Moeller-diagram: hvad det er, hvordan det bruges i kemi og eksempler

Kemi kan være særligt kompliceret, så ethvert værktøj, der letter læring for dem, der bliver introduceret til det, er velkomne.

En af de mest populære metoder til at blive fortrolig med Madelungs regel og atomernes elektronkonfiguration er Moeller-diagrammet, en grafisk mnemonisk regel, der gør det meget nemt at se, i hvilke orbitaler elektroner.

Næste vi skal finde ud af, hvad Moeller-diagrammet består af, hvordan det forholder sig til Madelungs regel, hvordan det anvendes ved hjælp af et par løste eksempler, og hvilke kemiske grundstoffer der ikke adlyder denne strategi.

• Relateret artikel: "De 5 typer kemiske bindinger: sådan er stof sammensat"

Hvad er Møller-diagrammet?

Moeller-diagrammet, også kendt som regnmetoden eller reglen om diagonaler, er en grafisk og mnemonisk metode til at lære Madelungs regel, en teknik til at kende og skrive den elektroniske konfiguration af kemiske elementer.

Dette diagram er karakteriseret ved at tegne diagonaler gennem orbitalernes søjler, fra top til bund fra højre mod venstre. Gennem Moeller-diagrammet defineres en rækkefølge i fyldningen af ​​orbitalerne, som vil blive defineret af tre kvantetal: n, l og ml.

Moeller-diagrammet fungerer efter følgende:

Hver søjle svarer til en anden orbital, gennem hvilken elektronerne i et atom cirkulerer, subatomære partikler, der har en negativ ladning. De pågældende orbitaler er: s, p, d og f, hver med et specifikt rum til at huse elektroner og derfor forskellige energiniveauer.

Hvis vi tegner diagonalerne eller pilene i førnævnte betydning, har vi, at den første orbital er 1s. Den anden pil begynder med 2s orbitalen. Den tredje pil krydser 2p og 3s. Den fjerde diagonal er 3p og 4s. Den femte diagonal er 3d, 4p og 5s og så videre. Moeller-diagrammet er en introduktionsteknik for dem, der begynder at studere de elektroniske konfigurationer af elementerne i det periodiske system i kemi.

• Du kan være interesseret i: "De 6 hovedgrene af naturvidenskaben"

Madelungs styre

Siden Møller-diagrammet er den grafiske fremstilling af Madelungs styre (også kendt som Klechkovskys styre i nogle lande) skal vi først vide, hvad det handler om. Ifølge denne regel skal fyldningen af ​​et atoms orbitaler overholde følgende to regler:

Madelungs første regel

Orbitalerne med de laveste værdier af n + l udfyldes først, hvor n er det primære kvantetal, og l er det orbitale vinkelmoment..

For eksempel svarer 3d orbitalen til n = 3 og l = 2. Derfor er n + l = 3 + 2 = 5. I stedet svarer 4s orbitalen til n = 4 og l = 0, derfor er n + l = 4 + 0 = 4. Heraf fastslås det, at elektronerne fylder 4s orbitalen først før 3d, fordi 4s = 4 mens 3d = 5.

• Relateret artikel: "De 11 typer af kemiske reaktioner"

Madelungs anden regel

Hvis to orbitaler har samme værdi af n + l, vil elektronerne optage den med den laveste værdi af n først.

For eksempel har 3d orbitalen en værdi på n + l = 5, identisk med den for 4p orbitalen (4 + 1 = 5), men da 3d orbitalen har den laveste værdi for n, vil den blive udfyldt først end 4p orbital.

Ud fra alle disse observationer og regler kan følgende rækkefølge nås ved udfyldning af atomorbitaler: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p. Selvom denne rækkefølge er fast, er det kompliceret at huske den udenad, hvorfor der er et Moeller-diagram, der grafisk repræsenterer dens rækkefølge.

