1.3: Електронна структура (огляд)

Мета навчання

Малюйте, інтерпретуйте та перетворюйте між структурами Льюїса (Kekule), конденсованих та ліній зв'язку

Примітка: Огляд загальної хімії в розділах 1.3 - 1.6 інтегрований у вищезазначену ціль навчання з органічної хімії в розділах 1.7 та 1.8.

Основними навичками, необхідними є здатність визначати електронні конфігурації елементів, дотримуючись понять «ауфбау» або «нарощування», Правило Гунда та Принцип виключення Паулі, а також візуалізація орбіталів, підоболонок та оболонок просторово та енергійно. Перетворення електронних конфігурацій на орбітальні діаграми є корисним навиком, коли ми переходимо до органічної хімії. Ці навички практикуються в наступному розділі.

Хвиля природи світла

Хвиля - це періодичне коливання, за допомогою якого енергія передається через простір. Всі хвилі періодичні, регулярно повторюються як в просторі, так і в часі. Хвилі характеризуються декількома взаємопов'язаними властивостями.

• Електронна структура: розташування електронів в атомах
• Електромагнітне випромінювання: ака промениста енергія; форма енергії, яка має хвильові характеристики і несе енергію через простір. Всі види електромагнітного випромінювання рухаються через вакуум зі швидкістю 3,00 Х 10 ⁸ м/с (швидкість світла).
• Довжина хвилі: відстань між однаковими точками на послідовних хвиль
• Частота: кількість повних довжин хвиль, які проходять задану точку за 1s

\[\nu λ = c \]

де\(\nu\) = частота,\(λ\) = довжина хвилі, і\(c\) = швидкість світла

Довжина хвилі виражається в одиницях довжини.

• Електромагнітний спектр: різні типи електромагнітних випромінювань, розташованих в порядку збільшення довжини хвилі.

Частота виражається в герцах (Гц), також позначається s ^-1 або /s

Квантові ефекти і фотони

• Квант: найменша кількість енергії, яка може бути випромінювана або поглинена як електромагнітне випромінювання

\[E = hv\]

де\(E\) = енергія,\(h\) = постійна Планка,\(\nu\) = частота

Константа Планка = 6,63 X 10 ^-34 Дж/с

Згідно з теорією Планка, енергія завжди випромінюється або поглинається у цілих числах, кратних hv, наприклад, hv, 2hv, 3hv тощо. Ми говоримо, що дозволені енергії квантуються (тобто їх значення обмежені певними величинами).

Квантована енергія та фотони

Випромінювання чорного тіла - це випромінювання, що випромінюється гарячими предметами, і його неможливо пояснити класичною фізикою. Макс Планк постулював, що енергія була квантована і може випромінюватися або поглинатися лише в інтегральних кратних невеликій одиниці енергії, відомої як квант. Енергія кванта пропорційна частоті випромінювання; постійна пропорційності h - фундаментальна константа (константа Планка). Альберт Ейнштейн використовував квантування енергії для пояснення фотоефекту

• Фотоелектричний ефект: коли фотони досить високої енергії вражають поверхню металу, електрони випромінюються з металу. Випромінювані електрони тягнуться до іншого електрода, який є позитивним висновком. В результаті в ланцюзі протікає струм.
• Фотон: найменший приріст (квант) променистої енергії; фотон світла з частотою v має енергію, рівну hv.
• Коли фотон вражає метал, його енергія передається електрону в металі. Певна кількість енергії потрібно електрону, щоб подолати сили притягання, які утримують його всередині металу. Якщо фотони мають менше енергії, ніж цей енергетичний поріг, електрони не можуть вирватися з поверхні металу. Якщо фотон має достатню кількість енергії, випромінюється електрон. Якщо фотон має більше енергії, ніж потрібно, надлишок з'являється як кінетична енергія випромінюваного електрона.

Лінійні спектри та модель Бора

Існує інтимний зв'язок між атомною структурою атома і його спектральними характеристиками. Більшість світла є поліхроматичним і містить світло багатьох довжин хвиль. Світло, яке має лише одну довжину хвилі, є монохроматичним і виробляється пристроями, званими лазерами, які використовують переходи між двома рівнями атомної енергії для отримання світла в дуже вузькому діапазоні довжин хвиль. Атоми також можуть поглинати світло певних енергій, в результаті чого відбувається перехід з основного стану або нижчої енергії е

Лінійні спектри

Випромінювання, що складається з однієї довжини хвилі, вважається монохроматичним.

