אלקטרונים דיפרנציאליים: מספרים קוונטיים ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

ההפרש או מבדל האלקטרון הוא האלקטרון האחרון להציב את הרצף של תצורת האלקטרונים באטום. מה שמו? כדי לענות על שאלה זו, המבנה הבסיסי של אטום הוא הכרחי: הגרעין שלו, הוואקום והאלקטרונים.

הגרעין הוא מצטבר צפוף וקומפקטי של חלקיקים חיוביים הנקראים פרוטונים, ושל חלקיקים ניטרליים הנקראים נויטרונים. פרוטונים מגדירים את המספר האטומי Z ויחד עם נויטרונים מהווים את המסה האטומית. עם זאת, אטום אינו יכול לשאת רק מטענים חיוביים; לכן האלקטרונים מסתובבים סביב הגרעין כדי לנטרל אותו.

כך, עבור כל פרוטון שמצטרף לגרעין, אלקטרון חדש מצטרף למסלוליו כדי לנטרל את המטען החיובי ההולך וגובר. באופן זה האלקטרון החדש שנוסף, האלקטרון הדיפרנציאלי, קשור קשר הדוק למספר האטומי Z.

האלקטרון הדיפרנציאלי נמצא במעטפת האלקטרונית החיצונית ביותר: מעטפת הערכיות. לכן ככל שאתה נמצא מהגרעין, האנרגיה הקשורה אליו גדולה יותר. האנרגיה הזו היא שאחראית על השתתפותם, כמו גם זו של שאר האלקטרונים הערכיים, בתגובות הכימיות האופייניות של היסודות.

מספרים קוונטיים

כמו שאר האלקטרונים, ניתן לזהות את האלקטרון הדיפרנציאלי על ידי ארבעת המספרים הקוונטים שלו. אבל מהם מספרים קוונטיים? הם "n", "l", "m" ו- "s".

המספר הקוונטי "n" מציין את גודל האטום ואת רמות האנרגיה (K, L, M, N, O, P, Q). «L» הוא המספר הקוונטי המשני או האזימוטאלי, המציין את צורת האורביטלים האטומיים, ולוקח ערכים של 0, 1, 2 ו -3 עבור האורביטלים «s», «p», «d» ו- «f» בהתאמה.

"M" הוא המספר הקוונטי המגנטי ומציין את הכיוון המרחבי של האורביטלים מתחת לשדה מגנטי. לפיכך, 0 עבור מסלולי המסלול; -1, 0, +1, למסלול "p"; -2, -1, 0, +1, +2, עבור מסלול ה- "d"; ו- -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, למסלול "f". לבסוף, מספר הקוונטים של הסיבוב «s» (+1/2 עבור ↑, ו- -1/2 עבור ↓).

לכן אלקטרון דיפרנציאלי קישר את המספרים הקוונטיים הקודמים ("n", "l", "m", "s"). מכיוון שהוא נוגד את המטען החיובי החדש שנוצר על ידי הפרוטון הנוסף, הוא מספק גם את המספר האטומי של האלמנט Z.

איך מכירים את האלקטרון הדיפרנציאלי?

התמונה למעלה מייצגת את תצורות האלקטרונים עבור אלמנטים מימן לגז ניאון (H → Ne).

בכך מסמנים האלקטרונים של הקליפות הפתוחות בצבע אדום, ואילו אלה של הקליפות הסגורות מסומנים על ידי הצבע כחול. השכבות מתייחסות למספר הקוונטי "n", הראשון מבין הארבעה.

באופן זה, תצורת הערכיות של H (↑ באדום) מוסיפה אלקטרון נוסף עם כיוון הפוך להפוך לזו של He (↓ ↑, שניהם כחולים מכיוון שכעת רמת 1 סגורה). האלקטרון שנוסף זה הוא האלקטרון הדיפרנציאלי.

כך, באופן גרפי ניתן לראות כיצד האלקטרון הדיפרנציאלי מוסיף למעטפת הערכיות (חצים אדומים) של היסודות, ומבדיל אותם זה מזה. האלקטרונים ממלאים את האורביטלים המכבדים את שלטונו של הונד ואת עקרון ההדרה של פאולינג (נצפה בצורה מושלמת מ- B עד Ne).

ומה לגבי מספרים קוונטיים? אלה מגדירים כל חץ - כלומר כל אלקטרון - וניתן לאמת את ערכיהם באמצעות תצורת האלקטרונים כדי לדעת אם הם אלה של האלקטרון הדיפרנציאלי או לא.

