Τι είναι η φασματική συμβολαιογραφία;

Το φασματική σημείωση oηλεκτρονική διαμόρφωση είναι η διάταξη των ηλεκτρονίων σε επίπεδα ενέργειας γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου.

Από την άποψη ενός πιο εξελιγμένο κβαντικό μηχανικό μοντέλο, τα στρώματα Κ-Q υποδιαιρούνται σε μια σειρά από τροχιακά, καθένα από τα οποία μπορεί να καταλαμβάνεται από όχι περισσότερο από ένα ζεύγος ηλεκτρονίων (Encyclopædia Britannica, 2011).

Κοινώς, η ηλεκτρονική διαμόρφωση χρησιμοποιείται για να περιγράψει τα τροχιακά ενός ατόμου σε θεμελιώδη κατάσταση του, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να αντιπροσωπεύουν ένα άτομο που έχει ιονισμένο σε ένα κατιόν ή ανιόν, αντισταθμίζοντας την απώλεια ή το κέρδος των ηλεκτρονίων στις αντίστοιχες τροχιακά τους.

Πολλές από τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των στοιχείων μπορούν να συσχετιστούν με τις μοναδικές ηλεκτρονικές τους διαμορφώσεις.

Τα ηλεκτρόνια σθένους, τα ηλεκτρόνια στο εξώτατο στρώμα, είναι ο καθοριστικός παράγοντας για τη μοναδική χημεία του στοιχείου (ηλεκτρονικές διαμορφώσεις και ιδιότητες των ατόμων, S.F.).

Όταν τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό στρώμα ενός ατόμου λαμβάνουν ενέργεια κάποιου είδους, κινούνται σε υψηλότερες ενεργειακές στρώσεις. Έτσι, ένα ηλεκτρόνιο στο στρώμα Κ θα μεταφερθεί στο στρώμα L ενώ είναι σε υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση.

Όταν το ηλεκτρόνιο επιστρέψει στην κατάσταση του εδάφους, απελευθερώνει την ενέργεια που απορροφά με την εκπομπή ενός ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (φωτός). Δεδομένου ότι κάθε άτομο έχει συγκεκριμένη ηλεκτρονική διαμόρφωση, θα έχει επίσης ένα ειδικό φάσμα που θα ονομάζεται φάσμα απορρόφησης (ή εκπομπής)..

Για το λόγο αυτό, ο όρος φασματική σημείωση χρησιμοποιείται για την αναφορά στην ηλεκτρονική διαμόρφωση (Spectroscopic Notation, S.F.).

Πώς να προσδιορίσετε τη φασματική σημείωση: κβαντικοί αριθμοί

Συνολικά τέσσερις κβαντικοί αριθμοί χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν πλήρως την κίνηση και τις τροχιές κάθε ηλεκτρονίου μέσα σε ένα άτομο.

Ο συνδυασμός όλων των κβαντικών αριθμών όλων των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο περιγράφεται από μια συνάρτηση κύματος που συμμορφώνεται με την εξίσωση Schrödinger. Κάθε ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο έχει ένα μοναδικό σύνολο κβαντικών αριθμών.

Σύμφωνα με την αρχή του Pauli Exclusion, δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούν να μοιραστούν τον ίδιο συνδυασμό τεσσάρων κβαντικών αριθμών.

Οι κβαντικοί αριθμοί είναι σημαντικοί επειδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης ενός ατόμου και της πιθανής θέσης των ηλεκτρονίων του ατόμου.

Οι κβαντικοί αριθμοί χρησιμοποιούνται επίσης για τον προσδιορισμό άλλων χαρακτηριστικών των ατόμων, όπως η ενέργεια ιοντισμού και η ατομική ακτίνα.

Οι κβαντικοί αριθμοί ορίζουν συγκεκριμένα κοχύλια, υποστρώματα, τροχιακά και συστροφές ηλεκτρονίων.

Αυτό σημαίνει ότι περιγράφουν εντελώς τα χαρακτηριστικά ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο, δηλαδή, περιγράφουν κάθε μοναδική λύση στην εξίσωση Schrödinger, ή τη λειτουργία κύματος, ηλεκτρονίων σε ένα άτομο.

Υπάρχει τέσσερις κβαντικούς αριθμούς: τον αριθμό κύριο κβαντικό (n), το κβαντικό αριθμό των τροχιακή στροφορμή (L), ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός (ml) και η κβαντική αριθμός των σπιν των ηλεκτρονίων (ms).

