Διάγραμμα διαμόρφωσης ηλεκτρονίων στοιχείων
Ένα διάγραμμα διαμόρφωσης ηλεκτρονίων είναι μια πινακοειδής αναπαράσταση μοτίβων στη διαμόρφωση ηλεκτρονίων των στοιχείων καθώς κατεβαίνει κανείς στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Ένα διάγραμμα διαμόρφωσης ηλεκτρονίων παρέχει πληροφορίες σχετικά με την τροχιακή δομή των στοιχείων και τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα τροχιακά γεμίζουν με ηλεκτρόνια.
Τι είναι τα ηλεκτρόνια;
Τα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε κελύφη που περιβάλλουν τον πυρήνα ενός ατόμου. Αυτά τα κελύφη, με τη σειρά τους, έχουν τροχιακά - περιοχές του κελύφους όπου κατοικούν ηλεκτρόνια. Κάθε τροχιακό έχει μόνο έναν πεπερασμένο αριθμό κηλίδων για ηλεκτρόνια. Τα άτομα θα γεμίσουν τα τροχιακά στο φλοιό τους με ηλεκτρόνια μέχρι να φτάσουν σε μια σταθερή διαμόρφωση. Γενικά, τα ηλεκτρόνια θα γεμίσουν εντελώς τα τροχιακά χαμηλότερου επιπέδου σε τροχιακά χαμηλότερου επιπέδου πριν προχωρήσουν σε υψηλότερα τροχιακά.
Τα ηλεκτρόνια θα γεμίσουν τα τροχιακά με μια συγκεκριμένη σειρά. Ένα διάγραμμα διαμόρφωσης ηλεκτρονίων των στοιχείων δείχνει την περιοδικότητα της δομής των ηλεκτρονίων στα στοιχεία.
Εξήγηση της διαμόρφωσης ηλεκτρονίων
Σε αυτό το γράφημα, οι αριθμοί (1, 2, 3,…) αναφέρονται ως ο κύριος κβαντικός αριθμός , που αναφέρεται ως n , που αντιστοιχεί σε ένα κέλυφος ηλεκτρονίων. Άρα, το 1 αναφέρεται στο πρώτο κέλυφος, το 2 στο δεύτερο κέλυφος και ούτω καθεξής. Για οποιοδήποτε φλοιό ηλεκτρονίων n , αυτό το κέλυφος μπορεί να χωρέσει συνολικά 2n ² ηλεκτρόνια. Αντίστοιχα, το φλοιό 1 μπορεί να χωρέσει συνολικά 2 ηλεκτρόνια, το φλοιό 2 μπορεί να χωρέσει συνολικά 8 ηλεκτρόνια, το φλοιό τρία συνολικά 18, κ.λπ.
Κάθε γράμμα (s, p, d, f) αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο τροχιακό (μερικές φορές ονομάζεται υποκέλυφος). Το 1s αναφέρεται στο τροχιακό s στο πρώτο κέλυφος, το 3p αναφέρεται στο τροχιακό p στο 3ο κέλυφος, κ.λπ. Κάθε τροχιακό (s, p, d, f) έχει έναν αριθμό που σχετίζεται με αυτό, που ονομάζεται αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός του , μερικές φορές αναφέρεται ως ℓ . Αυτός ο αριθμός περιγράφει το σχήμα του τροχιακού. Οι τιμές ℓ =0, 1, 2, 3 αντιστοιχούν στα τροχιακά s, p, d και f, αντίστοιχα. Ο συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων που μπορούν να χωρέσουν σε ένα δεδομένο τροχιακό προσδιορίζεται από 2(2ℓ+1). Έτσι, ένα τροχιακό s μπορεί να χωρέσει συνολικά δύο ηλεκτρόνια, ένα τροχιακό p μπορεί να χωρέσει συνολικά 6 ηλεκτρόνια, ένα τροχιακό d 10 και ένα τροχιακό f 14.
Για οποιοδήποτε δεδομένο στοιχείο, η διαμόρφωση ηλεκτρονίων αυτού του στοιχείου μπορεί να αναπαρασταθεί ως κάποια ακολουθία ετικετών φλοιού και τροχιακών ετικετών. Η ποσότητα των ηλεκτρονίων σε κάθε τροχιακό αντιπροσωπεύεται ως εκθέτης.