דוגמאות במספר אלמנטים

כְּלוֹר

במקרה של כלור (Cl) המספר האטומי Z שלו שווה ל 17. תצורת האלקטרונים היא אז 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁵ . האורביטלים המסומנים באדום תואמים את אלה של מעטפת הערכיות, שיש לה דרגה 3 פתוחה.

האלקטרון הדיפרנציאלי הוא האלקטרון האחרון שהוצב בתצורת האלקטרונים, ואטום הכלור הוא זה של האורביטל 3p, שהסידור שלו הוא כדלקמן:

↑ ↓

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

בכבוד לכלל Hund, מילולית 3p של אנרגיה שווה ממלאים תחילה (חץ למעלה בכל מסלול). שנית, האלקטרונים האחרים מתיישרים עם האלקטרונים הבודדים משמאל לימין. האלקטרון הדיפרנציאלי מיוצג במסגרת ירוקה.

לפיכך, לאלקטרון הדיפרנציאלי לכלור יש את המספרים הקוונטים הבאים: (3, 1, 0, -1/2). כלומר, "n" הוא 3; "L" הוא 1, מסלול "p"; "M" הוא 0, מכיוון שהוא מסלול ה- "p" האמצעי; ו- "s" הוא -1/2, מכיוון שהחץ מצביע למטה.

מגנזיום

תצורת האלקטרונים לאטום המגנזיום היא 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² , המייצג את האורביטל ואלקטרון הערכיות שלו באותו אופן:

↑ ↓

3s

0

הפעם, לאלקטרון הדיפרנציאלי יש את המספרים הקוונטים 3, 0, 0, -1/2. ההבדל היחיד במקרה זה ביחס לכלור הוא שמספר הקוונטים «l» הוא 0 מכיוון שהאלקטרון תופס מסלולי מסלול (ה- 3s).

זירקוניום

תצורת האלקטרונים לאטום הזירקוניום (מעבר מתכת) הוא 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ² . באותו אופן כמו המקרים הקודמים, הייצוג של האלקטרונים האורביטליים וערכיים הוא כדלקמן:

לפיכך, המספרים הקוונטים של האלקטרון הדיפרנציאלי המסומן בירוק הם: 4, 2, -1, +1/2. כאן, מכיוון שהאלקטרון תופס את המסלול השני "d", יש לו מספר קוונטי "m" השווה ל -1. כמו כן, מכיוון שהחץ מצביע כלפי מעלה, מספר הסיבוב שלו "s" שווה +1/2.

אלמנט לא ידוע

המספרים הקוונטיים האלקטרוניים הדיפרנציאליים עבור יסוד לא ידוע הם 3, 2, +2, -1/2. מה המספר האטומי Z של היסוד? בידיעת Z אתה יכול להבין מה היסוד.

הפעם, מכיוון ש- "n" שווה ל -3, זה אומר שהרכיב נמצא בתקופה השלישית של הטבלה המחזורית, כאשר המעגלים "d" הם כמעטפת הערכיות ("l" שווה ל 2). לפיכך, המעגלים מיוצגים כמו בדוגמה הקודמת:

↑ ↓

המספרים הקוונטים "m" שווים ל +2, ו- "s" שווים ל -1/2, הם המפתח לאיתור נכון של האלקטרון הדיפרנציאלי במסלול התלת מימד האחרון.

לפיכך, לאלמנט המבוקש יש ¹⁰ אורביטלים מלאים 3D , כמו גם הפגזים האלקטרוניים הפנימיים שלו. לסיכום, האלמנט הוא אבץ המתכת (Zn).

עם זאת, המספרים הקוונטים של האלקטרון הדיפרנציאלי לא יכולים להבחין בין אבץ לנחושת, מכיוון שלאלמנט האחרון יש גם מסלולי תלת מימד מלאים. למה? מכיוון שנחושת היא מתכת שאינה עומדת בכללים למילוי אלקטרונים מסיבות קוונטיות.

הפניות

1. ג'ים ברנסון. (2013). הכללים של Hund. הוחזר ב 21 באפריל 2018 מ: quantummechanics.ucsd.edu
2. הרצאה 27: הכללים של Hund. הוחזר ב 21 באפריל 2018 מ: ph.qmul.ac.uk
3. אוניברסיטת פרדו. מספרים קוונטיים ותצורות אלקטרונים. הוחזר ב 21 באפריל 2018 מ: chemed.chem.purdue.edu
4. אנציקלופדיה למדעים של סלווט. (1968). Física Salvat, SA de Ediciones Pamplona, ​​כרך 12, ספרד, עמודים 314-322.
5. וולטר ג'יי מור. (1963). כימיה פיזיקלית. בחלקיקים ובגלים. מהדורה רביעית, לונגמן.