Moellerin kaavio: mikä se on, miten sitä käytetään kemiassa ja esimerkkejä

Kemia voi olla erityisen monimutkaista, joten kaikki oppimista helpottavat työkalut ovat tervetulleita.

Yksi suosituimmista tavoista tutustua Madelungin sääntöön ja atomien elektronikonfiguraatioon on Moeller-kaavio, graafinen muistosääntö, jonka avulla on erittäin helppo nähdä, missä kiertoradoissa elektroneja.

Seuraava aiomme selvittää, mistä Moeller-kaavio koostuu, miten se liittyy Madelungin sääntöön, kuinka sitä sovelletaan muutamien ratkaistujen esimerkkien avulla ja mitkä kemialliset alkuaineet eivät noudata tätä strategiaa.

• Aiheeseen liittyvä artikkeli: "5 kemiallista sidostyyppiä: näin aine koostuu"

Mikä on Moellerin kaavio?

Moellerin diagrammi, joka tunnetaan myös sademenetelmänä tai diagonaalien sääntönä, on graafinen ja muistomenetelmä Madelungin säännön oppimiseen, tekniikka kemiallisten alkuaineiden elektronisen konfiguraation tuntemiseen ja kirjoittamiseen.

Tälle kaaviolle on ominaista diagonaalien piirtäminen orbitaalien sarakkeiden läpi ylhäältä alas oikealta vasemmalle. Moellerin diagrammin avulla määritetään orbitaalien täyttöjärjestys, joka määritellään kolmella kvanttiluvulla: n, l ja ml.

Moellerin kaavio toimii seuraavasti:

Jokainen sarake vastaa erilaista kiertorataa, jonka läpi atomin elektronit kiertävät, subatomisia hiukkasia, joilla on negatiivinen varaus. Kyseessä olevat kiertoradat ovat: s, p, d ja f, joilla kullakin on erityinen tila elektronien sijoittamiseen ja siten eri energiatasot.

Jos piirretään diagonaalit tai nuolet edellä mainitussa mielessä, ensimmäinen kiertorata on 1s. Toinen nuoli alkaa 2s-kiertoradalla. Kolmas nuoli leikkaa 2p ja 3s. Neljäs lävistäjä on 3p ja 4s. Viides diagonaali on 3d, 4p ja 5s ja niin edelleen. Moeller-kaavio on johdantotekniikka niille, jotka alkavat tutkia jaksollisen järjestelmän elementtien elektronisia konfiguraatioita kemiassa.

• Saatat olla kiinnostunut: "Luonnontieteiden kuusi pääalaa"

Madelungin sääntö

Moellerin kaaviosta lähtien on graafinen esitys Madelungin säännöstä (joissakin maissa tunnetaan myös Klechkovskyn sääntönä) meidän on ensin tiedettävä, mistä on kyse. Tämän säännön mukaan atomin kiertoradan täytön on noudatettava seuraavia kahta sääntöä:

Madelungin ensimmäinen sääntö

Ensin täytetään kiertoradat, joilla on pienin arvo n + l, jolloin n on pääkvanttiluku ja l on kiertoradan kulmamomentti..

Esimerkiksi 3d-kiertorata vastaa n = 3 ja l = 2. Siksi n + l = 3 + 2 = 5. Sen sijaan 4s-orbitaali vastaa arvoa n = 4 ja l = 0, joten n + l = 4 + 0 = 4. Tästä päätetään, että elektronit täyttävät 4s kiertoradan ensin ennen 3d: tä, koska 4s = 4 ja 3d = 5.

• Aiheeseen liittyvä artikkeli: "11 tyyppistä kemiallista reaktiota"

Madelungin toinen sääntö

Jos kahdella kiertoradalla on sama arvo n + l, elektronit miehittävät ensin sen, jonka arvo on pienempi n.

Esimerkiksi 3d-kiertoradan arvo on n + l = 5, joka on identtinen 4p-radan (4 + 1 = 5) kanssa, mutta koska 3d-kiertoradalla on pienin arvo n: lle, se täytetään ensin kuin 4p kiertoradalla.

Kaikista näistä havainnoista ja säännöistä voidaan saavuttaa seuraava järjestys atomiratojen täyttämisessä: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p. Vaikka tämä järjestys on kiinteä, sen muistaminen ulkoa on monimutkaista, minkä vuoksi on olemassa Moeller-kaavio, joka esittää sen järjestystä graafisesti.

