Spektrální notace je uspořádání elektronových energetických hladin kolem jádra atomu. Podle starého atomového modelu Bohrů zaujímají elektrony různé úrovně na oběžné dráze kolem jádra, od první skořepiny nejblíže k jádru, K, po sedmou skořápku, Q, která je nejdále od jádra.
Co se týče jemnějšího kvantového mechanického modelu, jsou KQ skořepiny rozděleny do sady orbitálů, z nichž každý může být obsazen ne více než jedním párem elektronů.
Obvykle je elektronová konfigurace používána k popisu orbitálů atomu v jeho základním stavu, ale může být také použita k reprezentaci atomu, který ionizoval na kationt nebo anion, kompenzující ztrátu nebo zisk elektronů v jejich příslušných orbitálech.
Mnoho fyzikálních a chemických vlastností prvků může být ve vzájemném vztahu s jejich jedinečnými elektronickými konfiguracemi. Valenční elektrony, elektrony v nejvzdálenějším obalu, jsou určujícím faktorem pro jedinečnou chemii prvku.
Když elektrony v nejvzdálenějším obalu atomu přijímají energii nějakého druhu, přecházejí do vrstev vyšší energie. Takto bude elektron ve skořápce K převeden do skořápky L ve stavu vyšší energie.
Když se elektron vrátí do svého základního stavu, uvolní energii, kterou absorbuje emitováním elektromagnetického spektra (světlo). Protože každý atom má specifickou elektronickou konfiguraci, bude mít také specifické spektrum, které se bude nazývat absorpční (nebo emisní) spektrum.
Z tohoto důvodu se termín spektrální notace používá k označení elektronové konfigurace.
Jak určit spektrální notaci: kvantová čísla
Celkem čtyři kvantová čísla se používají k úplnému popisu pohybu a trajektorií každého elektronu v atomu.
Kombinace všech kvantových čísel všech elektronů v atomu je popsána vlnovou funkcí, která splňuje Schrödingerovu rovnici. Každý elektron v atomu má jedinečnou sadu kvantových čísel.
Podle Pauliho principu vyloučení nemohou dva elektrony sdílet stejnou kombinaci čtyř kvantových čísel.
Kvantová čísla jsou důležitá, protože mohou být použita ke stanovení elektronové konfigurace atomu a pravděpodobného umístění elektronů v atomu.
Kvantová čísla se také používají k určení dalších charakteristik atomů, jako je ionizační energie a atomový poloměr.
Kvantová čísla označují specifické náboje, subshells, orbitals, a točí elektronů.
To znamená, že plně popisují charakteristiky elektronu v atomu, tj. Popisují každé jedinečné řešení Schrödingerovy rovnice nebo vlnové funkce elektronů v atomu.
Existují celkem čtyři kvantová čísla: hlavní kvantové číslo (n), kvantové číslo orbitální hybnosti hybnosti (l), magnetické kvantové číslo (ml) a kvantové číslo elektronového spinu (ms).
Hlavní kvantové číslo nn popisuje energii elektronu a nejpravděpodobnější vzdálenost elektronu od jádra. Jinými slovy, odkazuje se na velikost orbitálu a energetickou hladinu, na které je umístěn elektron.
Počet subshells, nebo ll, popisuje tvar orbitální. Může být také použit k určení počtu úhlových uzlů.
Magnetické kvantové číslo (ml) popisuje energetické hladiny v subshell a ms označuje spin na elektronu, který může být nahoru nebo dolů.
Princip Aufbau
Aufbau pochází z německého slova „Aufbauen“, což znamená „stavět“. V podstatě vytvářením elektronových konfigurací budujeme elektronové orbitaly při přechodu z jednoho atomu na druhý.
Když píšeme elektronovou konfiguraci atomu, vyplníme orbitaly ve vzestupném pořadí atomového čísla.
Princip Aufbau pochází z Pauliho vylučovacího principu, který říká, že v atomu nejsou žádné dva fermiony (např. Elektrony).
Mohou mít stejnou množinu kvantových čísel, takže se musí "skládat" při vyšších úrovních energie. Jak se hromadí elektrony, je věcí konfigurací elektronů.
Stabilní atomy mají v jádru tolik elektronů, jaké mají protony. Elektrony se shromažďují kolem jádra v kvantových orbitálech podle čtyř základních pravidel nazývaných Aufbauův princip.
