Диаграма на Мьолер: какво представлява, как се използва в химията и примери

Химията може да бъде особено сложна, така че всеки инструмент, който улеснява ученето за тези, които са запознати с нея, е добре дошъл.

Един от най-популярните методи за запознаване с правилото на Маделунг и електронната конфигурация на атомите е диаграмата на Мьолер, графично мнемонично правило, което прави много лесно да се види в кои орбитали електрони.

Следващия ще открием от какво се състои диаграмата на Мьолер, как е свързано с правилото на Маделунг, как се прилага с помощта на няколко решени примера и кои химични елементи не се подчиняват на тази стратегия.

• Свързана статия: "5-те вида химични връзки: ето как е съставена материята"

Какво представлява диаграмата на Мьолер?

Диаграмата на Мьолер, известна още като метода на дъжда или правилото на диагоналите, е графичен и мнемоничен метод за изучаване на правилото на Маделунг, техника за познаване и записване на електронната конфигурация на химичните елементи.

Тази диаграма се характеризира с изчертаване на диагонали през колоните на орбиталите, отгоре надолу от дясно на ляво. Чрез диаграмата на Мьолер се дефинира ред в запълването на орбиталите, който ще се дефинира от три квантови числа: n, l и ml.

Диаграмата на Moeller работи според следното:

Всяка колона съответства на различна орбитала, през която циркулират електроните на атома, субатомни частици, които имат отрицателен заряд. Въпросните орбитали са: s, p, d и f, всяка със специфично пространство за настаняване на електрони и следователно различни енергийни нива.

Ако начертаем диагоналите или стрелките в гореспоменатия смисъл, имаме, че първата орбитала е 1s. Втората стрелка започва с орбитала 2s. Третата стрелка пресича 2p и 3s. Четвъртият диагонал е 3p и 4s. Петият диагонал е 3d, 4p и 5s и така нататък. Диаграмата на Мьолер е въвеждаща техника за тези, които започват да изучават електронните конфигурации на елементите на периодичната таблица в химията.

• Може да се интересувате от: "6-те основни клона на природните науки"

Правилото на Маделунг

От диаграмата на Мьолер е графичното представяне на правилото на Маделунг (известно още като правилото на Клечковски в някои страни) първо трябва да разберем за какво става дума. Съгласно това правило запълването на орбиталите на атома трябва да се подчинява на следните две правила:

Първото правило на Маделунг

Първо се запълват орбиталите с най-ниски стойности на n + l, като n е главното квантово число, а l е орбиталният ъглов импулс..

Например, 3d орбитала съответства на n = 3 и l = 2. Следователно n + l = 3 + 2 = 5. Вместо това, 4s орбиталата съответства на n = 4 и l = 0, следователно n + l = 4 + 0 = 4. От това се установява, че електроните запълват първо 4s орбитала преди 3d, тъй като 4s = 4, докато 3d = 5.

• Свързана статия: "11-те вида химични реакции"

Второто правило на Маделунг

Ако две орбитали имат една и съща стойност n + l, електроните първо ще заемат тази с по-ниска стойност n.

Например, 3d орбитала има стойност n + l = 5, идентична с тази на 4p орбитала (4 + 1 = 5), но тъй като 3d орбитала има най-ниската стойност за n, тя ще бъде запълнена първа от 4p орбитала.

От всички тези наблюдения и правила може да се достигне до следния ред при запълване на атомните орбитали: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p. Въпреки че този ред е фиксиран, запомнянето му наизуст е сложно, поради което има диаграма на Moeller, която графично представя неговия ред.

• Може да се интересувате от: "9-те постулата на атомната теория на Далтън"

Стъпки, които трябва да следвате, когато използвате диаграмата на Moeller

Както коментирахме в предишния раздел, правилото на Маделунг използва формулата n + l, за да установи какво орбиталите се запълват преди и от това се определя каква е електронната конфигурация на елемента определени. Въпреки това, диаграмата на Moeller вече представя това графично и лесно, така че е достатъчно да следвате колони на една и съща диаграма и начертайте диагонали, за да разберете в какъв ред са орбиталите на всяка елемент.

За да открием електронната конфигурация на атома и в кои орбитали са разположени неговите електрони, първо трябва да знаем неговия атомен номер Z. Числото Z съответства на броя на електроните в един атом, стига този атом да е неутрален или каквото е същото, че не е йон, нито положителен (катион), нито отрицателен (анион).

По този начин, знаейки Z за неутрален атом, ние вече знаем колко електрона обикновено има неутрален атом на този елемент. Имайки това предвид, ще започнем да чертаем диагоналите на диаграмата на Мьолер. Трябва да вземем предвид, че всеки тип орбитала има различен капацитет да съхранява електрони, които са:

• s = 2 електрона
• p = 6 електрона
• d = 10 електрона
• f = 14 електрона

Той спира на орбиталата, където е зает последният електрон, даден от Z.

Примери за диаграма на Мьолер

За да разберем по-добре как работи диаграмата на Мьолер, по-долу ще видим няколко практически примера за настройка на електронната конфигурация на различни елементи.

Берилий

За да установим електронната конфигурация на неутрален берилиев (Be) атом, първо трябва да го потърсим в периодичната таблица, алкалоземна маса, която се намира във втората колона и втория ред на таблицата. Атомният му номер е 4, следователно Z = 4 и също има 4 електрона.

