Các ký hiệu quang phổ là sự sắp xếp của mức năng lượng electron xung quanh hạt nhân của một nguyên tử. Theo mô hình nguyên tử Bohr cũ, các electron chiếm nhiều mức khác nhau trong các quỹ đạo xung quanh hạt nhân, từ lớp vỏ đầu tiên gần hạt nhân nhất, K, đến lớp vỏ thứ bảy, Q, lớp vỏ xa hạt nhân nhất.
Về mô hình cơ học lượng tử tinh vi hơn, các lớp vỏ KQ được chia nhỏ thành một tập hợp các obitan, mỗi obitan có thể được chiếm bởi không quá một cặp electron.
Thông thường, cấu hình electron được sử dụng để mô tả các obitan của nguyên tử ở trạng thái cơ bản, nhưng nó cũng có thể được sử dụng để biểu diễn một nguyên tử đã ion hóa thành cation hoặc anion, bù đắp cho sự mất mát hoặc thu được của các electron trong các obitan tương ứng của chúng.
Nhiều đặc tính vật lý và hóa học của các nguyên tố có thể tương quan với các cấu hình điện tử duy nhất của chúng. Các điện tử hóa trị, các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng, là yếu tố quyết định tính chất hóa học độc đáo của nguyên tố.
Khi các electron ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử nhận được một loại năng lượng nào đó, chúng sẽ chuyển sang các lớp có năng lượng cao hơn. Như vậy, một electron ở vỏ K sẽ được chuyển sang vỏ L khi ở trạng thái năng lượng cao hơn.
Khi electron trở về trạng thái cơ bản, nó giải phóng năng lượng mà nó hấp thụ bằng cách phát ra quang phổ điện từ (ánh sáng). Vì mỗi nguyên tử có một cấu hình điện tử cụ thể, nó cũng sẽ có một phổ cụ thể sẽ được gọi là phổ hấp thụ (hoặc phát xạ).
Vì lý do này, thuật ngữ ký hiệu quang phổ được sử dụng để chỉ cấu hình electron.
Cách xác định ký hiệu quang phổ: số lượng tử
Tổng cộng có bốn số lượng tử được sử dụng để mô tả đầy đủ chuyển động và quỹ đạo của mỗi electron trong nguyên tử.
Sự kết hợp của tất cả các số lượng tử của tất cả các electron trong nguyên tử được mô tả bằng hàm sóng đáp ứng phương trình Schrödinger. Mỗi electron trong nguyên tử có một bộ số lượng tử duy nhất.
Theo Nguyên tắc Loại trừ Pauli, hai electron không thể chia sẻ cùng một tổ hợp của bốn số lượng tử.
Số lượng tử rất quan trọng vì chúng có thể được sử dụng để xác định cấu hình electron của nguyên tử và vị trí có thể có của các electron trong nguyên tử.
Số lượng tử cũng được sử dụng để xác định các đặc điểm khác của nguyên tử, chẳng hạn như năng lượng ion hóa và bán kính nguyên tử.
Số lượng tử chỉ định các lớp vỏ, vỏ con, obitan và spin của các electron cụ thể.
Điều này có nghĩa là chúng mô tả đầy đủ các đặc điểm của electron trong nguyên tử, tức là chúng mô tả từng nghiệm duy nhất cho phương trình Schrödinger, hay hàm sóng, của electron trong nguyên tử.
Có tổng cộng bốn số lượng tử: số lượng tử chính (n), số lượng tử mômen động lượng quỹ đạo (l), số lượng tử từ tính (ml) và số lượng tử spin điện tử (ms).
Số lượng tử chính, nn, mô tả năng lượng của một electron và khoảng cách có thể xảy ra nhất của electron từ hạt nhân. Nói cách khác, nó đề cập đến kích thước của quỹ đạo và mức năng lượng mà tại đó một electron được đặt vào.
Số lượng các vỏ con, hoặc ll, mô tả hình dạng của quỹ đạo. Nó cũng có thể được sử dụng để xác định số lượng các nút góc.
Số lượng tử từ tính, ml, mô tả các mức năng lượng trong một lớp vỏ con, và ms đề cập đến spin trên electron, có thể lên hoặc xuống.
Nguyên tắc aufbau
Aufbau xuất phát từ tiếng Đức "Aufbauen" có nghĩa là "xây dựng." Về bản chất, bằng cách viết cấu hình electron, chúng ta đang xây dựng các obitan electron khi chúng ta di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.
Khi chúng ta viết cấu hình electron của một nguyên tử, chúng ta sẽ điền vào các obitan theo thứ tự tăng dần của số nguyên tử.
Nguyên lý Aufbau bắt nguồn từ nguyên lý loại trừ Pauli nói rằng không có hai fermion (ví dụ như electron) trong một nguyên tử.
Chúng có thể có cùng một bộ số lượng tử, vì vậy chúng phải "xếp chồng" ở mức năng lượng cao hơn. Làm thế nào các electron tích tụ là một vấn đề của cấu hình electron.
Nguyên tử bền có nhiều electron như proton trong hạt nhân. Các electron tập hợp xung quanh hạt nhân trong các obitan lượng tử tuân theo bốn quy tắc cơ bản được gọi là nguyên lý Aufbau.
