7.15

Электронная конфигурация многоэлектронных атомов.

59.6K views03:26 min

Принцип исключения Паули, правило максимальной множественности Хунда и принцип Ауфбау могут быть расширены, чтобы предусмотреть электронную конфигурацию любого элемента. Рассмотрите возможность записи электронной конфигурации для натрия. Распределение ядерных электронов в атоме натрия в точности такое же, как в предыдущем элементе, неоне.

Единственный валентный электрон занимает 3s-орбиталь. Неон принадлежит к восемнадцатой группе таблицы Менделеева благородным газам. Электронная конфигурация этих элементов способствует сжатому изображению ядерной конфигурации для других элементов.

Для любого элемента ядерная электронная конфигурация такая же, как у благородного газа, предшествующего ему в периодической таблице. Электронную конфигурацию натрия, например, можно записать как неоновое ядро, 3s1. Ядерная электронная конфигурация калия 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6, плюс один валентный электрон.

Итак, входит ли девятнадцатый электрон в подуровень 3d? Напомним, что подуровень 4s обладает значительной проникающей способностью, что часто приводит к тому, что он имеет более низкую энергию, чем подуровень 3d. Следовательно, принцип Ауфбау предполагает, что подуровень 4s заполняется раньше, чем подуровень 3d.

Ядро предыдущего благородного газа, аргона, используется для записи конденсированной конфигурации. Хотя эти принципы служат отправной точкой, реальные электронные конфигурации должны быть подтверждены экспериментально. В некоторых элементах среди переходных элементов, лантаноидов и актинидов орбитальные энергии находятся в другом относительном порядке, и принцип Ауфбау не может полностью соблюдаться.

В переходных элементах подуровни 3d и 4s имеют близкие энергии. Подуровень 4s часто заполняется полностью. Например, в скандии электронная конфигурация аргоновое ядро, 4s2 3d1.

В цинке подуровни 4s и 3d заполнены до максимальной емкости. Однако основные состояния некоторых металлов, таких как хром и медь, по отдельности занимают 4s-орбитали. Хром особенно примечателен тем, что два подуровня заполнены частично, что является отступлением от принципа Ауфбау.

В ряду лантаноидов, проходящем через церий-лютеций, подуровни 6s и 4f имеют схожие энергии. Электронная конфигурация неодима ксеноновое ядро, 6s2 4f4. Между тем, церий имеет необычную электронную конфигурацию ксенонового ядра, 6s2 4f1 5d1, потому что его подуровни 6s, 4f и 5d необычно близки по энергии.

Overview

Loading...

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

У щелочного металла натрия (атомный номер 11) на один электрон больше, чем у атома неона. Этот электрон должен войти в подоболочку с наименьшей энергией, орбиталь 3 s , что дает 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ¹ конфигурация. Электроны, занимающие орбитали внешней оболочки (максимальное значение n ), называются валентными электронами, а электроны, занимающие орбитали внутренней оболочки, называются остовными электронами. Поскольку основные электронные оболочки соответствуют электронным конфигурациям благородных газов, мы можем сокращать электронные конфигурации, записывая благородный газ, который соответствует основной электронной конфигурации, вместе с валентными электронами в сжатом формате. Для натрия символ [Ne] представляет электроны ядра, (1 s ² 2 s ² 2 p ⁶), а сокращенная или сжатая конфигурация - [Ne] 3 s ¹.

Аналогично, сокращенная конфигурация лития может быть представлена как [HE]2s1, где [HE] представляет конфигурацию атома гелия, которая идентична конфигурации наполненной внутренней оболочки лития. Написание конфигураций таким образом подчеркивает схожесть конфигураций лития и натрия. Оба атома, входящие в семейство щелочных металлов, имеют только один электрон в подоболочке валентности вне заполненного набора внутренних оболочек.

Li: [He] 2s1

Na: [NE]3s1

Щелочноземельный металл магний (атомный номер 12) с его 12 электронами в конфигурации [Ne] 3 s ² аналогичен члену своего семейства бериллию, [He] 2 s ². Оба атома имеют заполненную подоболочку s вне заполненных внутренних оболочек. Алюминий (атомный номер 13), с 13 электронами и электронной конфигурацией [Ne] 3 s ² 3 p ^{1 , аналогичен члену семейства бора, [He] 2 s ² 2 p ¹.}
Электронные конфигурации кремния (14 электронов), фосфора (15 электронов), серы (16 электронов), хлора (17 электронов) и аргона (18 электронов) аналогичны электронным конфигурациям их внешних оболочек соответствующим членам их семей: Углероду, азоту, кислороду, фтор и неону, соответственно, за исключением того, что главное квантовое число внешней оболочки более тяжелых элементов увеличилось на один к n = 3.