• Спектр: розподіл між різними довжинами хвиль променистої енергії, що випромінюється або поглинається об'єктом
• Безперервний спектр: веселка кольорів, що містить світло всіх довжин хвиль. Не всі джерела випромінювання виробляють безперервний спектр.
• Лінійний спектр: спектр, що містить випромінювання тільки конкретних довжин хвиль

\[v = C \left(\dfrac{1}{2^2} – \dfrac{1}{n^2}\right)\]

з\(n\) = 3, 4, 5, 6, і\(C = 3.29 \times 10^{15} s^{-1}\) (постійна)

Модель Бора

Електрони на дозволеній орбіті мають специфічну енергію і, як кажуть, знаходяться в «дозволеному» енергетичному стані. Електрон в дозволеному енергетичному стані не буде випромінювати енергію і тому не буде спіраль в ядро.

\[E_n = -R_H \dfrac{1}{n^2}\]

• \(R_H\)= постійна Рідберга: 2,18 X 10 ^-18 Дж
• \(n\)= головне квантове число, відповідає різним дозволеним орбітам для електрона

Всі енергії, наведені цим рівнянням, будуть негативними. Чим нижче (негативніше) енергія, тим стабільніше атом. Найнижчий енергетичний стан - це те, для якого n = 1.

• Основний стан: найнижчий енергетичний стан атома,\(n=1\)
• Збуджений стан: коли електрон знаходиться на вищій енергетичній орбіті (менш негативний), n = 2 або вище

Якщо n стає нескінченно великим (∞), електрон повністю відокремлюється від ядра:

\[E_∞ = (-2.18 \times 10^{-18} J) \left(\dfrac{1}{∞^2}\right) = 0\]

Таким чином, стан, в якому електрон видаляється з ядра, є еталонним, або нульовою енергією, станом атома водню. Важливо пам'ятати, що це стан нульової енергії вище за енергією, ніж стани з негативними енергіями.

Електрони можуть змінюватися від одного енергетичного стану до іншого, поглинаючи або випромінюючи променисту енергію. Промениста енергія повинна бути поглинена, щоб електрон перемістився в більш високий енергетичний стан, але випромінюється, коли електрон рухається в більш низький енергетичний стан. .

\[\Delta E = E_f – E_i\]

• Якщо\(n_f > n_i\), то ΔE позитивна, промениста енергія поглинається
• Якщо\(n_f < n_i\), то ΔE негативний, випромінюється промениста енергія

Хвильова поведінка матерії

Електрон має як частинки, так і хвильові властивості. Луї де Брольє показав, що довжина хвилі частинки дорівнює постійній Планка, поділеній на масу, що помножується на швидкість частинки. Таким чином, електрон на кругових орбітах Бора можна описати як стоячу хвилю, таку, яка не рухається через простір. Принцип невизначеності Вернера Гейзенберга стверджує, що неможливо точно описати як розташування, так і швидкість частинок, які проявляють хвилеподібну поведінку.

• Імпульс: добуток маси, м, і швидкості, v, частинки
• Хвилі матерії: термін, який використовується для опису хвильових характеристик частинки

\[λ = \dfrac{h}{mv}\]

де\(λ\) довжина хвилі\(h\), постійна\(m\) Планка, маса частинок\(v\), і швидкість

Принцип невизначеності

• Принцип невизначеності: теорія, вперше висунута Гейзенбергом, стверджує, що неможливо визначити як точний імпульс електрона, так і його точне місце розташування.

Квантова механіка та атомні орбіталі

Існує взаємозв'язок між рухами електронів в атомах і молекулах і їх енергіями, яка описується квантовою механікою. Через подвійність хвиля-частинки вчені повинні мати справу з ймовірністю знаходження електрона в певній точці простору. Для цього потрібно розробка квантової механіки, яка використовує хвильові функції для опису математичної залежності між рухом електронів в атомах і молекулах і їх енергіями.

