Den spektrala notationen är arrangemanget av elektronenerginivåer runt en atomkärnan. Enligt den gamla Bohr-atommodellen upptar elektroner olika nivåer i banor runt kärnan, från det första skalet närmast kärnan, K, till det sjunde skalet, Q, som är längst från kärnan.
När det gäller en mer förfinad kvantmekanisk modell är KQ-skalen uppdelade i en uppsättning orbitaler, som var och en kan upptas av inte mer än ett par elektroner.
Vanligtvis används elektronkonfigurationen för att beskriva atomens orbitaler i dess marktillstånd, men den kan också användas för att representera en atom som har joniserats till en katjon eller anjon, som kompenserar för förlusten eller förstärkningen av elektroner i deras respektive orbital.
Många av de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos element kan korreleras med deras unika elektroniska konfigurationer. Valenselektroner, elektronerna i det yttersta skalet, är den avgörande faktorn för elementets unika kemi.
När elektroner i det yttersta skalet i en atom tar emot energi av något slag flyttar de in i lager med högre energi. Således kommer en elektron i K-skalet att överföras till L-skalet i ett högre energitillstånd.
När elektronen återvänder till sitt marktillstånd frigör den den energi som den absorberar genom att avge ett elektromagnetiskt spektrum (ljus). Eftersom varje atom har en specifik elektronisk konfiguration kommer den också att ha ett specifikt spektrum som kommer att kallas absorptions (eller emission) spektrum.
Av detta skäl används termen spektral notation för att hänvisa till elektronkonfiguration.
Hur man bestämmer spektral notation: kvantantal
Totalt fyra kvantantal används för att fullständigt beskriva rörelsen och banorna för varje elektron i en atom.
Kombinationen av alla kvantantal för alla elektroner i en atom beskrivs av en vågfunktion som uppfyller Schrödinger-ekvationen. Varje elektron i en atom har en unik uppsättning kvantantal.
Enligt Pauli-uteslutningsprincipen kan två elektroner inte dela samma kombination av fyra kvantantal.
Kvantantal är viktiga eftersom de kan användas för att bestämma en atoms elektronkonfiguration och den sannolika platsen för elektronerna i atomen.
Kvantantal används också för att bestämma andra egenskaper hos atomer, såsom joniseringsenergi och atomradie.
Kvantantal anger specifika skal, underskal, orbitaler och snurr av elektroner.
Detta betyder att de helt beskriver egenskaperna hos en elektron i en atom, det vill säga att de beskriver varje unik lösning på Schrödinger-ekvationen, eller vågfunktionen, för elektroner i en atom.
Det finns totalt fyra kvantnummer: det huvudsakliga kvantumret (n), det orbitala vinkelmomentkvanttalet (l), det magnetiska kvantantalet (ml) och elektronspinnkvantantalet (ms).
Det huvudsakliga kvantantalet, nn, beskriver energin i en elektron och det mest troliga avståndet för elektronen från kärnan. Med andra ord hänvisar det till storleken på omloppsbotten och energinivån som en elektron placeras på.
Antalet underskal eller ll beskriver formen på kretsloppet. Det kan också användas för att bestämma antalet vinkelnoder.
Det magnetiska kvantantalet ml beskriver energinivåerna i ett underskal och ms hänvisar till rotationen på elektronen, som kan vara upp eller ner.
Aufbau-principen
Aufbau kommer från det tyska ordet "Aufbauen" som betyder "att bygga." Genom att skriva elektronkonfigurationer bygger vi i huvudsak elektronbanor när vi går från en atom till en annan.
När vi skriver elektronkonfigurationen för en atom kommer vi att fylla i orbitalerna i ökande ordning av atomantalet.
Aufbau-principen kommer från Pauli-uteslutningsprincipen som säger att det inte finns två fermioner (t.ex. elektroner) i en atom.
De kan ha samma uppsättning kvantantal, så de måste "stapla" vid högre energinivåer. Hur elektroner ackumuleras är en fråga om elektronkonfigurationer.
Stabila atomer har lika många elektroner som protoner i kärnan. Elektroner samlas runt kärnan i kvantbana enligt fyra grundläggande regler som kallas Aufbau-principen.
