Moelleri diagramm: mis see on, kuidas seda keemias kasutatakse ja näited

Keemia võib olla eriti keeruline, seega on teretulnud iga vahend, mis sellega tutvujale õppimist hõlbustab.

Üks populaarsemaid meetodeid Madelungi reegli ja aatomite elektronkonfiguratsiooniga tutvumiseks on Moelleri diagramm, graafiline mnemooniline reegel, mille abil on väga lihtne näha, millistel orbitaalidel on elektronid.

Edasi avastame, millest Moelleri diagramm koosneb, kuidas see on seotud Madelungi reegliga, kuidas seda mõne lahendatud näite abil rakendatakse ja millised keemilised elemendid sellele strateegiale ei allu.

• Seotud artikkel: "5 tüüpi keemilisi sidemeid: nii koosneb aine"

Mis on Moelleri diagramm?

Moelleri diagramm, tuntud ka kui vihmameetod või diagonaalide reegel, on graafiline ja mnemooniline meetod Madelungi reegli õppimiseks, tehnika keemiliste elementide elektroonilise konfiguratsiooni tundmiseks ja kirjutamiseks.

Seda diagrammi iseloomustab diagonaalide joonistamine läbi orbitaalide veergude ülalt alla paremalt vasakule. Moelleri diagrammi kaudu määratakse orbitaalide täitmise järjekord, mis määratakse kolme kvantarvuga: n, l ja ml.

Moelleri diagramm töötab järgmiselt:

Iga veerg vastab erinevale orbitaalile, mille kaudu ringlevad aatomi elektronid, subatomaarsed osakesed, millel on negatiivne laeng. Kõnealused orbitaalid on: s, p, d ja f, millest igaühel on konkreetne ruum elektronide majutamiseks ja seetõttu erinevad energiatasemed.

Kui joonistada diagonaalid või nooled ülalmainitud tähenduses, saame esimeseks orbitaaliks 1 s. Teine nool algab 2s orbitaaliga. Kolmas nool ületab 2p ja 3s. Neljas diagonaal on 3p ja 4s. Viies diagonaal on 3d, 4p ja 5s ja nii edasi. Moelleri diagramm on sissejuhatav tehnika neile, kes hakkavad keemias uurima perioodilisuse tabeli elementide elektroonilisi konfiguratsioone.

• Teid võivad huvitada: "Loodusteaduste 6 peamist haru"

Madelungi reegel

Alates Moelleri diagrammist on Madelungi reegli graafiline esitus (mõnes riigis tuntud ka kui Klechkovski valitsemisala) peame kõigepealt teadma, millega tegu. Selle reegli kohaselt peab aatomi orbitaalide täitmine järgima järgmisi kahte reeglit:

Madelungi esimene reegel

Esmalt täidetakse orbitaalid, mille väärtus on n + l, kusjuures n on peamine kvantarv ja l on orbitaali nurkimpulss..

Näiteks 3d orbitaal vastab n = 3 ja l = 2. Seetõttu n + l = 3 + 2 = 5. Selle asemel vastab 4s orbitaal n = 4 ja l = 0, seega n + l = 4 + 0 = 4. Selle põhjal tehakse kindlaks, et elektronid täidavad 4s orbitaali kõigepealt enne 3d orbitaali, sest 4s = 4, samas kui 3d = 5.

• Seotud artikkel: "11 tüüpi keemilisi reaktsioone"

Madelungi teine ​​reegel

Kui kahel orbitaalil on sama väärtus n + l, hõivavad elektronid kõigepealt madalama väärtusega n.

Näiteks 3d orbitaali väärtus on n + l = 5, mis on identne 4p orbitaali väärtusega (4 + 1 = 5), kuid kuna 3d orbitaali väärtus on n jaoks madalaim, täidetakse see enne 4p orbitaal.

Kõigist nendest tähelepanekutest ja reeglitest võib aatomiorbitaalide täitmisel jõuda järgmise järjestuseni: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p. Kuigi see järjekord on fikseeritud, on selle peast meeldejätmine keeruline, mistõttu on olemas Moelleri diagramm, mis kujutab selle järjestust graafiliselt.