Ο κύριος κβαντικός αριθμός, nn, περιγράφει την ενέργεια ενός ηλεκτρονίου και την πιο πιθανή απόσταση του ηλεκτρονίου από τον πυρήνα. Με άλλα λόγια, αναφέρεται στο μέγεθος του τροχιακού και του ενεργειακού επιπέδου στο οποίο τοποθετείται ένα ηλεκτρόνιο.

Ο αριθμός των υποστρωμάτων, ή ΙΙΙ, περιγράφει το σχήμα του τροχιακού. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του αριθμού των γωνιακών κόμβων.

Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός, ml, περιγράφει τα επίπεδα ενέργειας σε μια υποστοιβάδα και το ms αναφέρεται στην περιστροφή στο ηλεκτρόνιο, που μπορεί να είναι πάνω ή κάτω (Anastasiya Kamenko, 2017).

Αρχή της Aufbau

Το Aufbau προέρχεται από τη γερμανική λέξη "Aufbauen" που σημαίνει "να οικοδομήσουμε". Στην ουσία, όταν γράφουμε ηλεκτρονικές διαμορφώσεις, χτίζουμε τροχιακά ηλεκτρονίων καθώς μεταφέρουμε από ένα άτομο σε άλλο.

Καθώς γράφουμε την ηλεκτρονική διαμόρφωση ενός ατόμου, θα γεμίσουμε τα τροχιακά με αυξανόμενη σειρά ατομικού αριθμού.

Η αρχή του Aufbau προέρχεται από την αρχή αποκλεισμού του Pauli που λέει ότι δεν υπάρχουν δύο φερμιόνια (π.χ. ηλεκτρόνια) σε ένα άτομο.

Μπορεί να έχουν το ίδιο σύνολο κβαντικών αριθμών, οπότε πρέπει να "στοιβάζονται" σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Η συσσώρευση ηλεκτρονίων είναι θέμα ηλεκτρονικών διαμορφώσεων (Aufbau Principle, 2015).

Τα σταθερά άτομα έχουν τόσα ηλεκτρόνια όπως τα πρωτόνια στον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια συγκεντρώνονται γύρω από τον πυρήνα σε κβαντικά τροχιακά, ακολουθώντας τέσσερις βασικούς κανόνες που ονομάζονται αρχή Aufbau.

1. Δεν υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια στο άτομο που μοιράζονται τους ίδιους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς n, l, m, και s.
2. Τα ηλεκτρόνια θα καταλάβουν πρώτα τα τροχιακά της χαμηλότερης ενεργειακής στάθμης.
3. Τα ηλεκτρόνια θα γεμίζουν πάντα τις τροχιές με τον ίδιο αριθμό περιστροφής. Όταν τα τροχιακά είναι γεμάτα, θα αρχίσει.
4. Τα ηλεκτρόνια θα γεμίσουν τα τροχιακά με το άθροισμα των κβαντικών αριθμών n και l. Τα τροχιακά με ίσες τιμές (n + 1) θα γεμίσουν πρώτα με τις τιμές του n χαμηλότερες.

Ο δεύτερος και ο τέταρτος κανόνας είναι βασικά οι ίδιοι. Ένα παράδειγμα του κανόνα τεσσάρων θα ήταν τα 2ρ και 3s τροχιακά.

Ένα τροχιακό 2p είναι n = 2 και l = 2 και 3s τροχιακό είναι n = 3 και l = 1 (Ν + l) = 4 και στις δύο περιπτώσεις, αλλά η 2p τροχιακό που έχει την χαμηλότερη ενέργεια ή χαμηλότερη τιμή n θα γεμίσουν πριν από την 3s.

Ευτυχώς, το διάγραμμα Moeller που φαίνεται στο σχήμα 2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πλήρωση ηλεκτρονίων. Το γράφημα διαβάζεται με εκτέλεση διαγωνίων από 1 δευτερόλεπτα.

Το σχήμα 2 δείχνει τα ατομικά τροχιακά και τα βέλη ακολουθούν την πορεία που ακολουθεί.

Τώρα που είναι γνωστό ότι η σειρά των τροχιακών είναι πλήρης, το μόνο που μένει είναι να απομνημονεύσει το μέγεθος κάθε τροχιάς.

Οι τροχιές S έχουν 1 πιθανή τιμή m_l να περιέχει 2 ηλεκτρόνια

Οι τροχιές P έχουν 3 πιθανές τιμές m_l να περιέχει 6 ηλεκτρόνια

D έχουν 5 πιθανές τιμές m_l να περιέχει 10 ηλεκτρόνια

Οι τροχιές F έχουν 7 πιθανές τιμές m_l να περιέχει 14 ηλεκτρόνια

Αυτό είναι το μόνο που χρειάζεται για να προσδιοριστεί η ηλεκτρονική διαμόρφωση ενός σταθερού ατόμου ενός στοιχείου.

