Διαφορικοί Ηλεκτρονικοί Κβαντικοί Αριθμοί, Πώς να το Ξέρεις και Παραδείγματα

Το διαφορικό ηλεκτρόνιο ή διαφοροποιητής είναι το τελευταίο ηλεκτρόνιο που τοποθετείται στην ακολουθία της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης ενός ατόμου. Γιατί είναι το όνομά του; Για να απαντηθεί αυτή η ερώτηση είναι απαραίτητη η βασική δομή ενός ατόμου: ο πυρήνας του, το κενό και τα ηλεκτρόνια.

Ο πυρήνας είναι ένα πυκνό, συμπαγές συσσωμάτωμα θετικών σωματιδίων που ονομάζονται πρωτόνια και ουδέτερων σωματιδίων που ονομάζονται νετρόνια. Τα πρωτόνια ορίζουν τον ατομικό αριθμό Ζ και μαζί με τα νετρόνια σχηματίζουν την ατομική μάζα. Ωστόσο, ένα άτομο δεν μπορεί να φέρει μόνο θετικά φορτία. αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα για να τα εξουδετερώσουν. 

Έτσι, για κάθε πρωτόνιο που προστίθεται στον πυρήνα, ένα νέο ηλεκτρόνιο ενσωματώνεται στα τροχιακά του για να εξουδετερώσει το αυξανόμενο θετικό φορτίο. Με αυτό τον τρόπο, το νέο προστιθέμενο ηλεκτρόνιο, το διαφορικό ηλεκτρόνιο, είναι στενά συνδεδεμένο με τον ατομικό αριθμό Ζ.

Το διαφορικό ηλεκτρόνιο βρίσκεται στο πιο εξωτερικό ηλεκτρονικό στρώμα: το στρώμα σθένους. Ως εκ τούτου, όσο πιο μακριά βρίσκεστε από τον πυρήνα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που συνδέεται με αυτό. Αυτή η ενέργεια είναι υπεύθυνη για τη συμμετοχή τους, όπως και τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια σθένους, στις χημικές αντιδράσεις που είναι χαρακτηριστικές των στοιχείων.

Ευρετήριο

• 1 Κβαντικοί αριθμοί
• 2 Πώς να γνωρίζετε το διαφορικό ηλεκτρόνιο?
• 3 Παραδείγματα σε διάφορα στοιχεία
  • 3.1 Χλώριο
  • 3,2 ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ _
  • 3.3 Μαγνήσιο
  • 3.4 ↑ ↓
  • 3.5 Ζιρκόνιο
  • 3.6 Άγνωστο στοιχείο
  • 3.7. ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓
• 4 Αναφορές

Κβαντικοί αριθμοί

Όπως και τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια, το διαφορικό ηλεκτρόνιο μπορεί να ταυτιστεί με τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς. Αλλά ποιοι είναι οι κβαντικοί αριθμοί; Είναι "n", "l", "m" και "s".

Ο κβαντικός αριθμός "n" δηλώνει το μέγεθος του ατόμου και τα επίπεδα ενέργειας (K, L, M, N, O, P, Q). Το "L" είναι ο δευτερεύων ή αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός, ο οποίος δείχνει το σχήμα των ατομικών τροχιακών και παίρνει τιμές 0, 1, 2 και 3 για τα τροχιά "s", "p", "d" και " , αντίστοιχα.

"Μ" είναι ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός και υποδεικνύει τον χωρικό προσανατολισμό των τροχιακών κάτω από ένα μαγνητικό πεδίο. Έτσι, 0 για την τροχιά "s"? -1, 0, +1, για την τροχιά "p". -2, -1, 0, +1, +2, για το τροχιά "d". και -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, για την τροχιά "f". Τέλος, ο κβαντικός αριθμός των περιστροφών (+1/2 για ↑ και -1/2 για ↓).

Επομένως, ένα διαφορικό ηλεκτρόνιο έχει τους αντίστοιχους προηγούμενους κβαντικούς αριθμούς ("n", "l", "m", "s"). Επειδή εξουδετερώνει το νέο θετικό φορτίο που παράγεται από το πρόσθετο πρωτόνιο, παρέχει επίσης τον ατομικό αριθμό Ζ του στοιχείου.

