ĐIỆN TỬ VI PHÂN: SỐ LƯỢNG TỬ VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2024

Các khác biệt hay phân biệt electron là electron cuối cùng được đặt trong chuỗi các cấu hình electron của một nguyên tử. Tên của nó là gì? Để trả lời câu hỏi này, cấu trúc cơ bản của nguyên tử là cần thiết: hạt nhân của nó, chân không và các electron.

Hạt nhân là một tập hợp dày đặc và chặt chẽ của các hạt dương được gọi là proton, và của các hạt trung hòa gọi là neutron. Các proton xác định số nguyên tử Z và cùng với neutron tạo nên khối lượng nguyên tử. Tuy nhiên, một nguyên tử không thể chỉ mang điện tích dương; do đó các electron quay quanh hạt nhân để trung hòa nó.

Vì vậy, đối với mỗi proton tham gia vào hạt nhân, một electron mới tham gia vào các obitan của nó để chống lại sự gia tăng điện tích dương. Bằng cách này, electron mới được thêm vào, electron vi phân, có liên quan chặt chẽ với số hiệu nguyên tử Z.

Electron vi phân nằm ở lớp vỏ điện tử ngoài cùng: lớp vỏ hóa trị. Do đó, bạn càng ở xa hạt nhân thì năng lượng liên kết với nó càng lớn. Chính năng lượng này là nguyên nhân dẫn đến sự tham gia của chúng, cũng như của phần còn lại của các electron hóa trị, trong các phản ứng hóa học đặc trưng của các nguyên tố.

Số lượng tử

Giống như phần còn lại của các electron, electron vi phân có thể được xác định bằng bốn số lượng tử của nó. Nhưng số lượng tử là gì? Chúng là "n", "l", "m" và "s".

Số lượng tử "n" biểu thị kích thước của nguyên tử và các mức năng lượng (K, L, M, N, O, P, Q). «L» là số lượng tử phụ hoặc phương vị, cho biết hình dạng của các obitan nguyên tử và nhận các giá trị 0, 1, 2 và 3 cho các obitan «s», «p», «d» và «f» , tương ứng.

"M" là số lượng tử từ tính và cho biết định hướng không gian của các obitan dưới từ trường. Do đó, 0 cho quỹ đạo «s»; -1, 0, +1, cho quỹ đạo "p"; -2, -1, 0, +1, +2, cho quỹ đạo "d"; và -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, cho quỹ đạo "f". Cuối cùng, số lượng tử spin «s» (+1/2 cho ↑, và -1/2 cho ↓).

Do đó, một electron vi phân đã liên kết các số lượng tử trước đó ("n", "l", "m", "s"). Vì nó chống lại điện tích dương mới được tạo ra bởi proton phụ, nó cũng cung cấp số nguyên tử Z của nguyên tố.

Làm thế nào để biết electron vi phân?

Hình ảnh trên đại diện cho cấu hình electron cho các nguyên tố từ khí hydro đến khí neon (H → Ne).

Trong trường hợp này, các electron của các lớp vỏ mở được biểu thị bằng màu đỏ, trong khi các electron của các lớp vỏ đóng được biểu thị bằng màu xanh lam. Các lớp liên quan đến số lượng tử "n", lớp đầu tiên trong bốn lớp.

Bằng cách này, cấu hình hóa trị của H (↑ màu đỏ) thêm một điện tử khác có hướng ngược lại để trở thành cấu hình của He (↓ ↑, cả hai màu xanh lam vì bây giờ mức 1 bị đóng). Điện tử được thêm vào này sau đó là điện tử vi phân.

Do đó, bằng đồ thị có thể thấy cách electron vi phân bổ sung vào vỏ hóa trị (mũi tên màu đỏ) của các nguyên tố, phân biệt chúng với nhau. Các electron lấp đầy các obitan tuân theo quy tắc Hund và nguyên tắc loại trừ của Pauling (được quan sát hoàn hảo từ B đến Ne).

Và những gì về số lượng tử? Chúng xác định từng mũi tên - tức là từng electron - và giá trị của chúng có thể được chứng thực với cấu hình electron để biết liệu chúng có phải là của electron vi phân hay không.