Ως παράδειγμα, λάβετε υπόψη το υδρογόνο. Ο συμβολισμός της διαμόρφωσης ηλεκτρονίων του υδρογόνου (H) είναι 1s1. Αυτή η σημείωση σημαίνει ότι το υδρογόνο έχει 1 ηλεκτρόνιο στο τροχιακό του στο πρώτο κέλυφος. Ομοίως, ο συμβολισμός για το ήλιο (He) είναι 1s² επειδή το ήλιο έχει 2 ηλεκτρόνια στο τροχιακό s του πρώτου του κελύφους. Ο συμβολισμός για τον άνθρακα (C) είναι 1s²2s²2p² καθώς ο άνθρακας έχει 2 ηλεκτρόνια στο τροχιακό s του πρώτου φλοιού, δύο ηλεκτρόνια στο τροχιακό s του φλοιού 2 και 2 ηλεκτρόνια στο τροχιακό p του φλοιού 2.
Στην πραγματικότητα, μπορεί κανείς να καταλάβει τη σημειογραφία της διαμόρφωσης ηλεκτρονίων για οποιοδήποτε στοιχείο αναγνωρίζοντας το σχέδιο με το οποίο τα ηλεκτρόνια γεμίζουν τα τροχιακά. Οι κόκκινες διαγώνιες γραμμές στο παραπάνω διάγραμμα αντιπροσωπεύουν την ακολουθία με την οποία ένα άτομο θα γεμίσει τα τροχιακά του. Γενικά, τα άτομα θα γεμίσουν εντελώς ένα τροχιακό χαμηλότερου επιπέδου πριν γεμίσουν ένα υψηλότερο. Ένα άτομο θα γεμίσει όλα τα τροχιακά s σε ένα δεδομένο κέλυφος πριν γεμίσει οποιαδήποτε τροχιακά p και θα γεμίσει οποιαδήποτε τροχιακά p πριν γεμίσει d τροχιακά. Έτσι, ένα άτομο θα γεμίσει το τροχιακό 1s πριν γεμίσει το τροχιακό 2s, το τροχιακό 2s πριν το τροχιακό 2p, το τροχιακό 2p πριν το τροχιακό 3s, και ούτω καθεξής. Η τάση ενός ηλεκτρονίου να γεμίζει τα τροχιακά του χαμηλότερου επιπέδου πριν από αυτά του υψηλότερου επιπέδου αναφέρεται μερικές φορές ως αρχή Aufbau.
Δεδομένου ότι κάποιος γνωρίζει τη σειρά με την οποία τα ηλεκτρόνια γεμίζουν τα τροχιακά και γνωρίζει τον αριθμό των ηλεκτρονίων κάθε στοιχείου, μπορεί να κατασκευάσει μια μοναδική σημείωση διαμόρφωσης ηλεκτρονίων για κάθε στοιχείο. Εξετάστε το μοτίβο που προκύπτει με τα πρώτα 10 στοιχεία:
- H =1s¹
- Αυτός =1s²
- Li = 1s²2s¹
- Be = 1s²2s²
- B = 1s²2s²2p¹
- C =1s²2s²2p²
- N =1s²2s²2p³
- O =1s²2s²2p4
- F =1s²2s²2p⁵
- Ne =1s²2s²2p⁶
Η διαμόρφωση ηλεκτρονίων ακολουθεί μια περιοδική σειρά, όπου τα κελύφη χαμηλότερου επιπέδου συμπληρώνονται πριν από τα κελύφη υψηλότερου επιπέδου. Ένας τρόπος για να ελέγξετε εάν η σημείωση είναι σωστή για ένα δεδομένο στοιχείο είναι να δείτε εάν το άθροισμα των εκθετών στη σημειογραφία ισούται με τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο αυτού του στοιχείου. Το βόριο (Β) έχει διάταξη ηλεκτρονίων 1s²2s²2p¹. Προσθέτοντας όλους τους εκθέτες αριθμούς μας δίνει 5 και το βόριο έχει 5 ηλεκτρόνια.