Като вземем предвид всичко това, ще използваме диаграмата на Мьолер, за да видим как са разположени 4-те електрона на този елемент. Започваме, като правим диагонали в гореспоменатия смисъл, отгоре надолу и отдясно наляво.

Когато запълваме орбитали, Препоръчително е броят на електроните, намиращи се във всеки от тях, да се постави като горен индекс. Тъй като 1s е първата орбитала и заема два електрона, ще го запишем:

Тъй като все още имаме свободни електрони, ние продължаваме да запълваме орбитали. Следва орбиталата 2s и, както при 1s, тя заема 2 електрона, следователно 2s2. Тъй като вече имаме всички електрони добре разположени в орбиталите на неутралния атом на Be, можем да кажем, че електронната конфигурация на този елемент е:

Уверяваме се, че сме се справили добре, като добавяме горните индекси: 2 + 2 = 4

• Може да се интересувате от: "Молекулярно-кинетична теория: 3-те състояния на материята"

Съвпада

Елементът фосфор (P) е неметал, намиращ се в третия ред и колона 16 на периодичната таблица, със Z = 15, следователно има общо 15 електрона, които трябва да заемат орбиталите.

След като видяхме предишния пример, можем да се придвижим малко напред и да намерим 4 от неговите електрони в същите орбитали, които берилият има за своите 4 електрона, липсват 9 електрона плюс.

След 2s орбитала, следващият диагонал влиза в 2p орбитала и завършва на 3s орбитала. 2p орбиталата може да заема 6 електрона, а в случай на 3s само 2. Така ще имаме:

В момента имаме 12 електрона добре разположени, но ни остават още 3. Правим друг диагонал и този път влизаме през 3p орбитала според диаграмата на Мьолер, орбитала, която има място за 6 електрона, но тъй като имаме само 3 останали електрона, тази орбитала няма да бъде напълно заета, поставяйки 3 като горен индекс. По този начин, за да се сложи край на фосфора, неговата електронна конфигурация е както следва:

Уверяваме се, че сме се справили добре, като добавим горните индекси: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15

цирконий

Елементът цирконий (Zr) е преходен метал, намиращ се в колона 4 и ред 5 и има Z = 40. Съкращавайки пътя, като се възползваме от предишния пример, можем да намерим първите 18 електрона.

След 3p орбиталата, следващите, които трябва да се запълнят, насочвайки ни с диаграмата на Мьолер, са 4s, 3d, 4p и 5s орбитали, с капацитет съответно за 2, 10, 6 и 2 електрона.

Завършването на първите девет орбитали в диаграмата добавя общо 20 електрона, оставяйки 2-та останали електрона, които се намират в следващата орбитала, 4d. По този начин електронната конфигурация на неутралния елемент цирконий е:

Уверяваме се, че сме се справили добре, като добавим горните индекси: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 2 = 40

Кислород

Тук виждаме малко по-сложен пример, който е кислород (O). Този газ се намира в колона 16 и ред 2 на периодичната таблица, той е неметал и има атомен номер 8.

Досега, разглеждайки другите примери, бихме си помислили, че Z = 8, но това не е толкова просто, тъй като този газ е от специална природа, почти винаги е под формата на йон със заряд -2.

Това означава, че въпреки че неутралният кислороден атом има 8 електрона, както е посочено от неговия атомен номер, той има Вярно е, че в природата той има повече, в неговия случай 10 (8 електрона + 2 електрона или, ако предпочитате, -8 заряд електрически -2).

Така че, в този случай, броят на електроните, които трябва да локализираме в орбиталите, не е 8, а 10 електрона, сякаш намираме електроните на химическия елемент неон, който има Z = 10.

Разбирайки това, трябва само да направим същото нещо, което правихме в предишните случаи, само като вземем предвид, че работим с йон (анион):

Уверяваме се, че сме се справили добре, като добавим горните индекси: 2 + 2 + 6 = 10

калций

Нещо подобно на кислорода се случва с калция (Ca), само че в този случай говорим за катион, тоест йон с положителен заряд.

Този елемент се намира в колона 2, ред 4 на периодичната таблица с атомен номер 20, но в Природата обикновено се представя под формата на йон с положителен заряд +2, което означава, че неговият електронен заряд е 18 (- 20 + 2 = 18; 20 електрона - 2 електрона = 18 електрона).

Уверяваме се, че сме се справили добре, като добавим горните индекси: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Изключения от диаграмата на Мьолер и правилото на Маделунг

Въпреки че диаграмата на Мьолер е много полезна, за да се разбере правилото на Маделунг и да се знае как са разположени електроните на различните химични елементи, истината е, че тя не е непогрешима. Има определени вещества, чийто състав не се подчинява на това, което обяснихме.

Техните електронни конфигурации се различават експериментално от тези, предвидени от правилото на Маделунг по квантови причини.. Сред тези елементи, които не следват стандартите, имаме: хром (Cr, Z = 24), мед (Cu, Z = 29), сребро (Ag, Z = 47), родий (Rh, Z = 45), церий ( Ce, Z = 58), ниобий (Nb; Z = 41), наред с други.

Изключенията са много чести при запълване на d и f орбитали. Например, в случая на хром, който трябва да има валентна конфигурация, завършваща на 4s ^ 2 3d ^ 4 според диаграмата на Мьолер и правилото на Маделунг, той всъщност има валентна конфигурация от 4s ^ 1 3d ^ 5. Друг странен пример е този със среброто, което вместо да има 5s ^ 2 4d ^ 9 като последно има 5s ^ 1 4d ^ 10.