בסימון ספקטרלי הוא הסדר של רמות האנרגיה האלקטרון סביב גרעין האטום. על פי המודל האטומי הישן של בוהר, אלקטרונים תופסים רמות שונות במסלולי סביב הגרעין, מהקליפה הראשונה הקרובה ביותר לגרעין, K, למעטפת השביעית, Q, שהיא המרוחקת ביותר מהגרעין.
מבחינת מודל מכני קוונטי מעודן יותר, קליפות ה- KQ מחולקות למערך אורביטלים שכל אחד מהם יכול לתפוס על ידי לא יותר מזוג אלקטרונים אחד.
בדרך כלל, תצורת האלקטרונים משמשת לתיאור האורביטלים של אטום במצבו הקרקעי, אך ניתן להשתמש בו גם לייצוג אטום שהתייבש לקטיון או אניון, ומפצה על אובדן או השגת האלקטרונים במסלוליהם בהתאמה.
ניתן לתאם בין רבים מהתכונות הפיזיקליות והכימיות של אלמנטים לתצורות האלקטרוניות הייחודיות שלהם. אלקטרונים בעלי ערך, האלקטרונים בקליפה החיצונית ביותר, הם הגורם הקובע לכימיה הייחודית של היסוד.
כאשר אלקטרונים בקליפה החיצונית ביותר של אטום מקבלים אנרגיה מסוג כלשהו, הם עוברים לשכבות של אנרגיה גבוהה יותר. כך, אלקטרון במעטפת K יועבר לקליפת ה- L במצב במצב אנרגטי גבוה יותר.
כאשר האלקטרון חוזר למצב האדמה שלו, הוא משחרר את האנרגיה שהוא ספג על ידי פליטת ספקטרום אלקטרומגנטי (אור). מכיוון שלכל אטום יש תצורה אלקטרונית ספציפית, יהיה לו גם ספקטרום ספציפי שיקרא ספקטרום הקליטה (או הפליטה).
מסיבה זו, המונח סימון ספקטרלי משמש להתייחס לתצורת האלקטרונים.
כיצד לקבוע סימון ספקטרלי: מספרים קוונטיים
בסך הכל ארבעה מספרים קוונטיים משמשים לתיאור מלא של התנועה והמסלולי של כל אלקטרון בתוך אטום.
השילוב של כל המספרים הקוונטים של כל האלקטרונים באטום מתואר על ידי פונקציית גלים הממלאת את משוואת שרדינגר. לכל אלקטרון באטום יש קבוצה ייחודית של מספרים קוונטיים.
על פי עקרון ההדרה של פאולי, שני אלקטרונים אינם יכולים לחלוק את אותו שילוב של ארבעה מספרים קוונטיים.
מספרים קוונטיים חשובים מכיוון שהם יכולים לשמש לקביעת תצורת האלקטרונים של אטום והמיקום הסביר של האלקטרונים באטום.
מספרים קוונטיים משמשים גם לקביעת מאפיינים אחרים של אטומים, כמו אנרגיית יינון ורדיוס אטומי.
מספרים קוונטיים מייעדים קונכיות ספציפיות, מעטפות משנה, אורביטלים וספינים של אלקטרונים.
המשמעות היא שהם מתארים במלואם את המאפיינים של אלקטרון באטום, כלומר הם מתארים כל פתרון ייחודי למשוואת שרדינגר, או פונקציית הגלים, של אלקטרונים באטום.
ישנם בסך הכל ארבעה מספרים קוונטיים: המספר הקוונטי העיקרי (n), המספר הקוונטי של המומנטום הזוויתי מסלולית (l), המספר הקוונטי המגנטי (ml) ומספר הקוונטים של הסיבוב האלקטרוני (ms).
המספר הקוונטי העיקרי, nn, מתאר את האנרגיה של אלקטרון ואת המרחק הסביר ביותר של האלקטרון מהגרעין. במילים אחרות, זה מתייחס לגודל המסלול ולרמת האנרגיה בה ממוקם אלקטרון.
מספר קליפות המשנה, או ll, מתאר את צורת המסלול. ניתן להשתמש בו גם כדי לקבוע את מספר הצמתים הזוויתיים.
המספר הקוונטי המגנטי, ml, מתאר את רמות האנרגיה במעטפת משנה, ו- ms מתייחס לסיבוב האלקטרון, שיכול להיות למעלה או למטה.
עקרון Aufbau
Aufbau בא מהמילה הגרמנית "Aufbauen" שפירושה "לבנות." במהות, על ידי כתיבת תצורות אלקטרונים אנו בונים אורביטלים אלקטרוניים כאשר אנו עוברים מאטום אחד למשנהו.
כשאנו כותבים את תצורת האלקטרונים של אטום, אנו נמלא את האורביטלים בסדר הגובר של המספר האטומי.
עקרון Aufbau מקורו בעקרון ההדרה של פאולי שאומר שאין שני פרמיונים (למשל אלקטרונים) באטום.
הם יכולים לקבל אותה קבוצה של מספרים קוונטיים, ולכן עליהם "לערום" ברמות אנרגיה גבוהות יותר. איך אלקטרונים מצטברים זה עניין של תצורות אלקטרונים.
לאטומים יציבים יש אלקטרונים רבים כמו לפרוטונים בגרעין. אלקטרונים מתאספים סביב הגרעין במעגלים קוונטיים בעקבות ארבעה כללים בסיסיים המכונים עקרון Aufbau.
