Come fare diagrammi orbitali

I diagrammi degli orbitali elettronici e le configurazioni scritte ti dicono quali orbitali sono pieni e quali sono parzialmente riempiti per ogni atomo. Il numero di elettroni di valenza influisce sulle loro proprietà chimiche e sull'ordinamento specifico e le proprietà degli orbitali sono importanti in fisica, quindi molti studenti devono fare i conti con il nozioni di base. La buona notizia è che i diagrammi orbitali, le configurazioni degli elettroni (sia in forma abbreviata che completa) e i diagrammi a punti per gli elettroni sono davvero facili da capire una volta apprese alcune nozioni di base.

TL; DR (troppo lungo; non ho letto)

Le configurazioni elettroniche hanno il formato: 1s² 2s² 2p⁶. Il primo numero è il numero quantico principale (n) e la lettera rappresenta il valore di l (numero quantico del momento angolare; 1 = s, 2 = p, 3 = d e 4 = f) per l'orbitale, e il numero in apice ti dice quanti elettroni ci sono in quell'orbitale. I diagrammi orbitali usano lo stesso formato di base, ma invece dei numeri per gli elettroni, usano le frecce e ↓, oltre a dare a ciascun orbitale una propria linea, per rappresentare anche gli spin degli elettroni.

Le configurazioni elettroniche sono espresse attraverso una notazione simile a questa: 1s² 2s² 2p¹. Impara le tre parti principali di questa notazione per capire come funziona. Il primo numero indica il "livello di energia" o il numero quantico principale (n). La seconda lettera ti dice il valore di (l), il numero quantico del momento angolare. Per l = 1, la lettera è s, per l = 2 è p, per l = 3 è d, per l = 4 è f e per numeri più alti aumenta in ordine alfabetico da questo punto. Ricorda che gli orbitali s contengono un massimo di due elettroni, gli orbitali p un massimo di sei, d un massimo di 10 e f un massimo di 14.

Il principio Aufbau ti dice che gli orbitali a energia più bassa si riempiono per primi, ma l'ordine specifico non è sequenziale in un modo facile da memorizzare. Vedi Risorse per un diagramma che mostra l'ordine di riempimento. Nota che il livello n = 1 ha solo orbitali s, il livello n = 2 ha solo orbitali s e p e il livello n = 3 ha solo orbitali s, p e d.

Queste regole sono facili da usare, quindi la notazione per la configurazione di scandio è:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

Il che mostra che tutti i livelli n = 1 e n = 2 sono pieni, il livello n = 4 è stato avviato, ma il guscio 3d contiene solo un elettrone, mentre ha un'occupazione massima di 10. Questo elettrone è l'elettrone di valenza.

Identifica un elemento dalla notazione semplicemente contando gli elettroni e trovando l'elemento con un numero atomico corrispondente.

Scrivere ogni singolo orbitale per elementi più pesanti è noioso, quindi i fisici usano spesso una notazione abbreviata. Funziona utilizzando i gas nobili (nella colonna all'estrema destra della tavola periodica) come punto di partenza e aggiungendo gli orbitali finali su di essi. Quindi lo scandio ha la stessa configurazione dell'argon, tranne che con gli elettroni in due orbitali extra. La forma stenografica è quindi:

[Ar] 4s² 3d¹

Perché la configurazione dell'argon è:

[Ar] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

Puoi usarlo con qualsiasi elemento tranne l'idrogeno e l'elio.

I diagrammi orbitali sono come la notazione di configurazione appena introdotta, tranne per gli spin degli elettroni indicati. Usa il principio di esclusione di Pauli e la regola di Hund per capire come riempire le conchiglie. Il principio di esclusione afferma che due elettroni non possono condividere gli stessi quattro numeri quantici, il che si traduce sostanzialmente in coppie di stati contenenti elettroni con spin opposti. La regola di Hund afferma che la configurazione più stabile è quella con il maggior numero possibile di spin paralleli. Ciò significa che quando si scrivono diagrammi orbitali per gusci parzialmente pieni, riempire tutti gli elettroni con spin up prima di aggiungere eventuali elettroni con spin down.

Questo esempio mostra come funzionano i diagrammi orbitali, usando l'argon come esempio:

3p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

3s ↑ ↓

2p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

2s ↑ ↓

1s ↑ ↓

Gli elettroni sono rappresentati dalle frecce, che indicano anche i loro spin, e la notazione a sinistra è la notazione di configurazione elettronica standard. Nota che gli orbitali ad energia più alta sono nella parte superiore del diagramma. Per un guscio parzialmente pieno, la regola di Hund richiede che siano riempiti in questo modo (usando l'azoto come esempio).

2p ↑ ↑ ↑

2s ↑ ↓

1s ↑ ↓

I diagrammi a punti sono molto diversi dai diagrammi orbitali, ma sono comunque molto facili da capire. Sono costituiti dal simbolo dell'elemento al centro, circondato da punti che indicano il numero di elettroni di valenza. Ad esempio, il carbonio ha quattro elettroni di valenza e il simbolo C, quindi è rappresentato come:

∙

C ∙

∙

E l'ossigeno (O) ne ha sei, quindi è rappresentato come:

∙

O ∙

∙∙

Quando gli elettroni sono condivisi tra due atomi (nel legame covalente), gli atomi condividono il punto nel diagramma allo stesso modo. Questo rende l'approccio molto utile per comprendere il legame chimico.