- Det finns inga två elektroner i atomen som delar samma fyra kvantantal n, l, m och s.
- Elektroner kommer först att uppta de lägsta energinivåbanorna.
- Elektronerna kommer alltid att fylla orbitalerna med samma spinnnummer. När orbitalerna är fulla startar den.
- Elektronerna kommer att fylla orbitaler med summan av kvantumren n och l. Orbitaler med lika värden på (n + l) fylls först med de lägre n-värdena.
Den andra och fjärde reglerna är i princip samma. Ett exempel på regel fyra är 2p- och 3-orbitalerna.
En 2p-omlopp är n = 2 och l = 2 och en 3-s omlopp är n = 3 och l = 1. (N + l) = 4 i båda fallen, men 2p-omloppet har det lägsta energin eller lägsta värdet n och kommer att fyllas före skikt 3s.
Bild 2: Moeller-diagram över fyllning av elektronkonfigurationen.
Lyckligtvis kan Moeller-diagrammet som visas i figur 2 användas för att utföra elektronfyllning. Grafen läses genom att köra diagonalerna från 1s.
Figur 2 visar atombanorna och pilarna följer vägen framåt.
Nu när orbitalens ordning är känd för att fyllas i, är det enda som återstår att memorera storleken på varje omloppsbana.
S orbitaler har ett möjligt värde på ml för att innehålla 2 elektroner
P-orbitaler har 3 möjliga värden på ml för att innehålla 6 elektroner
D orbitaler har 5 möjliga värden på ul för att hålla 10 elektroner
F orbitaler har 7 möjliga värden på ml för att hålla 14 elektroner
Detta är allt som behövs för att bestämma den elektroniska konfigurationen av en stabil atom i ett element.
Ta till exempel elementet kväve. Kväve har sju protoner och därför sju elektroner. Den första orbitalen som ska fyllas är 1-orbitalen. En orbital har två elektroner, så det finns fem elektroner kvar.
Nästa orbital är 2s orbital och innehåller de två nästa. De tre sista elektronerna går till 2p-bana som kan rymma upp till sex elektroner.
Hund reglerar
I Aufbau avsnitt diskuterades hur elektroner först fyller orbitalen med lägsta energi och sedan flyttar upp till orbitaler med högsta energi först efter att de orbital med lägsta energi är fulla.
Det finns emellertid ett problem med denna regel. Visst måste 1-orbitalerna fyllas före 2-orbitalerna, eftersom 1-orbitalerna har ett lägre värde på n, och därför en lägre energi.
Och de tre olika 2p-orbitalerna? I vilken ordning ska de fyllas? Svaret på denna fråga innebär Hunds regel.
Hunds regel säger att:
- Varje omloppsbana i en undernivå upptas individuellt innan någon orbital dubbelt upptas.
- Alla elektroner i individuellt upptagna orbitaler har samma snurr (för att maximera total vridning).
När elektroner tilldelas orbitaler försöker en elektron först fylla alla orbitaler med liknande energi (även kallad degenererade orbitaler) innan den kopplas ihop med en annan elektron i ett halvfullt orbital.
Atomer i markstaterna tenderar att ha så många oparade elektroner som möjligt. När du visualiserar denna process bör du överväga hur elektroner uppvisar samma beteende som samma poler i en magnet om de skulle komma i kontakt.
När negativt laddade elektroner fyller orbitalerna försöker de först komma så långt borta från varandra som möjligt innan de måste kopplas ihop.
referenser
- Anastasiya Kamenko, TE (2017, 24 mars). Kvantnummer. Återställs från chem.libretexts.org.
- Aufbau princip. (2015, 3 juni). Återställs från chem.libretexts.org.
- Elektronkonfigurationer och Atoms egenskaper. (SF). Återställdes från oneonta.edu.
- Encyclopædia Britannica. (2011, 7 september). Elektronisk konfiguration. Återställs från britannica.com.
- Helmenstine, T. (2017, 7 mars). Aufbau-principen - Elektronisk struktur och Aufbau-principen. Återställdes från thoughtco.com.
- Hunds regler. (2015, 18 juli). Återställs från chem.libretexts.org.
- Spektroskopisk notation. (SF). Återställs från bcs.whfreeman.com.