Notația spectrală este aranjamentul nivelelor de energie de electroni în jurul nucleului unui atom. Conform vechiului model atomic Bohr, electronii ocupă diferite niveluri pe orbitele din jurul nucleului, de la prima coajă cea mai apropiată de nucleu, K, la a șaptea cochilie, Q, care este cea mai îndepărtată de nucleu.
În ceea ce privește un model mecanic cuantic mai rafinat, cochilii KQ sunt subdivizați într-un set de orbitali, fiecare putând fi ocupat de nu mai mult de o pereche de electroni.
În mod obișnuit, configurația electronilor este utilizată pentru a descrie orbitalele unui atom în starea sa de bază, dar poate fi, de asemenea, utilizată pentru a reprezenta un atom care s-a ionizat într-un cation sau anion, compensând pierderea sau câștigarea electronilor în orbitalele lor.
Multe dintre proprietățile fizice și chimice ale elementelor pot fi corelate cu configurațiile lor unice electronice. Electronii de valență, electronii din învelișul exterior, sunt factorul determinant pentru chimia unică a elementului.
Când electronii din carcasa exterioară a unui atom primesc energie de un fel, ei se deplasează în straturi cu energie mai mare. Astfel, un electron din coaja K va fi transferat în coaja L în timp ce se află într-o stare energetică mai mare.
Când electronul revine la starea sa de sol, eliberează energia absorbită prin emiterea unui spectru electromagnetic (lumină). Deoarece fiecare atom are o configurație electronică specifică, acesta va avea, de asemenea, un spectru specific care va fi numit spectru de absorbție (sau emisie).
Din acest motiv, termenul de notare spectrală este utilizat pentru a se referi la configurația electronilor.
Cum se determină notația spectrală: numerele cuantice
Un total de patru numere cuantice sunt utilizate pentru a descrie complet mișcarea și traiectoriile fiecărui electron în cadrul unui atom.
Combinația tuturor numerelor cuantice ale tuturor electronilor dintr-un atom este descrisă de o funcție de undă care îndeplinește ecuația Schrödinger. Fiecare electron dintr-un atom are un set unic de numere cuantice.
Conform principiului de excludere Pauli, doi electroni nu pot împărtăși aceeași combinație de patru numere cuantice.
Numerele cuantice sunt importante deoarece pot fi utilizate pentru a determina configurația electronilor unui atom și locația probabilă a electronilor în atom.
Numerele cuantice sunt de asemenea utilizate pentru a determina alte caracteristici ale atomilor, cum ar fi energia de ionizare și raza atomică.
Numerele cuantice desemnează cochilii, subfolii, orbitale și rotiri electronice specifice.
Aceasta înseamnă că ei descriu pe deplin caracteristicile unui electron dintr-un atom, adică descriu fiecare soluție unică la ecuația Schrödinger sau funcția de undă a electronilor dintr-un atom.
Există un număr de patru numere cuantice: numărul cuantic principal (n), numărul cuantic de moment orbital unghi (l), numărul cuantic magnetic (ml) și numărul cuantic de spin electron (ms).
Numărul principal cuantic, nn, descrie energia unui electron și distanța cea mai probabilă a electronului față de nucleu. Cu alte cuvinte, se referă la mărimea orbitalului și la nivelul de energie la care este plasat un electron.
Numărul de subshells, sau ll, descrie forma orbitalului. Poate fi, de asemenea, utilizat pentru a determina numărul de noduri unghiulare.
Numărul magnetic cuantic, ml, descrie nivelurile de energie dintr-o subsferă, iar ms se referă la rotirea pe electron, care poate fi în sus sau în jos.
Principiul Aufbau
Aufbau provine din cuvântul german „Aufbauen” care înseamnă „a construi”. În esență, scriind configurații de electroni, construim orbitali de electroni pe măsură ce trecem de la un atom la altul.
Pe măsură ce scriem configurația electronilor unui atom, vom completa orbitalele în ordinea crescândă a numărului atomic.
Principiul Aufbau provine de la principiul excluderii Pauli care spune că nu există doi fermioni (de exemplu, electroni) într-un atom.
Acestea pot avea același set de numere cuantice, așa că trebuie să „stiveze” la niveluri mai mari de energie. Cum se acumulează electronii este o problemă a configurațiilor electronilor.
Atomii stabili au la fel de mulți electroni ca protoni în nucleu. Electronii se adună în jurul nucleului în orbitale cuantice urmând patru reguli de bază numite principiul Aufbau.