• Хвильові функції: представлені ψ, квадратом хвильової функції, ψ ², надає інформацію про розташування електрона, коли він знаходиться в дозволеному енергетичному стані.
• Щільність ймовірності: представлена ^λ2, значенням, яке представляє ймовірність того, що електрон буде знайдений в даній точці простору
• Електронна щільність: ймовірність знаходження електрона і в будь-якій конкретній точці атома. Дорівнює ψ ².

Орбіталі та квантові числа

- Орбітальний: дозволений енергетичний стан електрона в квантово-механічній моделі атома; також використовується для опису просторового розподілу електрона. Визначається значенням 3 квантових чисел; n, l і m _l.

Значення l	0	1	2	3
Буква використана	s	р	d	f

1. Головне квантове число n може мати інтегральні значення 1, 2, 3 тощо. При збільшенні n орбіталь стає більшою; електрон має більш високу енергію і знаходиться далі від ядра.
2. Друге квантове число, l, може мати інтегральні значення від 0 до n — 1 для кожного значення n. Це квантове число визначає форму орбіти. Зазвичай позначаються буквами s, p, d і f. Вони відповідають значенням від 0 до 3.
3. Магнітне квантове число, m _l, може мати інтегральні значення між l і —l, включаючи нуль. Це квантове число описує орієнтацію орбіти в просторі.

Електронна оболонка: колекція орбіталів з однаковим значенням n

Subshell: одна або кілька орбіталей з однаковою множиною значень n та l

1. Кожна оболонка ділиться на кількість підоболонок, що дорівнює основному квантовому числу, n, для цієї оболонки. Перша оболонка складається лише з підоболонки 1s; друга оболонка складається з двох підоболонок, 2s та 2p; третя з трьох підоболонок, 3s, 3p та 3d тощо.
2. Кожна підоболонка ділиться на орбіталі. Кожна s підоболонка складається з однієї орбітальної; кожна p підоболонка з трьох орбіталів, кожна d підоболонка з п'яти, і кожна f підоболонки з семи орбіталів.

3D представлення орбіталів

Орбіталі з l = 0 є s орбіталями і сферично симетричні, з найбільшою ймовірністю знаходження електрона, що виникає у ядра. Орбіталі зі значеннями n > 1 і l = 0 містять один або кілька вузлів. Орбіталі з l = 1 є p орбіталями і містять вузлову площину, яка включає ядро, породжуючи форму гантелі. Орбіталі з l = 2 є d орбіталями і мають більш складні форми з принаймні двома вузловими поверхнями. l = 3 орбіталі - це орбіталі f, які все ще більш складні.

S Orbitals: 1s орбітальна: найбільш стабільна, сферично симетрична, цифра вказує на те, що ймовірність зменшується, коли ми віддаляємось від ядра. ВСІ S ОРБІТАЛІ СФЕРИЧНО СИМЕТРИЧНІ.

• Вузлові поверхні (вузли): проміжні області, де ψ ² йде в нуль. Кількість вузлів збільшується зі збільшенням значення для основного квантового числа, n.

p Орбіталі: Електронна щільність зосереджена з двох сторін ядра, розділених вузлом у ядра. Орбіталі даної підоболонки мають однаковий розмір і форму, але відрізняються один від одного орієнтацією. Вісь, по якій орієнтована орбіта, не пов'язана з m _l.

Багатоелектронні атоми

Крім трьох квантових чисел (\(n\),,\(m_l\))\(l\), продиктованих квантовою механікою, для пояснення певних властивостей атомів потрібно четверте квантове число. Це електронне спінове квантове число (\(m_s\)), яке може мати значення +½ або −½ для будь-якого електрона, що відповідає двом можливим орієнтаціям електрона в магнітному полі. Це важливо для хімії, оскільки принцип виключення Паулі передбачає, що жодна орбітальна не може містити більше двох електронів (з протилежним спіном).