Πώς να γνωρίζετε το διαφορικό ηλεκτρόνιο?

Στην επάνω εικόνα απεικονίζονται οι ηλεκτρονικές διαμορφώσεις για τα στοιχεία από υδρογόνο σε νέον αέριο (H → Ne).

Σε αυτό, τα ηλεκτρόνια των ανοικτών στρωμάτων υποδεικνύονται με το κόκκινο χρώμα, ενώ αυτά των κλειστών στρωμάτων υποδεικνύονται με το μπλε χρώμα. Τα στρώματα αναφέρονται στον κβαντικό αριθμό "n", ο πρώτος από τους τέσσερις.

Με αυτό τον τρόπο, η διαμόρφωση σθένους του Η (↑ του κόκκινου χρώματος) προσθέτει ένα άλλο ηλεκτρόνιο με αντίθετο προσανατολισμό για να γίνει αυτό του He (↑ ↑, και οι δύο μπλε επειδή τώρα το επίπεδο 1 είναι κλειστό). Αυτό το προστεθέν ηλεκτρόνιο είναι τότε το διαφορικό ηλεκτρόνιο.

Έτσι, γραφικά μπορεί να παρατηρηθεί πως το διαφορικό ηλεκτρόνιο προστίθεται στο στρώμα σθένους (κόκκινα βέλη) των στοιχείων, διαφοροποιώντας το ένα από το άλλο. Τα ηλεκτρόνια γεμίζουν τις τροχιές που σέβονται τον κανόνα του Hund και την αρχή του αποκλεισμού του Pauling (που παρατηρείται απόλυτα από το B στο Ne).

Και τι γίνεται με τους κβαντικούς αριθμούς; Αυτά ορίζουν κάθε βέλος - δηλαδή κάθε ηλεκτρόνιο - και οι τιμές τους μπορούν να επιβεβαιωθούν με την ηλεκτρονική διαμόρφωση για να μάθουν αν είναι ή όχι το διαφορικό ηλεκτρόνιο.

Παραδείγματα σε πολλά στοιχεία

Χλώριο

Για την περίπτωση του χλωρίου (Cl) ο ατομικός αριθμός του Z είναι ίσος με 17. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση είναι τότε 1s²2s²sp⁶3s²3ρ⁵. Οι τροχιές που σημειώνονται με κόκκινο χρώμα αντιστοιχούν σε εκείνες της στρώσης σθένους, η οποία παρουσιάζει το επίπεδο 3 ανοιχτό.

Το διαφορικό ηλεκτρόνιο είναι το τελευταίο ηλεκτρόνιο που τοποθετείται στην ηλεκτρονική διαμόρφωση και το άτομο χλωρίου είναι εκείνο του τροχιακού 3ρ, του οποίου η διάθεση είναι η ακόλουθη:

↑ ↓  ↑ ↓  ↑

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

Σεβόμενο τον κανόνα του Hund, πρώτα γεμίστε τα 3b τροχιακά της ίσης ενέργειας (ένα βέλος επάνω σε κάθε τροχιά). Δεύτερον, τα άλλα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν με τα μοναχικά ηλεκτρόνια από αριστερά προς τα δεξιά. Το διαφορικό ηλεκτρόνιο αντιπροσωπεύεται σε ένα πράσινο πλαίσιο.

Έτσι, το διαφορικό ηλεκτρόνιο για το χλώριο έχει τους ακόλουθους κβαντικούς αριθμούς: (3, 1, 0, -1/2). Δηλαδή, το "n" είναι 3. "L" είναι 1, τροχιά "p"; Το "M" είναι 0, επειδή είναι το "p" τροχιακό του μέσου. και το s είναι -1/2, αφού το βέλος δείχνει προς τα κάτω.