Μερικές φορές, η εγγραφή ολόκληρης της σημείωσης μπορεί να είναι χάσιμο χρόνου, ειδικά για άτομα με πολλά ηλεκτρόνια. Έτσι οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συχνά μια συντομευμένη σημείωση. Η διαμόρφωση ηλεκτρονίων μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από τα ηλεκτρόνια του πυρήνα, που είναι ίση με τη διαμόρφωση του πιο πρόσφατου ευγενούς αερίου, συν τη διαμόρφωση σθένους (εξωτερικό ηλεκτρόνιο) του στοιχείου. Έτσι η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του ασβεστίου (Ca) που έχει 20 ηλεκτρόνια, μπορεί να γραφτεί ως:[Ar]4s². Ουσιαστικά, αυτή η σημείωση σημαίνει ότι η διαμόρφωση ηλεκτρονίων του ασβεστίου είναι ίση με τη διαμόρφωση του αργού, του ευγενούς αερίου από την προηγούμενη περίοδο, συν τα ηλεκτρόνια σθένους του ασβεστίου (4s²). Η συντομογραφία βοηθάει όταν οι επιστήμονες έχουν να κάνουν με μεγάλα άτομα και μόρια.
Διαμόρφωση ηλεκτρονίων και ο περιοδικός πίνακας
Υπάρχει ένας πολύ καλός λόγος για τον οποίο τα διαγράμματα διαμόρφωσης ηλεκτρονίων αντικατοπτρίζουν τη σειρά του περιοδικού πίνακα των στοιχείων. Ο περιοδικός πίνακας έχει σχεδιαστεί για να αντικατοπτρίζει τις περιοδικές τάσεις στις χημικές ιδιότητες των στοιχείων. Όπως αποδεικνύεται, αυτές οι ιδιότητες καθορίζονται άμεσα από τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων ενός στοιχείου. Επομένως, είναι λογικό ότι η δομή του περιοδικού πίνακα αντανακλά περιοδικές τάσεις στη διαμόρφωση ηλεκτρονίων των στοιχείων.
Για παράδειγμα, όλη η διαμόρφωση ηλεκτρονίων όλων των στοιχείων της ομάδας 2 μπορεί να εκφραστεί με τη μορφή [X]ns² όπου [X] είναι η διαμόρφωση του ευγενούς αερίου από την προηγούμενη περίοδο και n είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός. Ομοίως, όλα τα στοιχεία της ομάδας 7 (αλογόνα) μπορούν να γραφούν ως [X]n s²n p⁵.
Επιπλέον, η διαίρεση του περιοδικού πίνακα σε μπλοκ (μπλοκ s, p, d και f) αντανακλά τη διαμόρφωση των ηλεκτρονίων σθένους των στοιχείων σε αυτά τα μπλοκ. Το μπλοκ s έχει πλάτος μόνο 2 μπλοκ γιατί χρειάζονται μόνο 2 ηλεκτρόνια για να γεμίσουν τα τροχιακά υποκέλυφα. Ομοίως, το μπλοκ p έχει πλάτος 6 επειδή χρειάζονται 6 ηλεκτρόνια για να γεμίσουν p τροχιακά.
Περιορισμοί της Αρχής Aufbau
Γενικά θεωρείται ότι τα στοιχεία θα γεμίσουν πρώτα το πιο διαθέσιμο κέλυφος χαμηλότερης ενέργειας και αυτή η τάση έχει επαληθευτεί πειραματικά. Ωστόσο, υπάρχουν μερικές εξαιρέσεις στην αρχή Aufbau, οι πιο αξιοσημείωτες στα στοιχεία μετάλλων μετάπτωσης d-block.
