วิธีทำออร์บิทัลไดอะแกรม

ไดอะแกรมการโคจรของอิเล็กตรอนและโครงร่างที่เป็นลายลักษณ์อักษรจะบอกคุณว่าออร์บิทัลใดถูกเติมและออร์บิทัลใดเติมบางส่วนสำหรับอะตอม จำนวนของเวเลนซ์อิเล็กตรอนส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติทางเคมีของพวกมัน และลำดับเฉพาะและ คุณสมบัติของออร์บิทัลมีความสำคัญในวิชาฟิสิกส์ ดังนั้น นักเรียนจำนวนมากจึงต้องรับมือกับ พื้นฐาน ข่าวดีก็คือแผนภาพการโคจร การกำหนดค่าอิเล็กตรอน (ทั้งแบบย่อและแบบเต็ม) และไดอะแกรมดอทสำหรับอิเล็กตรอนนั้นง่ายต่อการเข้าใจเมื่อคุณเข้าใจพื้นฐานบางอย่างแล้ว

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

การกำหนดค่าอิเล็กตรอนมีรูปแบบ: 1s² 2s² 2p⁶. ตัวเลขแรกคือเลขควอนตัมหลัก (n) และตัวอักษรแทนค่าของ l (เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม; 1 = s, 2 = p, 3 = d และ 4 = f) สำหรับออร์บิทัล และเลขตัวยกจะบอกจำนวนอิเล็กตรอนในออร์บิทัลนั้น ไดอะแกรมการโคจรใช้รูปแบบพื้นฐานเดียวกัน แต่แทนที่จะใช้ตัวเลขสำหรับอิเล็กตรอน พวกเขาใช้ลูกศร ↑ และ ↓ รวมทั้งให้แต่ละวงโคจรเป็นเส้นของตัวเอง เพื่อแสดงถึงการหมุนของอิเล็กตรอนด้วย

การกำหนดค่าอิเล็กตรอนจะแสดงผ่านสัญกรณ์ที่มีลักษณะดังนี้: 1s² 2s² 2p¹. เรียนรู้สามส่วนหลักของสัญกรณ์นี้เพื่อทำความเข้าใจวิธีการทำงาน ตัวเลขแรกบอกคุณถึง "ระดับพลังงาน" หรือหมายเลขควอนตัมหลัก (n) ตัวอักษรตัวที่สองจะบอกค่าของ (l) ซึ่งเป็นจำนวนควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม สำหรับ l = 1 ตัวอักษรคือ s สำหรับ l = 2 มันคือ p สำหรับ l = 3 มันคือ d สำหรับ l = 4 มันคือ f และสำหรับตัวเลขที่สูงกว่า จะเพิ่มขึ้นตามลำดับตัวอักษรจากจุดนี้ โปรดจำไว้ว่า s ออร์บิทัลประกอบด้วยอิเล็กตรอนสูงสุดสองตัว p ออร์บิทัลสูงสุดหก d สูงสุด 10 และ f สูงสุด 14

หลักการของ Aufbau บอกคุณว่าออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดจะเติมก่อน แต่ลำดับเฉพาะจะไม่เรียงตามลำดับในลักษณะที่จำง่าย ดูแหล่งข้อมูลสำหรับไดอะแกรมที่แสดงลำดับการเติม โปรดทราบว่าระดับ n = 1 มีเพียง s ออร์บิทัล ระดับ n = 2 มีออร์บิทัล s และ p เท่านั้น และระดับ n = 3 มีเพียง s, p และ d ออร์บิทัล

กฎเหล่านี้ใช้งานง่าย ดังนั้นสัญกรณ์สำหรับการกำหนดค่าของสแกนเดียมคือ:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

ซึ่งแสดงให้เห็นว่าทั้ง n = 1 และ n = 2 ระดับเต็มแล้ว ระดับ n = 4 ได้เริ่มขึ้นแล้ว แต่เปลือก 3 มิติมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในขณะที่มีอัตราการเข้าพักสูงสุด 10 อิเล็กตรอนนี้เป็นเวเลนซ์อิเล็กตรอน

