DIFFERENTIALELEKTRON: KVANTTAL OG EKSEMPLER - KEMI - 2025

Den differential eller differentierende elektron er den sidste elektron placeret i sekvensen af elektron konfiguration af et atom. Hvad hedder det? For at besvare dette spørgsmål er det grundlæggende struktur i et atom nødvendigt: dets kerne, vakuumet og elektronerne.

Kernen er et tæt og kompakt aggregat af positive partikler kaldet protoner og af neutrale partikler kaldet neutroner. Protoner definerer atomnummeret Z og udgør sammen med neutroner den atommasse. Imidlertid kan et atom ikke kun bære positive ladninger; derfor går elektronerne i kredsløb omkring kernen for at neutralisere den.

For hver proton, der forbinder kernen, slutter en ny elektron således sine orbitaler for at modvirke den stigende positive ladning. På denne måde er det nyligt tilføjede elektron, differentielt elektron, tæt knyttet til atomnummeret Z.

Differentialelektronet er i den yderste elektroniske skal: valensskallen. Derfor, jo længere væk du er fra kernen, jo større er den energi, der er forbundet med den. Det er denne energi, der er ansvarlig for deres deltagelse såvel som resten af ​​valenselektronerne i de karakteristiske kemiske reaktioner af elementerne.

Kvantetal

Som resten af ​​elektronerne kan differentieringselektronet identificeres ved dets fire kvanttal. Men hvad er kvanttal? De er "n", "l", "m" og "s".

Kvantetallet "n" angiver atomets størrelse og energiniveauet (K, L, M, N, O, P, Q). «L» er det sekundære eller azimutale kvantetal, der angiver formen på de atomiske orbitaler og tager værdier på 0, 1, 2 og 3 for orbitalerne «s», «p», «d» og «f», henholdsvis.

"M" er det magnetiske kvantetal og indikerer den rumlige orientering af orbitalerne under et magnetfelt. Således 0 for orbitalen «; -1, 0, +1 for "p" -kredsen; -2, -1, 0, +1, +2, for "d" -kredsen; og -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, for "f" -kredsen. Til sidst spin-kvantetallet «s» (+1/2 for ↑ og -1/2 for ↓).

Derfor har en differentiel elektron tilknyttet de foregående kvanttal ("n", "l", "m", "s"). Fordi det modvirker den nye positive ladning, der genereres af den ekstra proton, giver den også elementets atomnummer Z.

Hvordan kender man forskellen elektron?

Billedet ovenfor repræsenterer elektronkonfigurationer for elementer fra brint til neongas (H → Ne).

I dette er elektronerne i de åbne skaller angivet med den røde farve, mens de fra de lukkede skaller er angivet med farven blå. Lagene henviser til kvantetallet "n", det første af de fire.

Således tilføjer valenskonfigurationen af ​​H (↑ i rødt) en anden elektron med modsat retning til at blive den for He (↓ ↑, begge blå, fordi nu niveau 1 er lukket). Dette tilføjede elektron er derefter differentielt elektron.

Grafisk kan det således ses, hvordan differentieringselektronet tilføjer elementernes valensskal (røde pile) ved at differentiere dem fra hinanden. Elektronerne fylder orbitaler, der respekterer Hunds regel og Paulings ekskluderingsprincip (perfekt observeret fra B til Ne).

Og hvad med kvanttal? Disse definerer hver pil - det vil sige hver elektron - og deres værdier kan bekræftes med elektronkonfigurationen for at vide, om de er dem for differentiel elektron.

Eksempler i flere elementer

Klor

I tilfælde af klor (Cl) er dets atomnummer Z lig med 17. Elektronkonfigurationen er derefter 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁵. Orbitaler markeret med rødt svarer til dem fra valensskallen, der har et åbent niveau 3.

Differentialelektronet er den sidste elektron, der placeres i elektronkonfigurationen, og kloratomet er det fra 3p-orbitalen, hvis arrangement er som følger:

↑ ↓

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

Under hensyntagen til Hunds regel udfyldes 3p-orbitaler med lige stor energi først (en pil op i hver orbital). For det andet parres de andre elektroner med ensomme elektroner fra venstre mod højre. Differentialelektronen er repræsenteret i en grøn ramme.

Differentialelektronet for klor har således følgende kvanttal: (3, 1, 0, -1/2). Det vil sige, "n" er 3; "L" er 1, kredsløb "p"; "M" er 0, fordi det er det midterste "p" -kredsløb; og "s" er -1/2, da pilen peger nedad.

Magnesium

Elektronkonfigurationen for magnesiumatomet er 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ², der repræsenterer orbitalen og dens valenselektron på samme måde:

↑ ↓

3s

0

Denne gang har den differentielle elektron kvantetallene 3, 0, 0, -1/2. Den eneste forskel i dette tilfælde med hensyn til klor er, at kvanttalet «l» er 0, fordi elektronet optager en orbital «s» (3'erne).

Zirconium

Elektronkonfigurationen for zirkoniumatomet (overgangsmetallet) er 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ². På samme måde som de foregående tilfælde er repræsentationen af ​​orbitaler og valenselektroner som følger:

Kvanttalene for den differentierede elektron markeret med grønt er således: 4, 2, -1, +1/2. Da elektronet optager det andet "d" -kredsløb her, har det et kvanttal "m" lig med -1. Fordi pilen peger op, er dens omdrejningstal "s" lig med +1/2.

Ukendt element

Differenstets elektronkvanttal for et ukendt element er 3, 2, +2, -1/2. Hvad er atomnummeret Z for elementet? Når du kender Z, kan du finde ud af, hvad elementet er.

Denne gang, da "n" er lig med 3, betyder det, at elementet er i den tredje periode i den periodiske tabel, med "d" orbitaler som valensskallen ("l" lig med 2). Derfor er orbitalerne repræsenteret som i det forrige eksempel:

↑ ↓

Kvanttalene "m" lig med +2 og "s" lig med -1/2 er nøglen til korrekt placering af differentieringselektronet i den sidste 3d-orbitale.

Elementet, der søges, har således fuld 3d ¹⁰ orbitaler såvel som dets interne elektroniske skaller. Afslutningsvis er elementet metalzink (Zn).

Differencelektronets kvanttal kan imidlertid ikke skelne mellem zink og kobber, fordi sidstnævnte element også har fulde 3d orbitaler. Hvorfor? Fordi kobber er et metal, der ikke overholder reglerne for udfyldning af elektroner af kvanteårsager.

Referencer

1. Jim Branson. (2013). Hunds regler. Hentet den 21. april 2018 fra: quantummechanics.ucsd.edu
2. Foredrag 27: Hunds regler. Hentet den 21. april 2018 fra: ph.qmul.ac.uk
3. Purdue University. Kvantetal og elektronkonfigurationer. Hentet den 21. april 2018 fra: chemed.chem.purdue.edu
4. Salvat Encyclopedia of Sciences. (1968). Física Salvat, SA de Ediciones Pamplona, ​​bind 12, Spanien, side 314-322.
5. Walter J. Moore. (1963). Fysisk kemi. I partikler og bølger. Fjerde udgave, Longmans.