Когда мы пришли к следующему элементу периодической таблицы, калию щелочного металла (атомный номер 19), мы могли бы ожидать, что мы начнем добавлять электроны в 3D-подоболочку. Однако все имеющиеся химические и физические доказательства указывают на то, что калий похож на литий и натрий, и что следующие выборы не добавляются на уровень 3d, а добавляются к уровню 4s. Как уже говорилось ранее, трехмерная орбитальная без радиальных узлов обладает большей энергией, поскольку она менее проникающая и более экранированная от ядра, чем 4s, которые имеют три радиальных узла. Таким образом, калий имеет электронную конфигурацию [AR]4s1. Следовательно, калий соответствует ли и Na в его конфигурации оболочки валентности. Следующий электрон добавляется для завершения подоболочки 4s, а кальций имеет электронную конфигурацию [AR]4s2. Это дает кальцию внешнюю электронную конфигурацию оболочки, соответствующую конфигурации из алюминия и магния.

В случае Cr и Cu мы обнаружили, что полунаполненные и полностью заполненные подоболочки, по-видимому, представляют собой условия предпочтительной стабильности. Такая стабильность такова, что электрон переходит из 4-х в 3-мерную орбиту, чтобы получить дополнительную стабильность полузаполненной 3d-подоболочки (в Cr) или заполненной 3d-подоболочки (в Cu). Также происходят другие исключения. Например, предполагается, что конфигурация электронов [KR]5s24d3 будет иметь ниобий (NB, атомный номер 41). Экспериментально мы видим, что егоосновная конфигурация электронов на самом деле [KR]5s14d ⁴. Мы можем рационализировать это наблюдение, заявив, что электронные отталкивания, испытанные сопряжением электронов на орбите 5s, больше, чем разрыв в энергии между 5s и 4d орбит. Нет простого способа предсказать исключения для атомов, где величина отталкиваний между электронами больше, чем небольшие различия в энергии между подоболочками.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 6.4: Электронная структура атомов.

Transcript

Loading...

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Принцип исключения Паули, правило максимальной множественности Хунда и принцип Ауфбау могут быть расширены, чтобы предусмотреть электронную конфигурацию любого элемента. Рассмотрите возможность записи электронной конфигурации для натрия. Распределение ядерных электронов в атоме натрия в точности такое же, как в предыдущем элементе, неоне.

Единственный валентный электрон занимает 3s-орбиталь. Неон принадлежит к восемнадцатой группе таблицы Менделеева благородным газам. Электронная конфигурация этих элементов способствует сжатому изображению ядерной конфигурации для других элементов.

Для любого элемента ядерная электронная конфигурация такая же, как у благородного газа, предшествующего ему в периодической таблице. Электронную конфигурацию натрия, например, можно записать как неоновое ядро, 3s1. Ядерная электронная конфигурация калия 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6, плюс один валентный электрон.

Итак, входит ли девятнадцатый электрон в подуровень 3d? Напомним, что подуровень 4s обладает значительной проникающей способностью, что часто приводит к тому, что он имеет более низкую энергию, чем подуровень 3d. Следовательно, принцип Ауфбау предполагает, что подуровень 4s заполняется раньше, чем подуровень 3d.

Ядро предыдущего благородного газа, аргона, используется для записи конденсированной конфигурации. Хотя эти принципы служат отправной точкой, реальные электронные конфигурации должны быть подтверждены экспериментально. В некоторых элементах среди переходных элементов, лантаноидов и актинидов орбитальные энергии находятся в другом относительном порядке, и принцип Ауфбау не может полностью соблюдаться.

В переходных элементах подуровни 3d и 4s имеют близкие энергии. Подуровень 4s часто заполняется полностью. Например, в скандии электронная конфигурация аргоновое ядро, 4s2 3d1.

В цинке подуровни 4s и 3d заполнены до максимальной емкости. Однако основные состояния некоторых металлов, таких как хром и медь, по отдельности занимают 4s-орбитали. Хром особенно примечателен тем, что два подуровня заполнены частично, что является отступлением от принципа Ауфбау.

В ряду лантаноидов, проходящем через церий-лютеций, подуровни 6s и 4f имеют схожие энергии. Электронная конфигурация неодима ксеноновое ядро, 6s2 4f4. Между тем, церий имеет необычную электронную конфигурацию ксенонового ядра, 6s2 4f1 5d1, потому что его подуровни 6s, 4f и 5d необычно близки по энергии.

Explore More Videos

Electron Configuration

Multielectron Atoms

Pauli Exclusion Principle

Aufbau Principle

Core Electron Distribution

Valence Electron

Experimental Confirmation