ระบุองค์ประกอบจากสัญกรณ์โดยเพียงแค่นับอิเล็กตรอนและค้นหาองค์ประกอบด้วยเลขอะตอมที่ตรงกัน

การเขียนแต่ละออร์บิทัลสำหรับองค์ประกอบที่หนักกว่านั้นเป็นเรื่องที่น่าเบื่อ ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงมักใช้สัญกรณ์ชวเลข วิธีนี้ใช้ได้ผลโดยใช้ก๊าซมีตระกูล (ในคอลัมน์ขวาสุดของตารางธาตุ) เป็นจุดเริ่มต้นและเพิ่มออร์บิทัลสุดท้ายเข้าไป สแกนเดียมจึงมีโครงแบบเดียวกับอาร์กอน ยกเว้นอิเล็กตรอนในออร์บิทัลพิเศษสองออร์บิทัล แบบฟอร์มชวเลขจึงเป็น:

[Ar] 4s² 3d¹

เนื่องจากการกำหนดค่าของอาร์กอนคือ:

[Ar] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

คุณสามารถใช้สิ่งนี้กับองค์ประกอบใด ๆ นอกเหนือจากไฮโดรเจนและฮีเลียม

ไดอะแกรมการโคจรเป็นเหมือนสัญกรณ์คอนฟิกูเรชันที่เพิ่งแนะนำ ยกเว้นการหมุนของอิเล็กตรอนที่ระบุ ใช้หลักการกีดกัน Pauli และกฎของ Hund เพื่อหาวิธีเติมกระสุน หลักการกีดกันระบุว่าไม่มีอิเล็กตรอนสองตัวใดที่สามารถแบ่งปันตัวเลขควอนตัมสี่ตัวเดียวกันได้ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะส่งผลให้สถานะคู่หนึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีการหมุนตรงข้าม กฎของ Hund ระบุว่าการกำหนดค่าที่เสถียรที่สุดคือรูปแบบที่มีจำนวนการหมุนคู่ขนานสูงสุด ซึ่งหมายความว่าเมื่อเขียนไดอะแกรมการโคจรสำหรับเปลือกเต็มบางส่วน ให้เติมอิเล็กตรอนหมุนขึ้นทั้งหมดก่อนที่จะเพิ่มอิเล็กตรอนหมุนลง

ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่าแผนภาพการโคจรทำงานอย่างไร โดยใช้อาร์กอนเป็นตัวอย่าง:

3p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

3s ↑ ↓

2p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

2s ↑ ↓

1s ↑ ↓

อิเล็กตรอนจะถูกแทนด้วยลูกศร ซึ่งบ่งบอกถึงการหมุนของมันด้วย และสัญลักษณ์ทางด้านซ้ายคือสัญกรณ์คอนฟิกูเรชันของอิเล็กตรอนมาตรฐาน โปรดทราบว่าออร์บิทัลที่มีพลังงานสูงกว่าจะอยู่ที่ด้านบนสุดของแผนภาพ สำหรับเปลือกเต็มบางส่วน กฎของ Hund กำหนดให้เติมด้วยวิธีนี้ (โดยใช้ไนโตรเจนเป็นตัวอย่าง)

2p ↑ ↑ ↑

2s ↑ ↓

1s ↑ ↓

ไดอะแกรมดอทนั้นแตกต่างอย่างมากกับไดอะแกรมการโคจร แต่ก็ยังเข้าใจได้ง่ายมาก ประกอบด้วยสัญลักษณ์ของธาตุที่อยู่ตรงกลาง ล้อมรอบด้วยจุดซึ่งระบุจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอน ตัวอย่างเช่น คาร์บอนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนสี่ตัวและสัญลักษณ์ C ดังนั้นจึงแสดงเป็น:

∙

∙ C ∙

∙

และออกซิเจน (O) มีหกจึงแสดงเป็น:

∙

∙∙ O ∙

∙∙

เมื่ออิเล็กตรอนถูกใช้ร่วมกันระหว่างสองอะตอม (ในพันธะโควาเลนต์) อะตอมจะแบ่งจุดในแผนภาพในลักษณะเดียวกัน ทำให้แนวทางนี้มีประโยชน์มากสำหรับการทำความเข้าใจพันธะเคมี