• Teid võivad huvitada: "Daltoni aatomiteooria 9 postulaati"

Moelleri diagrammi kasutamisel järgitavad sammud

Nagu me eelmises jaotises kommenteerisime, kasutab Madelungi reegel valemit n + l, et teha kindlaks, mida orbitaalid täidetakse enne ja sellest määratakse kindlaks, milline on elemendi elektrooniline konfiguratsioon kindlaks määratud. Kuid Moelleri diagramm kujutab seda juba graafiliselt ja lihtsalt, nii et piisab, kui järgida sama diagrammi veerud ja joonistage diagonaalid, et teada saada, millises järjekorras kummagi orbitaalid on element.

Et teada saada aatomi elektroonilist konfiguratsiooni ja seda, millistel orbitaalidel selle elektronid asuvad, peame kõigepealt teadma selle aatomnumbrit Z. Arv Z vastab elektronide arvule aatomis seni, kuni see aatom on neutraalne või mis on sama, et ta ei ole ioon, ei positiivne (katioon) ega negatiivne (anioon).

Seega, teades Z neutraalse aatomi kohta, teame juba, kui palju elektrone selle elemendi neutraalsel aatomil tavaliselt on. Seda silmas pidades hakkame joonistama Moelleri diagrammi diagonaale. Peame arvestama, et igat tüüpi orbitaalidel on erinev võime elektrone majutada, mis on:

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

See peatub orbitaalil, kus on hõivatud viimane Z poolt antud elektron.

Moelleri diagrammi näited

Moelleri diagrammi toimimise paremaks mõistmiseks näeme allpool mõnda praktilist näidet erinevate elementide elektronkonfiguratsiooni määramise kohta.

Berüllium

Neutraalse berülliumi (Be) aatomi elektroonilise konfiguratsiooni kindlakstegemiseks peame kõigepealt otsima seda perioodilisuse tabelist, leelismuld, mis asub tabeli teises veerus ja teises reas. Selle aatomarv on 4, seega Z = 4 ja tal on ka 4 elektroni.

Seda kõike arvesse võttes kasutame Moelleri diagrammi, et näha, kuidas selle elemendi 4 elektroni paiknevad. Alustame diagonaalide tegemisest eelmainitud tähenduses, ülalt alla ja paremalt vasakule.

Kui me täidame orbitaale, Igas neist leitud elektronide arv on soovitatav panna ülaindeksina. Kuna 1s on esimene orbitaal ja see võtab enda alla kaks elektroni, kirjutame selle:

Kuna meil on endiselt vabu elektrone, jätkame orbitaalide täitmist. Järgmine on 2s orbitaal ja nagu 1s, hõivab see 2 elektroni, seega 2s2. Kuna meil on juba kõik elektronid hästi paigutatud Be neutraalse aatomi orbitaalidesse, võime öelda, et selle elemendi elektrooniline konfiguratsioon on:

Veendume, et oleme hästi hakkama saanud, lisades ülaindeksid: 2 + 2 = 4

• Teid võivad huvitada: "Molekulaarkineetiline teooria: aine kolm olekut"

Matš

Element fosfor (P) on mittemetall, mida leidub perioodilisuse tabeli kolmandas reas ja veerus 16, mille Z = 15, seega on sellel kokku 15 elektroni, mis peavad orbitaalid hõivama.

Olles näinud eelmist näidet, saame natuke edasi liikuda ja määrata selle 4 elektroni asukoha samadel orbitaalidel, mis berülliumil on oma 4 elektroni jaoks, puudu 9 elektroni pluss.

Pärast 2s orbitaali siseneb järgmine diagonaal 2p orbitaalile ja lõpeb 3s orbitaalil. 2p orbitaal võib hõivata 6 elektroni ja 3s korral ainult 2. Seega oleks meil:

Hetkel on meil hästi paigutatud 12 elektroni, kuid meil on veel 3 ees. Teeme teise diagonaali ja seekord siseneme läbi 3p orbitaali Moelleri diagrammi järgi, orbitaali, millel on ruumi 6 elektronile, kuid kuna meil on alles vaid 3 elektroni, ei ole see orbitaal täielikult hõivatud, pannes 3 ülaindeksiks. Seega on fosfori lõpetamiseks selle elektrooniline konfiguratsioon järgmine:

Veendume, et oleme hästi hakkama saanud, lisades ülaindeksid: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15

Tsirkoonium

Element tsirkoonium (Zr) on siirdemetall, mida leidub veerus 4 ja reas 5 ning mille Z = 40. Lühendades teed, kasutades ära eelmist näidet, saame leida esimesed 18 elektroni.

