Как делать орбитальные диаграммы

Диаграммы электронных орбиталей и записанные конфигурации сообщают вам, какие орбитали заполнены, а какие частично заполнены для любого атома. Количество валентных электронов влияет на их химические свойства, а также на конкретный порядок и свойства орбиталей важны в физике, поэтому многим студентам приходится разбираться в основы. Хорошая новость заключается в том, что орбитальные диаграммы, конфигурации электронов (как в сокращенной, так и в полной форме) и точечные диаграммы для электронов действительно легко понять, если вы усвоили несколько основ.

TL; DR (слишком длинный; Не читал)

Электронные конфигурации имеют формат: 1 с² 2 с² 2p⁶. Первое число - это главное квантовое число (n), а буква представляет значение l (квантовое число углового момента; 1 = s, 2 = p, 3 = d и 4 = f) для орбитали, а верхний индекс указывает, сколько электронов находится на этой орбитали. Орбитальные диаграммы используют тот же базовый формат, но вместо чисел для электронов они используют стрелки ↑ и ↓, а также дают каждой орбитали отдельную линию для представления спинов электронов.

Электронные конфигурации выражаются через обозначение, которое выглядит следующим образом: 1s² 2 с² 2p¹. Выучите три основные части этой нотации, чтобы понять, как она работает. Первое число указывает вам «уровень энергии» или главное квантовое число (n). Вторая буква сообщает вам значение (l), квантового числа углового момента. Для l = 1 буква s, для l = 2 это p, для l = 3 это d, для l = 4 это f, а для более высоких чисел она увеличивается в алфавитном порядке от этой точки. Помните, что s-орбитали содержат максимум два электрона, p-орбитали максимум шесть, d максимум 10 и f максимум 14.

Принцип Ауфбау говорит вам, что орбитали с наименьшей энергией заполняются первыми, но конкретный порядок не является последовательным, чтобы его можно было легко запомнить. См. В разделе Ресурсы схему, показывающую порядок заполнения. Обратите внимание, что уровень n = 1 имеет только s орбитали, уровень n = 2 имеет только s и p орбитали, а уровень n = 3 имеет только s, p и d орбитали.

С этими правилами легко работать, поэтому конфигурация скандия обозначается следующим образом:

1 с² 2 с² 2p⁶ 3 с² 3p⁶ 4 с² 3d¹

Это показывает, что все уровни n = 1 и n = 2 заполнены, уровень n = 4 был запущен, но 3d-оболочка содержит только один электрон, тогда как она имеет максимальное заполнение 10. Этот электрон является валентным электроном.

Определите элемент из обозначений, просто посчитав электроны и найдя элемент с соответствующим атомным номером.

Записывать каждую орбиталь для более тяжелых элементов утомительно, поэтому физики часто используют сокращенные обозначения. Это работает за счет использования благородных газов (в крайнем правом столбце периодической таблицы) в качестве отправной точки и добавления к ним конечных орбиталей. Таким образом, скандий имеет ту же конфигурацию, что и аргон, за исключением того, что электроны находятся на двух дополнительных орбиталях. Таким образом, сокращенная форма:

[Ar] 4s² 3d¹

Поскольку конфигурация аргона такова:

[Ar] = 1 сек.² 2 с² 2p⁶ 3 с² 3p⁶

Вы можете использовать это с любыми элементами, кроме водорода и гелия.

Орбитальные диаграммы похожи на только что введенные обозначения конфигурации, за исключением указанных спинов электронов. Используйте принцип исключения Паули и правило Хунда, чтобы выяснить, как заполнять раковины. Принцип исключения гласит, что никакие два электрона не могут иметь одинаковые четыре квантовых числа, что в основном приводит к появлению пар состояний, содержащих электроны с противоположными спинами. Правило Хунда гласит, что наиболее стабильной является конфигурация с максимально возможным количеством параллельных вращений. Это означает, что при написании орбитальных диаграмм для частично заполненных оболочек заполните все электроны со спином вверх перед добавлением электронов со спином вниз.

Этот пример показывает, как работают орбитальные диаграммы, на примере аргона:

3p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

3 с ↑ ↓

2p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

2 с ↑ ↓

1 с ↑ ↓

Электроны представлены стрелками, которые также указывают их спины, а обозначение слева - это стандартное обозначение электронной конфигурации. Обратите внимание, что орбитали с более высокими энергиями находятся в верхней части диаграммы. Для частично заполненной оболочки правило Хунда требует, чтобы они были заполнены таким образом (на примере азота).

2p ↑ ↑ ↑

2 с ↑ ↓

1 с ↑ ↓

Точечные диаграммы сильно отличаются от орбитальных, но их все еще очень легко понять. Они состоят из символа элемента в центре, окруженного точками, обозначающими количество валентных электронов. Например, углерод имеет четыре валентных электрона и символ C, поэтому он представлен как:

∙

∙ C ∙

∙

А у кислорода (O) их шесть, поэтому он представлен как:

∙

∙∙ O ∙

∙∙

Когда электроны разделены между двумя атомами (в ковалентной связи), атомы разделяют точку на диаграмме таким же образом. Это делает этот подход очень полезным для понимания химической связи.