• Du kan være interesseret i: "De 9 postulater af Daltons atomteori"

Trin, der skal følges, når du bruger Moeller-diagrammet

Som vi har kommenteret i det foregående afsnit, bruger Madelungs regel formlen n + l til at fastslå hvad orbitaler udfyldes før og fra det bestemmer, hvad der er den elektroniske konfiguration af et element fast besluttet. Imidlertid repræsenterer Moeller-diagrammet allerede dette grafisk og nemt, så det er nok at følge kolonner af det samme diagram og tegn diagonaler for at finde ud af, i hvilken rækkefølge orbitalerne for hver element.

For at opdage den elektroniske konfiguration af et atom og i hvilke orbitaler dets elektroner er placeret, skal vi først kende dets atomnummer Z. Tallet Z svarer til antallet af elektroner i et atom, så længe dette atom er neutralt, eller hvad der er det samme, at det ikke er en ion, hverken positiv (kation) eller negativ (anion).

Når vi kender Z for et neutralt atom, ved vi allerede, hvor mange elektroner et neutralt atom i det element normalt har. Med dette i tankerne vil vi begynde at tegne diagonalerne på Moeller-diagrammet. Vi skal tage i betragtning, at hver type orbital har en forskellig kapacitet til at huse elektroner, som er:

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

Den stopper ved orbitalen, hvor den sidste elektron givet af Z har været optaget.

Møller diagram eksempler

For bedre at forstå, hvordan Moeller-diagrammet fungerer, vil vi nedenfor se et par praktiske eksempler på indstilling af elektronkonfigurationen af ​​forskellige elementer.

Beryllium

For at etablere den elektroniske konfiguration af et neutralt beryllium (Be) atom, hvad vi først skal gøre er at kigge efter det i det periodiske system, en jordalkali, der er placeret i anden kolonne og anden række i tabellen. Dens atomnummer er 4, derfor er Z = 4, og den har også 4 elektroner.

Tager vi alt dette i betragtning, vil vi bruge Moeller-diagrammet til at se, hvordan de 4 elektroner i dette element er placeret. Vi starter med at lave diagonaler i førnævnte forstand, fra top til bund og fra højre mod venstre.

Når vi udfylder orbitaler, Det anbefales at sætte antallet af elektroner, der findes i hver af dem, som et overskrift. Da 1s er den første orbital, og den optager to elektroner, vil vi skrive den:

Da vi stadig har frie elektroner, fortsætter vi med at udfylde orbitaler. Dernæst er 2'er-orbitalen, og som med 1'er optager den 2 elektroner, derfor 2s2. Da vi allerede har alle elektronerne godt placeret i orbitaler af det neutrale atom i Be, kan vi sige, at den elektroniske konfiguration af dette element er:

Vi sikrer os, at vi har gjort det godt ved at tilføje overskriften: 2 + 2 = 4

• Du kan være interesseret i: "Molekylær kinetisk teori: stoffets 3 tilstande"

Match

Grundstoffet phosphor (P) er et ikke-metal, der findes i tredje række og kolonne 16 i det periodiske system, med Z = 15, derfor har den 15 elektroner i alt, der skal optage orbitalerne.

Efter at have set det foregående eksempel, kan vi bevæge os lidt frem og lokalisere 4 af dets elektroner i de samme orbitaler som beryllium har til sine 4 elektroner, mangler 9 elektroner plus.

Efter 2s orbitalen går den næste diagonal ind i 2p orbitalen og ender ved 3s orbitalen. 2p orbitalen kan optage 6 elektroner, og i tilfælde af 3s kun 2. Vi ville således have:

I øjeblikket har vi 12 elektroner godt placeret, men vi har stadig 3 mere tilbage. Vi laver endnu en diagonal og denne gang går vi ind gennem 3p orbitalen ifølge Moeller diagrammet, en orbital der har plads til 6 elektroner, men da vi kun har 3 elektroner tilbage, vil denne orbital ikke være helt optaget, hvilket sætter 3 som et overskrift. For at afslutte fosfor er dens elektroniske konfiguration som følger:

Vi sikrer os, at vi har gjort det godt ved at tilføje overskriften: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15

Zirkonium

Grundstoffet zirconium (Zr) er et overgangsmetal fundet i kolonne 4 og række 5 og har en Z = 40. Ved at forkorte vejen ved at drage fordel af det foregående eksempel, kan vi lokalisere de første 18 elektroner.

