritonta elektronia kuin mahdollista. Tämän prosessin visualisoinnissa mietitään kuinka elektronit käyttäytyvät samalla tavalla kuin samat magneetin navat, jos ne joutuvat kosketukseen.
Kun negatiivisesti varautuneet elektronit täyttävät kiertoradat, ne yrittävät ensin päästä mahdollisimman kaukana toisistaan ennen pariksi muodostamista.
Viitteet
- Anastasiya Kamenko, TE (2017, 24. maaliskuuta). Kvantinumerot. Palautettu osoitteesta chem.libretexts.org.
- Aufbaun periaate. (2015, 3. kesäkuuta). Palautettu osoitteesta chem.libretexts.org.
- Elektronikonfiguraatiot ja atomien ominaisuudet. (SF). Palautettu oneonta.edu-palvelusta.
- Encyclopædia Britannica. (2011, 7. syyskuuta). Sähköinen kokoonpano. Palautettu osoitteesta britannica.com.
- Helmenstine, T. (2017, 7. maaliskuuta). Aufbau-periaate - sähköinen rakenne ja Aufbau-periaate. Palautettu ajatuksiin.com.
- Hundin säännöt. (2015, 18. heinäkuuta). Palautettu osoitteesta chem.libretexts.org.
- Spektroskooppinen merkintä. (SF). Palautettu sivustolta bcs.whfreeman.com.