Μαγνήσιο

Η ηλεκτρονική διαμόρφωση για το άτομο μαγνησίου είναι 1s²2s²sp⁶3s², που αντιπροσωπεύει το τροχιακό και το ηλεκτρόνιο σθένους του με τον ίδιο τρόπο:

↑ ↓

3s

0

Αυτή τη φορά, το διαφορικό ηλεκτρόνιο έχει τους κβαντικούς αριθμούς 3, 0, 0, -1/2. Η μόνη διαφορά σε αυτή την περίπτωση σε σχέση με το χλώριο είναι ότι ο κβαντικός αριθμός "l" είναι 0 επειδή το ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει ένα τροχιακό "s" (το 3s).

Ζιρκόνιο

Η ηλεκτρονική διαμόρφωση για το άτομο ζιρκονίου (μεταβατικό μέταλλο) είναι 1s²2s²sp⁶3s²3ρ⁶4s²3d¹⁰4ρ⁶5s²4δ². Με τον ίδιο τρόπο όπως και οι προηγούμενες περιπτώσεις, η αναπαράσταση των τροχιακών και των ηλεκτρονίων σθένους έχει ως εξής:

Έτσι, οι κβαντικοί αριθμοί για το διαφορικό ηλεκτρόνιο με πράσινο είναι: 4, 2, -1, +1/2. Εδώ, δεδομένου ότι το ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει το δεύτερο τροχιακό "d", έχει έναν κβαντικό αριθμό "m" ίσο με -1. Επίσης, επειδή το βέλος δείχνει προς τα πάνω, ο αριθμός περιστροφής του s είναι ίσος με +1 / 2.

Άγνωστο στοιχείο

Οι κβαντικοί αριθμοί του διαφορικού ηλεκτρονίου για ένα άγνωστο στοιχείο είναι 3, 2, +2, -1/2. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός Ζ του στοιχείου; Γνωρίζοντας το Z μπορείτε να αποκρυπτογραφήσετε ποιο είναι το στοιχείο.

Αυτή τη φορά, δεδομένου ότι το "n" είναι ίσο με 3, αυτό σημαίνει ότι το στοιχείο βρίσκεται στην τρίτη περίοδο του περιοδικού πίνακα, με τις τροχιές "d" ως στρώμα σθένους ("l" ίσο με 2). Επομένως, τα τροχιακά αντιπροσωπεύονται όπως στο προηγούμενο παράδειγμα:

↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

Οι κβαντικοί αριθμοί "m" ίσοι με +2 και "s" ίσοι με -1/2, είναι τα κλειδιά για να εντοπίσετε σωστά το διαφορικό ηλεκτρόνιο στο τελευταίο 3d τροχιακό.

Έτσι, το στοιχείο που επιδιώκεται έχει τις 3 τροχιές¹⁰ πλήρης, ακριβώς όπως τα εσωτερικά ηλεκτρονικά στρώματα. Συμπερασματικά, το στοιχείο είναι το μέταλλο ψευδαργύρου (Zn).

Ωστόσο, οι κβαντικοί αριθμοί του διαφορικού ηλεκτρονίου δεν μπορούν να διακρίνουν μεταξύ του ψευδαργύρου και του χαλκού, επειδή ο τελευταίος έχει επίσης πλήρεις ορχιδέες 3d. Γιατί; Επειδή ο χαλκός είναι μέταλλο που δεν συμμορφώνεται με τους κανόνες για την πλήρωση ηλεκτρονίων για κβαντικούς λόγους.

Αναφορές

1. Jim Branson (2013). Κανόνες του Hund Ανακτήθηκε στις 21 Απριλίου 2018, από: quantummechanics.ucsd.edu
2. Διάλεξη 27: Οι κανόνες του Hund. Ανακτήθηκε στις 21 Απριλίου 2018, από: ph.qmul.ac.uk
3. Πανεπιστήμιο Purdue. Κβαντικοί αριθμοί και ηλεκτρονικές διαμορφώσεις. Ανακτήθηκε στις 21 Απριλίου 2018, από: chemed.chem.purdue.edu
4. Salvat Encyclopedia of Sciences. (1968). Physics Salvat, S.A. Ediciones Pamplona, ​​τόμος 12, Ισπανία, σελ. 314-322.
5. Walter J. Moore. (1963). Φυσική Χημεία Στο σωματίδια και κύματα. Τέταρτη έκδοση, Longmans.