Як робити орбітальні діаграми

Електронні орбітальні діаграми та письмові конфігурації підказують, які орбіталі заповнені, а які частково заповнені для будь-якого атома. Кількість валентних електронів впливає на їх хімічні властивості, а також на конкретне впорядкування і властивості орбіталей важливі у фізиці, тому багатьом студентам доводиться стикатися з основи. Хороша новина полягає в тому, що орбітальні діаграми, електронні конфігурації (як у скороченому, так і в повній формі) та крапкові діаграми для електронів дійсно легко зрозуміти, коли ви зрозумієте кілька основ.

TL; ДР (занадто довгий; Не читав)

Електронні конфігурації мають формат: 1с² 2с² 2р⁶. Перше число є основним квантовим числом (n), а буква представляє значення l (квантовим числом моменту імпульсу; 1 = s, 2 = p, 3 = d і 4 = f) для орбіталі, а верхній індекс говорить вам, скільки електронів знаходиться на цій орбіталі. Орбітальні діаграми використовують той самий основний формат, але замість цифр для електронів вони використовують стрілки ↑ і ↓, а також надають кожній орбіталі власну лінію, щоб також представляти спіни електронів.

Електронні конфігурації виражаються через позначення, яке виглядає так: 1s² 2с² 2р¹. Вивчіть три основні частини цього позначення, щоб зрозуміти, як це працює. Перше число говорить вам про “рівень енергії”, або про головне квантове число (n). Друга буква повідомляє вам значення (l), квантового числа моменту імпульсу. Для l = 1 буква дорівнює s, для l = 2 - це p, для l = 3 - це d, для l = 4 - це f, а для більших чисел вона збільшується в алфавітному порядку з цієї точки. Пам'ятайте, що s-орбіталі містять максимум два електрони, p-орбіталі максимум шість, d максимум 10 і f максимум 14.

Принцип Ауфбау говорить вам, що спочатку заповнюються орбіталі з найменшою енергією, але конкретний порядок не є послідовним так, щоб його легко запам’ятати. Див. "Ресурси" для схеми, що показує порядок заповнення. Зверніть увагу, що рівень n = 1 має лише s орбіталей, рівень n = 2 має лише s та p орбіталі, а рівень n = 3 має лише s, p та d орбіталі.

З цими правилами легко працювати, тому позначення конфігурації скандію:

1с² 2с² 2р⁶ 3 с² 3п⁶ 4 с² 3d¹

Це свідчить про те, що всі рівні n = 1 і n = 2 заповнені, рівень n = 4 запущений, але 3d-оболонка містить лише один електрон, тоді як максимальна заповнюваність - 10. Цей електрон є валентним електроном.

Визначте елемент із позначень, просто підрахувавши електрони та знайшовши елемент із відповідним атомним номером.

Виписувати кожну окрему орбіталу для важчих елементів нудно, тому фізики часто використовують скорочені позначення. Це працює, використовуючи благородні гази (у крайній правій колонці періодичної системи) як вихідну точку та додаючи до них кінцеві орбіталі. Отже, скандій має таку ж конфігурацію, що і аргон, за винятком електронів на двох додаткових орбіталях. Отже, скорочена форма:

[Ar] 4 с² 3d¹

Оскільки конфігурація аргону така:

[Ar] = 1 с² 2с² 2р⁶ 3 с² 3п⁶

Ви можете використовувати це з будь-якими елементами, крім водню та гелію.

Орбітальні діаграми схожі на щойно введені конфігураційні позначення, за винятком зазначених спінів електронів. Використовуйте принцип виключення Паулі та правило Хунда, щоб розробити спосіб заповнення черепашок. Принцип виключення говорить, що жоден два електрони не можуть мати однакові чотири квантові числа, що в основному призводить до пар станів, що містять електрони з протилежними спінами. Правило Хунда говорить, що найбільш стабільною є конфігурація з максимально можливою кількістю паралельних обертань. Це означає, що під час написання орбітальних діаграм для частково повних оболонок заповніть усі електрони зі спином перед додаванням будь-яких електронів зі спином.

Цей приклад показує, як працюють орбітальні діаграми, використовуючи аргон як приклад:

3p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

3 секунди ↑ ↓

2p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

2 секунди ↑ ↓

1с ↑ ↓

Електрони представлені стрілками, які також вказують на їх спіни, а позначення зліва - це стандартні позначення конфігурації електронів. Зверніть увагу, що орбітали з більшою енергією знаходяться у верхній частині діаграми. Для частково повної оболонки правило Хунда вимагає наповнення їх таким чином (на прикладі азоту).

2р ↑ ↑ ↑

2 секунди ↑ ↓

1с ↑ ↓

Точкові діаграми дуже сильно відрізняються від орбітальних, але їх все одно дуже легко зрозуміти. Вони складаються із символу елемента в центрі, оточеного крапками, що вказують на кількість валентних електронів. Наприклад, вуглець має чотири валентні електрони і символ C, тому він представлений у вигляді:

∙

∙ C ∙

∙

А кисень (O) має шість, тому він представлений як:

∙

∙∙ O ∙

∙∙

Коли електрони розподіляються між двома атомами (у ковалентному зв’язку), атоми поділяють крапку на діаграмі однаково. Це робить підхід дуже корисним для розуміння хімічного зв’язку.