Cómo hacer diagramas orbitales

Los diagramas de orbitales electrónicos y las configuraciones escritas le indican qué orbitales están llenos y cuáles están parcialmente llenos para cualquier átomo. El número de electrones de valencia impacta en sus propiedades químicas y el orden específico y Las propiedades de los orbitales son importantes en física, por lo que muchos estudiantes tienen que familiarizarse con las lo esencial. La buena noticia es que los diagramas orbitales, las configuraciones de electrones (tanto en forma abreviada como completa) y los diagramas de puntos para electrones son realmente fáciles de entender una vez que se han comprendido algunos conceptos básicos.

TL; DR (demasiado largo; No leí)

Las configuraciones electrónicas tienen el formato: 1s² 2 s² 2p⁶. El primer número es el número cuántico principal (n) y la letra representa el valor de l (número cuántico de momento angular; 1 = s, 2 = p, 3 = d y 4 = f) para el orbital, y el número en superíndice te dice cuántos electrones hay en ese orbital. Los diagramas orbitales usan el mismo formato básico, pero en lugar de números para los electrones, usan flechas ↑ y ↓, además de dar a cada orbital su propia línea, para representar también los espines de los electrones.

Las configuraciones de electrones se expresan a través de una notación que se ve así: 1s² 2 s² 2p¹. Aprenda las tres partes principales de esta notación para comprender cómo funciona. El primer número le dice el "nivel de energía" o el número cuántico principal (n). La segunda letra le dice el valor de (l), el número cuántico del momento angular. Para l = 1, la letra es s, para l = 2 es p, para l = 3 es d, para l = 4 es f y para números más altos aumenta alfabéticamente desde este punto. Recuerde que los orbitales s contienen un máximo de dos electrones, los orbitales p un máximo de seis, d un máximo de 10 y f un máximo de 14.

El principio de Aufbau te dice que los orbitales de menor energía se llenan primero, pero el orden específico no es secuencial de una manera que sea fácil de memorizar. Consulte Recursos para ver un diagrama que muestra el orden de llenado. Tenga en cuenta que el nivel n = 1 solo tiene orbitales s, el nivel n = 2 solo tiene orbitales syp, y el nivel n = 3 solo tiene orbitales s, py d.

Es fácil trabajar con estas reglas, por lo que la notación para la configuración de escandio es:

1 s² 2 s² 2p⁶ 3 s² 3p⁶ 4s² 3d¹

Lo que muestra que todos los niveles n = 1 yn = 2 están llenos, el nivel n = 4 se ha iniciado, pero la capa 3d solo contiene un electrón, mientras que tiene una ocupación máxima de 10. Este electrón es el electrón de valencia.

Identifique un elemento de la notación simplemente contando los electrones y encontrando el elemento con un número atómico coincidente.

Escribir cada orbital para elementos más pesados ​​es tedioso, por lo que los físicos a menudo usan una notación abreviada. Esto funciona usando los gases nobles (en la columna de la derecha de la tabla periódica) como punto de partida y agregando los orbitales finales sobre ellos. Entonces, el escandio tiene la misma configuración que el argón, excepto con electrones en dos orbitales adicionales. Por tanto, la forma abreviada es:

[Ar] 4 s² 3d¹

Porque la configuración del argón es:

[Ar] = 1 s² 2 s² 2p⁶ 3 s² 3p⁶

Puede usar esto con cualquier elemento que no sea hidrógeno y helio.

Los diagramas orbitales son como la notación de configuración que se acaba de introducir, excepto que se indican los espines de los electrones. Utilice el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund para averiguar cómo llenar los depósitos. El principio de exclusión establece que dos electrones no pueden compartir los mismos cuatro números cuánticos, lo que básicamente da como resultado pares de estados que contienen electrones con espines opuestos. La regla de Hund establece que la configuración más estable es la que tiene el mayor número posible de giros paralelos. Esto significa que al escribir diagramas orbitales para capas parcialmente llenas, complete todos los electrones de giro ascendente antes de agregar electrones de giro descendente.

Este ejemplo muestra cómo funcionan los diagramas orbitales, usando argón como ejemplo:

3p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

3 s ↑ ↓

2p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

2 s ↑ ↓

1 s ↑ ↓

Los electrones están representados por las flechas, que también indican sus espines, y la notación de la izquierda es la notación de configuración electrónica estándar. Tenga en cuenta que los orbitales de mayor energía se encuentran en la parte superior del diagrama. Para un caparazón parcialmente lleno, la regla de Hund requiere que se llenen de esta manera (usando nitrógeno como ejemplo).

2p ↑ ↑ ↑

2 s ↑ ↓

1 s ↑ ↓

Los diagramas de puntos son muy diferentes a los diagramas orbitales, pero siguen siendo muy fáciles de entender. Consisten en el símbolo del elemento en el centro, rodeado por puntos que indican el número de electrones de valencia. Por ejemplo, el carbono tiene cuatro electrones de valencia y el símbolo C, por lo que se representa como:

∙

∙ C ∙

∙

Y el oxígeno (O) tiene seis, por lo que se representa como:

∙

∙∙ O ∙

∙∙

Cuando los electrones se comparten entre dos átomos (en enlace covalente), los átomos comparten el punto en el diagrama de la misma manera. Esto hace que el enfoque sea muy útil para comprender los enlaces químicos.