- V atomu nejsou dva elektrony, které sdílejí stejná čtyři kvantová čísla n, l, m a s.
- Elektrony nejprve obsadí orbitaly nejnižší energetické úrovně.
- Elektrony vždy naplní orbitaly stejným číslem rotace. Když jsou orbity plné, začne.
- Elektrony vyplní orbitaly součtem kvantových čísel n a l. Orbitaly se stejnými hodnotami (n + l) budou vyplněny nejprve nižšími hodnotami n.
Druhé a čtvrté pravidlo jsou v zásadě stejné. Příkladem pravidla čtyři by byly orbitaly 2p a 3s.
Orbitál 2p je n = 2 an = 2 a orbitál 3s je n = 3 a l = 1. (N + l) = 4 v obou případech, ale orbitál 2p má nejnižší energii nebo nejnižší hodnotu n a vyplní se před vrstva 3s.
Obrázek 2: Moellerův diagram plnění elektronové konfigurace.
Naštěstí lze Moellerův diagram znázorněný na obrázku 2 použít k plnění elektronů. Graf se čte spuštěním úhlopříček od 1 s.
Obrázek 2 ukazuje atomové orbitaly a šipky sledují cestu vpřed.
Nyní, když je známo, že pořadí orbitálů je vyplněno, zbývá už jen zapamatovat si velikost každého orbitálu.
S orbitaly mají 1 možnou hodnotu ml, aby mohly obsahovat 2 elektrony
P orbitaly mají 3 možné hodnoty ml, aby obsahovaly 6 elektronů
Orbitaly D mají 5 možných hodnot µl pro uložení 10 elektronů
F orbitaly mají 7 možných hodnot ml, aby pojaly 14 elektronů
To je vše, co je potřeba k určení elektronické konfigurace stabilního atomu prvku.
Například vezměte prvek dusík. Dusík má sedm protonů, a proto sedm elektronů. První orbitální výplň je 1s orbitální. Orbitál má dva elektrony, takže zbývá pět elektronů.
Další orbitál je 2s orbitální a obsahuje další dva. Poslední tři elektrony půjdou na 2p orbitál, který pojme až šest elektronů.
Hundova pravidla
Aufbauova sekce diskutovala o tom, jak elektrony nejprve naplní orbitaly s nejnižší energií a poté se posunou nahoru k orbitalům s nejvyšší energií až poté, co jsou plné orbitaly s nejnižší energií.
S tímto pravidlem je však problém. Jistě musí být orbitály 1s vyplněny před orbitaly 2s, protože orbitaly 1s mají nižší hodnotu n, a tedy nižší energii.
A tři různé 2p orbitaly? V jakém pořadí by měly být vyplněny? Odpověď na tuto otázku zahrnuje Hundovo pravidlo.
Hundovo pravidlo uvádí, že:
- Každý orbitál v podúrovni je obsazen jednotlivě před tím, než je jakýkoli orbitál dvakrát obsazen.
- Všechny elektrony na individuálně obsazených orbitalech mají stejné rotace (pro maximalizaci celkového rotace).
Když jsou elektrony přiřazeny k orbitálům, elektron se nejprve snaží naplnit všechny orbitaly podobnou energií (nazývanou také degenerované orbitaly), než se spojí s jiným elektronem v poloplné orbitále.
Atomy v pozemních státech mají tendenci mít co nejvíce nepárových elektronů. Při vizualizaci tohoto procesu zvažte, jak elektrony vykazují stejné chování jako stejné póly v magnetu, pokud by měly přijít do kontaktu.
Když záporně nabité elektrony zaplní orbity, nejprve se pokusí dostat co nejdál od sebe, než se budou muset spárovat.
Reference
- Anastasiya Kamenko, TE (2017, 24. března). Kvantová čísla. Obnoveno z chem.libretexts.org.
- Princip Aufbau. (2015, 3. června). Obnoveno z chem.libretexts.org.
- Elektronové konfigurace a vlastnosti atomů. (SF). Obnoveno z oneonta.edu.
- Encyclopædia Britannica. (2011, 7. září). Elektronická konfigurace. Obnoveno z britannica.com.
- Helmenstine, T. (2017, 7. března). Princip Aufbau - elektronická struktura a princip Aufbau. Obnoveno z webu thinkco.com.
- Hundova pravidla. (2015, 18. července). Obnoveno z chem.libretexts.org.
- Spektroskopická notace. (SF). Obnoveno z bcs.whfreeman.com.