- Không có hai electron nào trong nguyên tử có cùng bốn số lượng tử n, l, m và s.
- Các electron sẽ chiếm các obitan có mức năng lượng thấp nhất trước.
- Các electron sẽ luôn lấp đầy các obitan có cùng số spin. Khi các obitan đầy, nó sẽ bắt đầu.
- Các electron sẽ điền vào các obitan bằng tổng các số lượng tử n và l. Các quỹ đạo có giá trị bằng (n + l) sẽ được điền trước bằng n giá trị thấp hơn.
Quy tắc thứ hai và thứ tư về cơ bản giống nhau. Một ví dụ về quy tắc bốn sẽ là các obitan 2p và 3s.
Một quỹ đạo 2p là n = 2 và l = 2 và một quỹ đạo 3s là n = 3 và l = 1. (N + l) = 4 trong cả hai trường hợp, nhưng quỹ đạo 2p có năng lượng thấp nhất hoặc giá trị n thấp nhất và sẽ lấp đầy trước lớp 3s.
Hình 2: Sơ đồ Moeller điền vào cấu hình electron.
May mắn thay, sơ đồ Moeller trong Hình 2 có thể được sử dụng để điền electron. Biểu đồ được đọc bằng cách chạy các đường chéo từ 1s.
Hình 2 cho thấy các obitan nguyên tử và các mũi tên đi theo hướng về phía trước.
Bây giờ thứ tự của các obitan đã được điền vào, điều duy nhất còn lại là ghi nhớ kích thước của từng quỹ đạo.
Các obitan S có 1 giá trị có thể là m l để chứa 2 electron
Các obitan p có 3 giá trị có thể là ml để chứa 6 electron
Các obitan D có 5 giá trị µl có thể chứa 10 electron
Các obitan F có 7 giá trị có thể có của m l để chứa 14 electron
Đây là tất cả những gì cần thiết để xác định cấu hình điện tử của nguyên tử bền của một nguyên tố.
Ví dụ, lấy nguyên tố nitơ. Nitơ có bảy proton và do đó bảy electron. Quỹ đạo đầu tiên cần điền là quỹ đạo 1s. Một obitan s có hai electron nên còn lại năm electron.
Quỹ đạo tiếp theo là quỹ đạo 2s và chứa hai quỹ đạo tiếp theo. Ba điện tử cuối cùng sẽ đi đến quỹ đạo 2p có thể chứa tối đa sáu điện tử.
Quy tắc của Hund
Phần của Aufbau đã thảo luận về cách các electron lấp đầy các obitan năng lượng thấp nhất trước và sau đó di chuyển lên các obitan năng lượng cao nhất chỉ sau khi các obitan năng lượng thấp nhất đã đầy.
Tuy nhiên, có một vấn đề với quy tắc này. Chắc chắn, các obitan 1s phải được lấp đầy trước các obitan 2s, vì các obitan 1s có giá trị n thấp hơn, và do đó năng lượng thấp hơn.
Và ba obitan 2p khác nhau? Chúng nên được điền theo thứ tự nào? Câu trả lời cho câu hỏi này liên quan đến quy tắc của Hund.
Quy tắc của Hund nói rằng:
- Mỗi quỹ đạo trong một cấp độ phân chia lại được chiếm giữ riêng lẻ trước khi bất kỳ quỹ đạo nào bị chiếm đóng kép.
- Tất cả các electron trong các obitan bị chiếm giữ riêng lẻ đều có spin giống nhau (để tổng spin tối đa).
Khi các electron được gán cho các obitan, trước tiên một electron tìm cách lấp đầy tất cả các obitan bằng năng lượng tương tự (còn gọi là các obitan suy biến) trước khi ghép đôi với một electron khác trong một quỹ đạo bán đầy.
Nguyên tử ở trạng thái cơ bản có xu hướng có càng nhiều electron chưa ghép đôi càng tốt. Khi hình dung quá trình này, hãy xem xét cách các electron thể hiện hành vi giống như các cực trong nam châm nếu chúng tiếp xúc.
Khi các electron mang điện tích âm lấp đầy các obitan, đầu tiên chúng cố gắng đi ra xa nhau nhất có thể trước khi phải ghép đôi.
Người giới thiệu
- Anastasiya Kamenko, TE (2017, ngày 24 tháng 3). Số lượng tử. Được khôi phục từ chem.libretexts.org.
- Nguyên tắc aufbau. (2015, ngày 3 tháng 6). Được khôi phục từ chem.libretexts.org.
- Cấu hình electron và tính chất của nguyên tử. (SF). Được khôi phục từ oneonta.edu.
- Encyclopædia Britannica. (2011, ngày 7 tháng 9). Cấu hình điện tử. Phục hồi từ britannica.com.
- Helmenstine, T. (2017, ngày 7 tháng 3). Nguyên lý Aufbau - Cấu trúc điện tử và nguyên lý Aufbau. Phục hồi từ thinkco.com.
- Quy tắc của Hund. (2015, ngày 18 tháng 7). Được khôi phục từ chem.libretexts.org.
- Kí hiệu quang phổ. (SF). Được khôi phục từ bcs.whfreeman.com.