Хоча форми орбіталей для багатоелектронних атомів такі ж, як і для водню, наявність більше одного електрона сильно змінює енергії орбіталей. У водні енергія орбіти залежить тільки від її основного квантового числа, однак у багатоелектронних атомах електронно-електронні відбиття викликають різні підоболонки при різних енергіях

Ефективний ядерний заряд

• Ефективний ядерний заряд: чистий позитивний заряд, що привертає електрони

\[Z_{eff} = Z – S\]

де\(Z_{eff}\) - ефективний ядерний заряд,\(Z\) - це кількість протонів в ядрі, і середнє число електронів між дром і електроном, про\(S\) який йде мова.

• Ефект скринінгу: вплив внутрішніх електронів на зменшення ядерного заряду зовнішніх електронів

Енергії орбіталів

Ступінь, в якій електрон буде екранований іншими електронами, залежить від його розподілу електронів, коли ми рухаємося назовні від ядра.

• У багатоелектронному атомі при заданому значенні n _{коефіцієнт Z зменшується} зі збільшенням значення l.
• У багатоелектронному атомі при заданому значенні n енергія орбіти збільшується зі збільшенням значення l.

Вироджені: орбіталі, які мають однакову енергію

Електронний спін та принцип виключення Паулі

• Електронний спін: властивість електрона, яка змушує його вести себе так, ніби це крихітний магніт. Електрон поводиться так, ніби обертається на своїй осі; електронний спін квантується.
• Електронне спінове квантове число: позначається як m _s. Він може мати лише два можливі значення, +½ та —½, які ми можемо інтерпретувати як вказівку двох протилежних напрямків, в яких електрон може обертатися.
• Принцип виключення Паулі: стверджує, що жоден два електрони в атомі не може мати однаковий набір чотирьох квантових чисел n, l, m _l, m _s. Це означає, що якщо ми хочемо поставити два електрони в орбіталі і задовольнити принцип виключення Паулі, наш єдиний вибір - призначити різні значення m _s електронів. Оскільки є всього два значення, можна зробити висновок, що орбіталь може утримувати максимум два електрони і вони повинні мати протилежні спини.

Конфігурації електронів

Спираючись на принцип Паулі і знання орбітальних енергій, отриманих за допомогою воднеподібних орбіталей, можна побудувати таблицю Менделєєва шляхом заповнення наявних орбіталів, починаючи з орбіталів найнижчої енергії (принцип ауфбау), що породжує певне розташування електронів для кожного елемента (його електронної конфігурації). Правило Гунда говорить, що найбільш низькоенергетичне розташування електронів - це те, що поміщає їх на вироджені орбіталі з паралельними спинами.

• Електронна конфігурація: спосіб розподілу електронів між різними орбіталями. Найбільш стабільна, або наземна, електронна конфігурація атома - це та, в якій електрони знаходяться в мінімально можливому енергетичному рівні
• Орбітальна діаграма: представлення електронної конфігурації, в якій кожна орбіталь представлена коробкою, а кожен електрон - напівстрілкою. Половинна стрілка, спрямована вгору, являє собою електрон з позитивним спіном; одна спрямована вниз являє собою електрон з негативним спіном.

Написання електронних конфігурацій

• Правило Гунда: правило про те, що електрони займають вироджені орбіталі таким чином, щоб максимально збільшити кількість електронів з однаковим спіном. Іншими словами, кожна орбіталь має один електрон, поміщений в неї до того, як відбудеться парирування електрона на орбіталі. Відзначимо, що це правило стосується орбіталів, які вироджені, а це означає, що вони мають однакову енергію.
• Валентні електрони: електрони в зовнішніх оболонках
• Електрони ядра: електрони у внутрішніх оболонках
• Перехідні елементи: ака Перехідні метали; елементи d орбіталів
• Лантаноїдні елементи: ака рідкісноземельних елементів; 14 елементів орбіталів 4f, # 58-71
• Актинідні елементи: 14 елементів 5f орбіталей, # 90-103. Більшість не зустрічається в природі.

Конфігурації електронів та періодична таблиця

Розташування атомів в таблиці Менделєєва призводить до того, що блоки відповідають заповненню орбіталей ns, np, nd і nf для отримання відмінних хімічних властивостей елементів у блоці s, блоці p, блоці d та f блоці відповідно.

• Основні елементи групи: ака Представники; s і p елементи блоку
• F-блокові метали: 28 елементів, розташованих під таблицею, f блокових елементів