- În atom nu există doi electroni care au același patru numere cuantice n, l, m și s.
- Electronii vor ocupa mai întâi orbitalii cu cel mai scăzut nivel de energie.
- Electronii vor umple întotdeauna orbitalele cu același număr de rotire. Când orbitalii vor fi plini, va începe.
- Electronii vor umple orbitalii cu suma numelor cuantice n și l. Orbitalele cu valori egale de (n + l) vor fi umplute mai întâi cu n valori inferioare.
A doua și a patra regulă sunt practic aceleași. Un exemplu de regulă patru ar fi orbitalii 2p și 3s.
Un orbital 2p este n = 2 și l = 2 și un orbital 3s este n = 3 și l = 1. (N + l) = 4 în ambele cazuri, dar orbitalul 2p are cea mai mică energie sau cea mai mică valoare n și se va completa înainte de stratul 3s.
Figura 2: Diagrama Moeller a umplerii configurației electronilor.
Din fericire, diagrama Moeller prezentată în figura 2 poate fi utilizată pentru a face umplerea electronilor. Graficul este citit rulând diagonalele de la 1s.
Figura 2 prezintă orbitalii atomici, iar săgețile urmează calea în față.
Acum, că ordinea orbitalelor este cunoscută a fi completată, singurul lucru rămas este memorarea dimensiunii fiecărui orbital.
S orbitalii au 1 valoare posibilă de m l pentru a conține 2 electroni
Orbitalii P au 3 valori posibile de ml pentru a conține 6 electroni
Orbitalele D au 5 valori posibile de pl pentru a reține 10 electroni
Orbitalii F au 7 valori posibile de m l pentru a reține 14 electroni
Aceasta este tot ceea ce este necesar pentru a determina configurația electronică a unui atom stabil al unui element.
De exemplu, luați elementul azot. Azotul are șapte protoni și deci șapte electroni. Primul orbital completat este orbitalul 1s. Un orbital s are doi electroni, deci rămân cinci electroni.
Următorul orbital este orbitalul 2s și conține următoarele două. Ultimii trei electroni vor merge pe orbitalul 2p care poate ține până la șase electroni.
Sute de reguli
Secțiunea Aufbau a discutat despre modul în care electronii umplu mai întâi orbitalii cu cea mai mică energie și apoi se deplasează la orbitalii cu cea mai mare energie numai după ce orbitalii cu cea mai mică energie sunt plini.
Cu toate acestea, există o problemă cu această regulă. Cu siguranță, orbitalele 1s trebuie completate înainte de orbitalele 2s, deoarece orbitalele 1s au o valoare mai mică a n, și deci o energie mai mică.
Și cele trei orbitale diferite 2p? În ce ordine ar trebui să fie completate? Răspunsul la această întrebare implică regula lui Hund.
Regula lui Hund afirmă că:
- Fiecare orbital dintr-un subnivel este ocupat individual înainte ca orice orbital să fie ocupat de două ori.
- Toți electronii din orbitalii ocupați individual au aceeași rotire (pentru a maximiza rotirea totală).
Când electronii sunt alocați orbitalelor, un electron încearcă mai întâi să umple toate orbitalele cu energie similară (numite și orbitale degenerate) înainte de a se împerechea cu un alt electron într-un orbital pe jumătate plin.
Atomii din stările de sol tind să aibă cât mai mulți electroni neperecheți. Când vizualizați acest proces, luați în considerare modul în care electronii prezintă același comportament ca aceiași poli într-un magnet dacă ar intra în contact.
Când electronii încărcați negativ umplu orbitalii, ei încearcă mai întâi să se îndepărteze cât mai departe unul de celălalt, înainte de a se împerechea.
Referințe
- Anastasiya Kamenko, TE (2017, 24 martie). Numerele cuantice. Recuperat din chem.libretexts.org.
- Principiul Aufbau. (2015, 3 iunie). Recuperat din chem.libretexts.org.
- Configurațiile electronilor și proprietățile atomilor. (SF). Recuperat din oneonta.edu.
- Encyclopædia Britannica. (2011, 7 septembrie). Configurație electronică. Recuperat de pe britannica.com.
- Helmenstine, T. (2017, 7 martie). Principiul Aufbau - Structura electronică și Principiul Aufbau. Recuperat de la thinkco.com.
- Regulile lui Hund. (2015, 18 iulie). Recuperat din chem.libretexts.org.
- Notare spectroscopică. (SF). Recuperat de la bcs.whfreeman.com.