Ο χαλκός (Cu) για παράδειγμα, έχει μια διαμόρφωση ηλεκτρονίων σε αντίθεση με αυτό που θα συνεπαγόταν η εφαρμογή της αρχής Aufbau. Σύμφωνα με τον κανόνα, ο χαλκός πρέπει να έχει διαμόρφωση [Ar]4s²3d9 επειδή το τροχιακό 4s πρέπει να γεμίσει πριν από το τροχιακό 3d. Ωστόσο, η πραγματική διαμόρφωση ηλεκτρονίων του χαλκού είναι [Ar]4s13d10. Σε ένα άτομο χαλκού, 1 ηλεκτρόνιο από το τροχιακό 4s μεταναστεύει στο τροχιακό 3d, αφήνοντας ένα μισογεμάτο τροχιακό 4s. Σύμφωνα με την αρχή του Aufbau, το τροχιακό 4s θα πρέπει να γεμίσει πριν από το 3d τροχιακό., οπότε τι συμβαίνει;
Στην περίπτωση του χαλκού, το ηλεκτρόνιο μεταναστεύει επειδή τα πλήρη τροχιακά και τα μισογεμάτα τροχιακά είναι σχετικά σταθερές διαμορφώσεις. Ο χαλκός θα μετακινήσει ένα από τα δύο ηλεκτρόνια στο τροχιακό 4s για να γεμίσει πλήρως το 3d τροχιακό. Ένα μισογεμάτο τροχιακό 4s και ένα πλήρως γεμάτο τροχιακό 3d είναι πιο σταθερό από ένα πλήρες τροχιακό 4s και ένα τροχιακό 3d με μόνο 9 ηλεκτρόνια, επομένως το άτομο επιλέγει την προηγούμενη κατάσταση.
Η ύπαρξη αυτών των εξαιρέσεων στην αρχή του Aufbau οφείλεται στο γεγονός ότι τα ατομικά τροχιακά επηρεάζονται από το φορτίο του πυρήνα του ατόμου και την παρουσία ηλεκτρονίων σε άλλα τροχιακά του ατόμου. Αυτές οι εξαιρέσεις γίνονται πιο διαδεδομένες καθώς ανεβαίνει κανείς στον περιοδικό πίνακα προς τα βαρύτερα στοιχεία. Οι μεγάλοι, ογκώδεις πυρήνες των βαρέων στοιχείων ασκούν σημαντική δύναμη στα γύρω τροχιακά, γεγονός που μπορεί να κάνει το άτομο να πάρει διαμορφώσεις ηλεκτρονίων σε αντίθεση με την αρχή Aufbau. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η διαμόρφωση ηλεκτρονίων πρέπει να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μια μαθηματική τεχνική που ονομάζεται ανάλυση Hartree-Fock, η οποία στοχεύει να προσδιορίσει τις επιδράσεις άλλων ηλεκτρονίων στο σχήμα των τροχιακών.
Επιπλέον, η αρχή Aufbau δεν περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο οι ενώσεις γεμίζουν τα τροχιακά υποκέλυφά τους. Ο κλάδος της θεωρίας των μοριακών τροχιακών υπάρχει για να περιγράψει την τροχιακή δομή των χημικών ενώσεων. Η θεωρία της μοριακής τροχιάς περιγράφει τη θέση των τροχιακών σε μια ένωση και πώς αυτά τα τροχιακά συνδυάζονται χάρη στις κυματοειδείς ιδιότητες των ηλεκτρονίων για να σχηματίσουν δεσμούς.
Στις ενώσεις, τα ατομικά τροχιακά συνδυάζονται για να σχηματίσουν υβριδικά τροχιακά . Για παράδειγμα, σε ένα μόριο μεθανίου (CH4 ), τα τροχιακά 1s και 2p ή το άτομο άνθρακα συνδυάζονται με καθένα από τα τροχιακά 4 1s σε κάθε άτομο υδρογόνου για να σχηματίσουν 4 υβριδικά τροχιακά, καθένα από τα οποία συμβολίζεται sp³. Η τρισδιάστατη γεωμετρία ενός μορίου καθορίζεται από το είδος των υβριδικών τροχιακών που σχηματίζει. Τα μόρια με γραμμική γεωμετρία έχουν υβριδισμένα τροχιακά sp, τα μόρια με τριγωνική επίπεδη γεωμετρία έχουν υβριδισμό sp² και τα μόρια με τετραεδρική γεωμετρία έχουν υβριδισμό sp³.
