Jak robić diagramy orbitalne

Diagramy orbitali elektronowych i zapisane konfiguracje informują, które orbitale są wypełnione, a które częściowo wypełnione dla dowolnego atomu. Liczba elektronów walencyjnych wpływa na ich właściwości chemiczne oraz specyficzne uporządkowanie i właściwości orbitali są ważne w fizyce, więc wielu uczniów musi opanować podstawy. Dobrą wiadomością jest to, że diagramy orbitalne, konfiguracje elektronów (zarówno w skróconej, jak i pełnej formie) oraz diagramy punktowe dla elektronów są naprawdę łatwe do zrozumienia, gdy zrozumiesz kilka podstaw.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Konfiguracje elektronowe mają format: 1s² 2s² 2p⁶. Pierwsza liczba to główna liczba kwantowa (n), a litera oznacza wartość l (liczba kwantowa momentu pędu; 1 = s, 2 = p, 3 = d i 4 = f) dla orbitalu, a liczba w indeksie górnym mówi, ile elektronów znajduje się na tym orbicie. Diagramy orbitalne używają tego samego podstawowego formatu, ale zamiast liczb dla elektronów używają strzałek ↑ i ↓, a także nadają każdemu orbitalowi własną linię, aby przedstawić również spiny elektronów.

Konfiguracje elektronów są wyrażone za pomocą zapisu, który wygląda tak: 1s² 2s² 2p¹. Poznaj trzy główne części tej notacji, aby zrozumieć, jak to działa. Pierwsza liczba informuje o „poziomie energii” lub głównej liczbie kwantowej (n). Druga litera podaje wartość (l), liczbę kwantową momentu pędu. Dla l = 1 litera to s, dla l = 2 to p, dla l = 3 to d, dla l = 4 to f i dla wyższych liczb rośnie alfabetycznie od tego momentu. Pamiętaj, że orbitale s zawierają maksymalnie dwa elektrony, orbitale p maksymalnie sześć, d maksymalnie 10, a f maksymalnie 14.

Zasada Aufbau mówi, że orbitale o najniższej energii wypełniają się jako pierwsze, ale konkretna kolejność nie jest sekwencyjna w sposób łatwy do zapamiętania. Zobacz Zasoby dla diagramu przedstawiającego kolejność wypełniania. Zauważ, że poziom n = 1 ma tylko s orbitale, poziom n = 2 ma tylko orbitale s i p, a poziom n = 3 ma tylko orbitale s, p i d.

Te zasady są łatwe w obsłudze, więc notacja do konfiguracji scandium to:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

Co pokazuje, że całe n = 1 i n = 2 poziomy są pełne, rozpoczęto poziom n = 4, ale powłoka 3d zawiera tylko jeden elektron, podczas gdy jej maksymalne obłożenie wynosi 10. Ten elektron jest elektronem walencyjnym.

Zidentyfikuj element z notacji, po prostu licząc elektrony i znajdując element o pasującej liczbie atomowej.

Zapisywanie każdego orbitalu dla cięższych pierwiastków jest żmudne, dlatego fizycy często używają notacji skróconej. Działa to wykorzystując gazy szlachetne (w skrajnej prawej kolumnie układu okresowego) jako punkt wyjścia i dodając do nich końcowe orbitale. Skand ma więc taką samą konfigurację jak argon, z wyjątkiem elektronów na dwóch dodatkowych orbitalach. Skrótową formą jest zatem:

[Ar] 4s² 3d¹

Ponieważ konfiguracja argonu to:

[Ar] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

Możesz użyć tego z dowolnymi pierwiastkami oprócz wodoru i helu.

Diagramy orbitalne przypominają właśnie wprowadzony zapis konfiguracji, z wyjątkiem wskazanych spinów elektronów. Użyj zasady wykluczania Pauliego i zasady Hunda, aby dowiedzieć się, jak wypełnić muszle. Zasada wykluczania mówi, że żadne dwa elektrony nie mogą mieć tych samych czterech liczb kwantowych, co w zasadzie daje pary stanów zawierające elektrony o przeciwnych spinach. Zasada Hunda mówi, że najbardziej stabilną konfiguracją jest ta o największej możliwej liczbie obrotów równoległych. Oznacza to, że pisząc diagramy orbitalne dla częściowo pełnych powłok, wypełnij wszystkie elektrony o spinie w górę przed dodaniem jakichkolwiek elektronów o spinie w dół.

Ten przykład pokazuje, jak działają diagramy orbitalne, na przykładzie argonu:

3p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

3s ↑

2p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

2s ↑

1s ↑ ↓

Elektrony są reprezentowane przez strzałki, które również wskazują ich spiny, a zapis po lewej stronie jest standardowym zapisem konfiguracji elektronów. Zauważ, że orbitale o wyższych energiach znajdują się na górze diagramu. W przypadku częściowo pełnej skorupy zasada Hunda wymaga, aby były wypełnione w ten sposób (na przykładzie azotu).

2p ↑ ↑

2s ↑

1s ↑ ↓

Diagramy punktowe bardzo różnią się od diagramów orbitalnych, ale nadal są bardzo łatwe do zrozumienia. Składają się z symbolu pierwiastka w środku, otoczonego kropkami wskazującymi liczbę elektronów walencyjnych. Na przykład węgiel ma cztery elektrony walencyjne i symbol C, więc jest reprezentowany jako:

∙

C ∙

∙

A tlen (O) ma sześć, więc jest reprezentowany jako:

∙

O ∙

∙∙

Gdy elektrony są dzielone między dwa atomy (w wiązaniu kowalencyjnym), atomy dzielą kropkę na schemacie w ten sam sposób. To sprawia, że ​​podejście to jest bardzo przydatne do zrozumienia wiązań chemicznych.