Ví dụ trong nhiều phần tử

Clo

Trong trường hợp của clo (Cl), số hiệu nguyên tử Z của nó bằng 17. Cấu hình electron khi đó là 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁵ . Các obitan được đánh dấu màu đỏ tương ứng với các obitan của vỏ hóa trị, có bậc 3 mở.

Electron vi phân là electron cuối cùng được đặt trong cấu hình electron, và nguyên tử clo là electron của quỹ đạo 3p, có sự sắp xếp như sau:

↑ ↓

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

Tuân theo quy tắc Hund, các obitan 3p có năng lượng bằng nhau sẽ được lấp đầy trước (mũi tên lên trên mỗi quỹ đạo). Thứ hai, các electron khác ghép đôi với các electron đơn lẻ từ trái sang phải. Electron vi phân được biểu diễn trong khung màu xanh lục.

Như vậy, electron vi phân đối với clo có các số lượng tử sau: (3, 1, 0, -1/2). Đó là, "n" là 3; "L" là 1, quỹ đạo "p"; "M" là 0, vì nó là quỹ đạo "p" ở giữa; và "s" là -1/2, vì mũi tên hướng xuống.

Magiê

Cấu hình electron của nguyên tử magie là 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² , đại diện cho obitan và electron hóa trị của nó theo cùng một cách:

↑ ↓

3 giây

0

Lần này, electron vi phân có các số lượng tử 3, 0, 0, -1/2. Sự khác biệt duy nhất trong trường hợp này đối với clo là số lượng tử "l" là 0 vì electron chiếm một quỹ đạo "s" (3s).

Zirconium

Cấu hình electron của nguyên tử zirconi (kim loại chuyển tiếp) là 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ² . Tương tự như các trường hợp trước, biểu diễn của các obitan và electron hóa trị như sau:

Do đó, các số lượng tử của electron vi phân được đánh dấu màu xanh lá cây là: 4, 2, -1, +1/2. Ở đây, vì electron chiếm quỹ đạo "d" thứ hai nên nó có số lượng tử "m" bằng -1. Ngoài ra, vì mũi tên hướng lên, số spin của nó "s" bằng +1/2.

Phần tử không xác định

Các số lượng tử electron vi phân của một nguyên tố chưa biết là 3, 2, +2, -1/2. Số hiệu nguyên tử Z của nguyên tố là bao nhiêu? Biết Z, bạn có thể tìm ra nguyên tố là gì.

Lần này, vì "n" bằng 3, có nghĩa là nguyên tố đang ở chu kỳ thứ ba của bảng tuần hoàn, với các obitan "d" là vỏ hóa trị ("l" bằng 2). Do đó, các obitan được biểu diễn như trong ví dụ trước:

↑ ↓

Các số lượng tử "m" bằng +2 và "s" bằng -1/2, là chìa khóa để xác định vị trí chính xác của electron vi phân trong quỹ đạo 3d cuối cùng.

Do đó, nguyên tố đang được tìm kiếm có đầy đủ các obitan 3d ¹⁰ , cũng như các lớp vỏ điện tử bên trong của nó. Kết luận, nguyên tố là kim loại kẽm (Zn).

Tuy nhiên, các số lượng tử của electron vi phân không thể phân biệt giữa kẽm và đồng, bởi vì nguyên tố thứ hai cũng có đầy đủ các obitan 3d. Tại sao? Vì đồng là kim loại không tuân theo quy tắc điền electron vì lý do lượng tử.

Người giới thiệu

1. Jim Branson. (2013). Quy tắc của Hund. Được truy cập ngày 21 tháng 4 năm 2018, từ: quantummechanics.ucsd.edu
2. Bài giảng 27: Quy tắc của Hund. Truy cập ngày 21 tháng 4 năm 2018, từ: ph.qmul.ac.uk
3. Đại học Purdue. Số lượng tử và Cấu hình Electron. Được truy cập vào ngày 21 tháng 4 năm 2018, từ: chemed.chem.purdue.edu
4. Salvat Encyclopedia of Sciences. (Năm 1968). Física Salvat, SA de Ediciones Pamplona, ​​tập 12, Tây Ban Nha, trang 314-322.
5. Walter J. Moore. (Năm 1963). Hóa lý. Trong hạt và sóng. Ấn bản thứ tư, Longmans.