Efter 3p-orbitalen er de næste, der skal fyldes op, som guider os med Moeller-diagrammet, 4s-, 3d-, 4p- og 5s-orbitalerne med kapacitet til henholdsvis 2, 10, 6 og 2 elektroner.

At færdiggøre de første ni orbitaler i diagrammet tilføjer i alt 20 elektroner, efterlader de 2 resterende elektroner, der er indeholdt i den næste orbital, 4d. Således er elektronkonfigurationen af ​​det neutrale element zirconium:

Vi sikrer os, at vi har gjort det godt ved at tilføje overskriften: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 2 = 40

Ilt

Her ser vi et lidt mere kompliceret eksempel, nemlig oxygen (O). Denne gas findes i kolonne 16 og række 2 i det periodiske system, det er et ikke-metal og har et atomnummer på 8.

Indtil videre, ser vi på de andre eksempler, ville vi tro, at dens Z = 8, men det er ikke så simpelt, da denne gas er af en speciel karakter, næsten altid i form af en ion med en ladning på -2.

Dette betyder, at selvom et neutralt oxygenatom har 8 elektroner som angivet ved dets atomnummer, så gør det Det er rigtigt, at det i naturen har mere, i sit tilfælde 10 (8 elektroner + 2 elektroner eller, hvis du foretrækker det, -8 ladning elektrisk -2).

Så i dette tilfælde, antallet af elektroner, som vi skal lokalisere i orbitalerne, er ikke 8, men 10 elektroner, som om vi lokaliserede elektronerne i det kemiske grundstof neon, der har Z = 10.

For at forstå dette, behøver vi kun at gøre det samme, som vi har gjort i de tidligere tilfælde, kun under hensyntagen til, at vi arbejder med en ion (anion):

Vi sikrer os, at vi har gjort det godt ved at tilføje overskriften: 2 + 2 + 6 = 10

Kalk

Noget der ligner ilt sker med calcium (Ca), kun i dette tilfælde taler vi om en kation, det vil sige en ion med en positiv ladning.

Dette grundstof findes i kolonne 2, række 4 i det periodiske system med et atomnummer på 20, dog i Naturen præsenteres normalt i form af en ion med en positiv ladning +2, hvilket betyder, at dens elektroniske ladning er 18 (- 20 + 2 = 18; 20 elektroner - 2 elektroner = 18 elektroner).

Vi sikrer os, at vi har gjort det godt ved at tilføje de hævede tekster: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Undtagelser fra Moeller-diagrammet og Madelungs regel

Selvom Moeller-diagrammet er meget nyttigt til at forstå Madelungs regel og for at vide, hvordan elektronerne i de forskellige kemiske grundstoffer er placeret, er sandheden, at det ikke er ufejlbarligt. Der er visse stoffer, hvis sammensætning ikke overholder det, vi har forklaret.

Deres elektronkonfigurationer adskiller sig eksperimentelt fra dem, der er forudsagt af Madelungs regel af kvantemæssige årsager.. Blandt disse grundstoffer, der ikke følger standarderne, har vi: krom (Cr, Z = 24), kobber (Cu, Z = 29), sølv (Ag, Z = 47), rhodium (Rh, Z = 45), cerium ( Ce, Z = 58), niobium (Nb; Z = 41), blandt andre.

Undtagelser er meget hyppige ved udfyldning af d- og f-orbitaler. For eksempel, i tilfælde af chrom, som skulle have en valenskonfiguration, der slutter på 4s ^ 2 3d ^ 4 ifølge Moeller-diagrammet og Madelungs regel, har det faktisk en valenskonfiguration på 4s ^ 1 3d ^ 5. Et andet mærkeligt eksempel er sølv, der i stedet for at have 5s ^ 2 4d ^ 9 som det sidste har 5s ^ 1 4d ^ 10.