Pärast 3p orbitaali täituvad järgmisena, mis juhib meid Moelleri diagrammi järgi, 4s, 3d, 4p ja 5s orbitaalid, mis mahutavad vastavalt 2, 10, 6 ja 2 elektroni.

Diagrammi esimese üheksa orbitaali lõpuleviimine lisab kokku 20 elektroni, jättes alles 2 ülejäänud elektroni, mis asuvad järgmisel orbitaalil, 4d. Seega on neutraalse elemendi tsirkooniumi elektronkonfiguratsioon:

Veendume, et oleme hästi hakkama saanud, lisades ülaindeksid: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 2 = 40

Hapnik

Siin näeme veidi keerulisemat näidet, milleks on hapnik (O). Seda gaasi leidub perioodilisuse tabeli veerus 16 ja reas 2, see on mittemetall ja selle aatomnumber on 8.

Siiani võiksime teisi näiteid vaadates arvata, et selle Z = 8, kuid see pole nii lihtne, kuna see gaas on erilise iseloomuga, olles peaaegu alati iooni kujul laenguga -2.

See tähendab, et kuigi neutraalsel hapnikuaatomil on 8 elektroni, nagu näitab selle aatomnumber, on see siiski olemas On tõsi, et looduses on sellel rohkem, tema puhul 10 (8 elektroni + 2 elektroni või kui soovite, siis -8 laengut elektriline -2).

Nii et antud juhul elektronide arv, mille me orbitaalidel peame leidma, ei ole 8, vaid 10 elektroni, nagu me leiaksime keemilise elemendi neooni elektronid, millel on Z = 10.

Sellest aru saades peame tegema ainult sama, mida oleme teinud eelmistel juhtudel, võttes arvesse, et töötame iooniga (aniooniga):

Veendume, et oleme hästi hakkama saanud, lisades ülaindeksid: 2 + 2 + 6 = 10

Kaltsium

Kaltsiumiga (Ca) juhtub midagi hapnikuga sarnast, ainult sel juhul räägime katioonist, st positiivse laenguga ioonist.

See element asub perioodilisuse tabeli veerus 2 reas 4 aatomnumbriga 20, kuid Loodust esitatakse tavaliselt positiivse laenguga ioonina +2, mis tähendab, et selle elektrooniline laeng on 18 (- 20 + 2 = 18; 20 elektroni – 2 elektroni = 18 elektroni).

Veendume, et oleme hästi hakkama saanud, lisades ülaindeksid: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Erandid Moelleri diagrammist ja Madelungi reeglist

Kuigi Moelleri diagramm on väga kasulik Madelungi reegli mõistmiseks ja erinevate keemiliste elementide elektronide asukoha teadmiseks, on tõsi, et see pole eksimatu. On teatud aineid, mille koostis ei allu sellele, mida oleme selgitanud.

Nende elektronide konfiguratsioonid erinevad eksperimentaalselt kvantpõhjustel Madelungi reegliga ennustatutest.. Nende elementide hulgas, mis ei järgi standardeid, on meil: kroom (Cr, Z = 24), vask (Cu, Z = 29), hõbe (Ag, Z = 47), roodium (Rh, Z = 45), tseerium ( Ce, Z = 58), nioobium (Nb; Z = 41), muu hulgas.

Erandid on d ja f orbitaalide täitmisel väga sagedased. Näiteks kroomi puhul, mille valentsikonfiguratsioon peaks Moelleri diagrammi ja Madelungi reegli järgi lõppema numbritega 4s ^ 2 3d ^ 4, on selle valentskonfiguratsioon tegelikult 4s ^ 1 3d ^ 5. Veel üks kummaline näide on hõbe, mille 5s ^ 2 4d ^ 9 asemel on viimasena 5s ^ 1 4d ^ 10.