- אין אטום שני אלקטרונים שחולקים את אותם ארבעה מספרים קוונטיים n, l, m ו- s.
- אלקטרונים יתפוסו תחילה את המסלול האורבני הנמוך ביותר.
- האלקטרונים תמיד ימלאו את האורביטלים באותו מספר ספין. כאשר המעגלים מלאים זה יתחיל.
- האלקטרונים ימלאו אורביטלים בסכום המספרים הקוונטים n ו- l. אורביטלים עם ערכים שווים של (n + l) יתמלאו תחילה בערכי ה- n התחתונים.
הכלל השני והרביעי זהים למעשה. דוגמא לכלל הרביעי הוא האורביטלים 2p ו- 3s.
מסלול 2p הוא n = 2 ו- l = 2 ו מסלול 3s הוא n = 3 ו- l = 1. (N + l) = 4 בשני המקרים, אך למסלול 2p הוא האנרגיה הנמוכה ביותר או הערך הנמוך ביותר n וימלא לפני שכבה 3s.
איור 2: תרשים Moeller של מילוי תצורת האלקטרונים.
למרבה המזל, ניתן להשתמש בתרשים המילר המוצג באיור 2 למילוי אלקטרונים. הגרף נקרא על ידי הפעלת האלכסונים מ- 1s.
איור 2 מציג את האורביטלים האטומיים והחצים הולכים בדרך קדימה.
כעת, לאחר שידוע שמילוי סדר האורביטלים, הדבר היחיד שנותר הוא לשנן את גודל כל מסלול.
אורביטלים S יש 1 ערך אפשרי של מ ' L להכיל 2 אלקטרונים
ל- Orbitals P יש 3 ערכים אפשריים של מיליליטר המכילים 6 אלקטרונים
ל- Orbitals 5 ערכים אפשריים של μl להחזיק 10 אלקטרונים
יש אורביטלים F 7 ערכים אפשריים של m l להחזיק 14 אלקטרונים
זה כל מה שצריך כדי לקבוע את התצורה האלקטרונית של אטום יציב של אלמנט.
לדוגמה, קח את האלמנט חנקן. לחנקן שבעה פרוטונים ולכן שבעה אלקטרונים. המסלול הראשון למילוי הוא המסלול 1s. למסלול אורביטאלי יש שני אלקטרונים, כך שנשארים חמישה אלקטרונים.
המסלול הבא הוא מסלול ה- 2 ומכיל את השניים הבאים. שלושת האלקטרונים האחרונים יעבור למסלול 2p שיכול להכיל עד שישה אלקטרונים.
מאה פוסק
החלק של Aufbau דן כיצד האלקטרונים ממלאים את האורביטלים האנרגטיים הנמוכים תחילה ואז עוברים למסלולי האנרגיה הגבוהים ביותר רק לאחר שהאורביטלים האנרגטיים הנמוכים ביותר מלאים.
עם זאת, יש בעיה עם כלל זה. בהחלט, יש למלא את האורביטלים של ה- 1 לפני האורביטלים של ה- 2, מכיוון שהאורביטלים של ה- 1 בעלי ערך נמוך יותר של n, ולכן אנרגיה נמוכה יותר.
ושלושת האורביטלים השונים 2p? באיזה סדר צריך למלא אותם? התשובה לשאלה זו כוללת את שלטונו של הונד.
הכלל של הונד קובע כי:
- כל מסלול במפלס תת קרקעי תפוס בנפרד לפני שאף מסלול כלשהו נכבש כפליים.
- לכל האלקטרונים באורביטלים הכבושים בנפרד יש אותו סיבוב (למקסום הסיבוב הכולל).
כאשר אלקטרונים מוקצים לאורביטלים, אלקטרון מבקש תחילה למלא את כל האורביטלים באנרגיה דומה (המכונה גם אורביטלים מנווונים) לפני שהוא מזדווג עם אלקטרון אחר במסלול מלא למחצה.
אטומים בארצות האדמה נוטים להחזיק כמה שיותר אלקטרונים לא מותאמים. כשאתה מדמיין את התהליך הזה, שקול כיצד האלקטרונים מראים אותה התנהגות כמו אותם קטבים במגנט אם הם היו באים במגע.
כאשר אלקטרונים בעלי מטען שלילי ממלאים את האורביטלים, הם מנסים תחילה להתרחק זה מזה ככל האפשר לפני שהם צריכים להזדווג.
הפניות
- אנסטסיה קמנקו, TE (2017, 24 במרץ). מספרים קוונטיים. התאושש ב- chem.libretexts.org.
- עקרון Aufbau. (2015, 3 ביוני). התאושש ב- chem.libretexts.org.
- תצורות אלקטרונים ותכונות האטומים. (SF). התאושש מ- oneonta.edu.
- אנציקלופדיה בריטניקה. (2011, 7 בספטמבר). תצורה אלקטרונית. התאושש מ- britannica.com.
- הלמנסטין, ט (2017, 7 במרץ). עקרון Aufbau - מבנה אלקטרוני ועיקרון Aufbau. התאושש מ- thoughtco.com.
- הכללים של Hund. (2015, 18 ביולי). התאושש ב- chem.libretexts.org.
- סימון ספקטרוסקופי. (SF). התאושש מ- bcs.whfreeman.com.