DIFERENCIÁLNÍ ELEKTRON: KVANTOVÁ ČÍSLA A PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Rozdíl nebo diferenciace elektron je poslední elektron umístěn v sekvenci elektronové konfigurace atomu. Jak se to jmenuje? K zodpovězení této otázky je nezbytná základní struktura atomu: jeho jádro, vakuum a elektrony.

Jádro je hustá a kompaktní agregát pozitivních částic nazývaných protony a neutrálních částic nazývaných neutrony. Protony definují atomové číslo Z a spolu s neutrony tvoří atomovou hmotnost. Atom však nemůže nést pouze kladné náboje; proto elektrony obíhají kolem jádra, aby jej neutralizovaly.

Pro každý proton, který se připojuje k jádru, se tedy nový elektron připojuje ke svým orbitálům, aby působil proti rostoucímu kladnému náboji. Tímto způsobem nově přidaný elektron, diferenciální elektron, úzce souvisí s atomovým číslem Z.

Diferenční elektron je v nejvzdálenější elektronické schránce: valenční schránce. Čím dále tedy jste od jádra, tím větší je s tím spojená energie. Je to právě tato energie, která je zodpovědná za jejich účast, stejně jako energii ostatních valenčních elektronů, na charakteristických chemických reakcích prvků.

Kvantová čísla

Stejně jako zbytek elektronů lze diferenciální elektron identifikovat podle čtyř kvantových čísel. Ale co jsou kvantová čísla? Jsou to „n“, „l“, „m“ a „s“.

Kvantové číslo "n" označuje velikost atomu a energetické hladiny (K, L, M, N, O, P, Q). «L» je sekundární nebo azimutální kvantové číslo, které udává tvar atomových orbitalů, a vezme hodnoty 0, 1, 2 a 3 pro orbitaly «s», «p», «d» a «f», resp.

"M" je magnetické kvantové číslo a označuje prostorovou orientaci orbitálů pod magnetickým polem. Tedy 0 pro orbitální «s»; -1, 0, +1, pro orbitál "p"; -2, -1, 0, +1, +2, pro orbitál "d"; a -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 pro orbitál "f". Nakonec, kvantové číslo spinu «s» (+1/2 pro ↑ a -1/2 pro ↓).

Proto diferenciální elektron spojil předchozí kvantová čísla („n“, „l“, „m“, „s“). Protože působí proti novému kladnému náboji generovanému extra protonem, poskytuje také atomové číslo Z prvku.

Jak poznat diferenciální elektron?

Horní obrázek představuje elektronové konfigurace prvků z vodíku do neonového plynu (H → Ne).

V tomto případě jsou elektrony otevřených obalů označeny červenou barvou, zatímco elektrony uzavřených obalů jsou označeny modrou barvou. Vrstvy se vztahují na kvantové číslo "n", první ze čtyř.

Valenční konfigurace H (↑ v červené barvě) přidává další elektron s opačnou orientací, aby se stal He (↓ ↑, oba modré, protože nyní je úroveň 1 uzavřena). Tento přidaný elektron je pak diferenciální elektron.

Graficky je tedy vidět, jak diferenciální elektron přidává valenční skořápku (červené šipky) prvků a odlišuje je od sebe navzájem. Elektrony vyplňují orbity respektující Hundovu vládu a Paulingův vylučovací princip (dokonale dodržovány od B do Ne).

A co kvantová čísla? Ty definují každou šipku - tj. Každý elektron - a jejich hodnoty mohou být potvrzeny konfigurací elektronů, aby se zjistilo, zda se jedná o hodnoty diferenciálního elektronu.

Příklady ve více prvcích

Chlór

V případě chloru (Cl) je jeho atomové číslo Z rovné 17. Konfigurace elektronů je pak 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁵. Orbitaly označené červenou barvou odpovídají orbitálům valenčního náboje, které má otevřenou úroveň 3.

Diferenční elektron je poslední elektron, který má být umístěn do elektronové konfigurace, a atom chloru je atom 3p orbitálu, jehož uspořádání je následující:

↑ ↓

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

Při respektování Hundova pravidla jsou 3p oběžné dráhy stejné energie vyplněny jako první (šipka nahoru v každém orbitálu). Za druhé, ostatní elektrony se spárují s osamělými elektrony zleva doprava. Diferenciální elektron je znázorněn v zeleném rámečku.

Diferenční elektron pro chlor má tedy následující kvantová čísla: (3, 1, 0, -1/2). To znamená, že „n“ je 3; "L" je 1, orbitální "p"; "M" je 0, protože se jedná o střední orbitál "p"; a "s" je -1/2, protože šipka ukazuje dolů.

Hořčík

Elektronová konfigurace atomu hořčíku je 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ², což představuje orbitální a jeho valenční elektron stejným způsobem:

↑ ↓

3s

0

Tentokrát má diferenciální elektron kvantová čísla 3, 0, 0, -1/2. Jediným rozdílem v tomto případě, co se týče chloru, je to, že kvantové číslo «l» je 0, protože elektron zaujímá orbitální «s» (3s).

Zirkonium

Konfigurace elektronu pro zirkonium (přechodného kovu) atom 1s ² 2s ² SP ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5S ² 4d ². Stejně jako v předchozích případech je zastoupení orbitálních a valenčních elektronů následující:

Kvantová čísla diferenciálního elektronu označeného zelenou jsou tedy: 4, 2, -1, +1/2. Zde, protože elektron zabírá druhý orbitál „d“, má kvantové číslo „m“ rovné -1. Také protože šipka ukazuje nahoru, její číslo rotace se rovná +1/2.

Neznámý prvek

Kvantová kvantová čísla elektronů pro neznámý prvek jsou 3, 2, +2, -1/2. Jaké je atomové číslo Z prvku? Znáte-li Z, můžete zjistit, co je to prvek.

Tentokrát, protože "n" je roven 3, znamená to, že prvek je ve třetí periodě periodické tabulky, s "d" orbitaly jako valenčním shellem ("l" rovné 2). Oběžné dráhy jsou proto zastoupeny jako v předchozím příkladu:

↑ ↓

Kvantová čísla "m" rovná +2 a "s" rovná -1/2 jsou klíčem ke správné lokalizaci diferenciálního elektronu v posledním 3d orbitálu.

Hledaný prvek má tedy plné 3d ¹⁰ orbitaly, stejně jako jeho vnitřní elektronické náboje. Závěrem lze říci, že prvkem je kovový zinek (Zn).

Kvantová čísla diferenciálního elektronu však nemohou rozlišovat mezi zinkem a mědí, protože posledně uvedený prvek má také plné 3d orbitaly. Proč? Protože měď je kov, který z kvantových důvodů nesplňuje pravidla pro plnění elektronů.

Reference

1. Jim Branson. (2013). Hundova pravidla. Citováno z 21. dubna 2018, z: quantummechanics.ucsd.edu
2. Přednáška 27: Hundova pravidla. Citováno z 21. dubna 2018, z: ph.qmul.ac.uk
3. Purdue University. Kvantová čísla a konfigurace elektronů. Citováno z 21. dubna 2018, z: chemed.chem.purdue.edu
4. Salvat Encyclopedia of Sciences. (1968). Física Salvat, SA de Ediciones Pamplona, ​​svazek 12, Španělsko, strany 314-322.
5. Walter J. Moore. (1963). Fyzikální chemie. V částicích a vlnách. Čtvrté vydání, Longmans.