Για παράδειγμα, πάρτε το στοιχείο του αζώτου. Το άζωτο έχει επτά πρωτόνια και επομένως επτά ηλεκτρόνια. Το πρώτο τροχιακό που θα γεμίσει είναι η τροχιά του 1ου. Ένα τροχιακό έχει δύο ηλεκτρόνια, οπότε υπάρχουν πέντε ηλεκτρόνια.

Το επόμενο τροχιακό είναι το τροχιακό 2s και περιέχει τα επόμενα δύο. Τα τρία τελικά ηλεκτρόνια θα φτάσουν στο τροχιακό 2p που μπορεί να περιέχει έως και έξι ηλεκτρόνια (Helmenstine, 2017).

Κανόνες Hund

Στην ενότητα Aufbau συζητήσαμε πώς τα ηλεκτρόνια γεμίζουν πρώτα τα χαμηλότερα ενεργειακά τροχιακά πρώτα και στη συνέχεια μετακινούνται μέχρι τα υψηλότερα ενεργειακά τροχιακά μόνο μετά την πλήρωση των χαμηλότερων τροχιακών ενέργειας.

Ωστόσο, υπάρχει πρόβλημα με αυτόν τον κανόνα. Βεβαίως, τα τροχιακά του 1ου πρέπει να γεμίσουν πριν από τα τροχιακά 2s, επειδή τα τροχιακά 1s έχουν χαμηλότερη τιμή n, και επομένως χαμηλότερη ενέργεια.

Και οι τρεις διαφορετικές τροχιακές 2p; Σε ποια σειρά πρέπει να πληρωθούν; Η απάντηση σε αυτή την ερώτηση αφορά τον κανόνα του Hund.

Ο κανόνας του Hund αναφέρει ότι:

- Κάθε τροχιά σε υποεπίπεδο καταλαμβάνεται μεμονωμένα πριν από την κατοχή δύο τροχιάς.

- Όλα τα ηλεκτρόνια σε χωριστά κατειλημμένα τροχιακά έχουν την ίδια περιστροφή (για να μεγιστοποιήσουν τη συνολική περιστροφή).

Όταν τα τροχιακά ηλεκτρόνια έχουν ανατεθεί, ένα ηλεκτρόνιο επιδιώκει κατ 'αρχάς να καλύψει όλα τα τροχιακά με παρόμοια ενεργειακή (ονομάζεται επίσης εκφυλισμένες τροχιακά) πριν από το ζευγάρωμα με ένα άλλο ηλεκτρόνιο σε ένα τροχιακό μισογεμάτο.

Τα άτομα στις καταστάσεις εδάφους τείνουν να έχουν όσο το δυνατόν περισσότερα απενεργοποιημένα ηλεκτρόνια. Κατά την απεικόνιση αυτής της διαδικασίας, εξετάστε πώς τα ηλεκτρόνια εμφανίζουν την ίδια συμπεριφορά με τους ίδιους πόλους σε έναν μαγνήτη αν έρθουν σε επαφή.

Όταν αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια γεμίζουν τις τροχιές, προσπαθούν πρώτα να φτάσουν όσο το δυνατόν μακρύτερα ο ένας από τον άλλο προτού να συμμαχούν (Κανόνες του Hund, 2015).

Αναφορές

1. Αναστασία Καμένκο, Τ. Ε. (2017, 24 Μαρτίου). Κβαντικοί αριθμοί. Ανακτήθηκε από chem.libretexts.org.
2. Αρχή Aufbau. (2015, 3 Ιουνίου). Ανακτήθηκε από chem.libretexts.org.
3. Ηλεκτρονικές διαμορφώσεις και ιδιότητες των ατόμων. (S.F.). Ανακτήθηκε από το oneonta.edu.
4. Encyclopædia Britannica. (2011, 7 Σεπτεμβρίου). Ηλεκτρονική διαμόρφωση. Ανάκτηση από britannica.com.
5. Helmenstine, Τ. (2017, 7 Μαρτίου). Η αρχή Aufbau - Ηλεκτρονική δομή και η αρχή Aufbau. Ανακτήθηκε από thoughtco.com.
6. Κανόνες του Hund. (2015, 18 Ιουλίου). Ανακτήθηκε από chem.libretexts.org.
7. Φασματοσκοπική σημείωση. (S.F.). Ανακτήθηκε από bcs.whfreeman.com.