• Saatat olla kiinnostunut: "Daltonin atomiteorian 9 postulaattia"

Noudatettavat vaiheet käytettäessä Moeller-kaaviota

Kuten olemme kommentoineet edellisessä osiossa, Madelungin sääntö käyttää kaavaa n + l määrittääkseen mitä orbitaalit täytetään ennen ja siitä päätetään, mikä on elementin elektroninen konfiguraatio päättänyt. Moeller-kaavio kuitenkin esittää tämän jo graafisesti ja helposti, joten riittää, että seuraat piirrä saman kaavion sarakkeita ja piirrä diagonaalit saadaksesi selville, missä järjestyksessä kunkin kiertoradat elementti.

Jotta voimme selvittää atomin elektronisen konfiguraation ja sen, millä kiertoradoilla sen elektronit sijaitsevat, meidän on ensin tiedettävä sen atomiluku Z. Luku Z vastaa elektronien lukumäärää atomissa, kunhan tämä atomi on neutraali tai mikä on sama, että se ei ole ioni, ei positiivinen (kationi) eikä negatiivinen (anioni).

Siten, kun tiedetään Z neutraalille atomille, tiedämme jo kuinka monta elektronia tämän alkuaineen neutraalilla atomilla yleensä on. Tätä silmällä pitäen alamme piirtää diagonaalit Moellerin kaavioon. Meidän on otettava huomioon, että jokaisella kiertoradalla on erilainen kyky sijoittaa elektroneja, mitkä ovat:

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

Se pysähtyy kiertoradalle, jossa viimeinen Z: n antama elektroni on miehitetty.

Esimerkkejä Moellerin kaavioista

Ymmärtääksemme paremmin, kuinka Moeller-kaavio toimii, katsomme alla muutamia käytännön esimerkkejä eri elementtien elektronikonfiguraation asettamisesta.

Beryllium

Neutraalin beryllium-atomin (Be) elektronisen konfiguraation määrittämiseksi meidän on ensin etsittävä se jaksollisesta taulukosta, maa-alkali, joka sijaitsee taulukon toisessa sarakkeessa ja toisessa rivissä. Sen atomiluku on 4, joten Z = 4 ja siinä on myös 4 elektronia.

Kun tämä kaikki otetaan huomioon, aiomme käyttää Moellerin kaaviota nähdäksemme kuinka tämän elementin 4 elektronia sijaitsevat. Aloitamme tekemällä diagonaalit edellä mainitussa mielessä, ylhäältä alas ja oikealta vasemmalle.

Kun täytämme kiertoradat, Jokaisesta niistä löydettyjen elektronien lukumäärä on suositeltavaa laittaa yläindeksiksi. Koska 1s on ensimmäinen orbitaali ja se varaa kaksi elektronia, kirjoitamme sen:

Koska meillä on edelleen vapaita elektroneja, jatkamme kiertoradan täyttämistä. Seuraava on 2s-orbitaali ja, kuten 1s: n kohdalla, se varaa 2 elektronia, siis 2s2. Koska meillä on jo kaikki elektronit, jotka sijaitsevat hyvin Be: n neutraalin atomin kiertoradalla, voimme sanoa, että tämän elementin elektroninen konfiguraatio on:

Varmistamme, että olemme onnistuneet hyvin lisäämällä yläindeksit: 2 + 2 = 4

• Saatat olla kiinnostunut: "Molekyylikineettinen teoria: aineen 3 tilaa"

Ottelu

Alkuaine fosfori (P) on epämetalli, joka löytyy jaksollisen taulukon kolmannelta riviltä ja sarakkeelta 16, jossa Z = 15, joten siinä on yhteensä 15 elektronia, joiden on sijoitettava kiertoradat.

Nähtyämme edellisen esimerkin voimme siirtyä hieman eteenpäin ja paikantaa 4 sen elektronia samoilla kiertoradoilla kuin berylliumilla on 4 elektroninsa suhteen, mutta 9 elektronia puuttuu plus.

2s-radan jälkeen seuraava diagonaali tulee 2p-radalle ja päättyy 3s-radalle. 2p-kiertoradalla voi olla 6 elektronia, ja 3s: n tapauksessa vain 2. Näin ollen meillä olisi:

Tällä hetkellä meillä on 12 elektronia hyvällä paikalla, mutta meillä on vielä 3 jäljellä. Teemme toisen diagonaalin ja tällä kertaa astumme Moellerin kaavion mukaisen 3p-radan läpi, kiertoradan, jossa on tilaa 6 elektronille, mutta koska meillä on vain 3 elektronia jäljellä, tämä kiertorata ei ole täysin miehitetty, joten 3 on yläindeksi. Siten fosforin lopettamiseksi sen elektroninen konfiguraatio on seuraava:

Varmistamme, että olemme onnistuneet hyvin lisäämällä yläindeksit: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15

Zirkonium

Alkuaine zirkonium (Zr) on siirtymämetalli, joka löytyy sarakkeesta 4 ja rivistä 5 ja jonka Z = 40. Lyhentämällä polkua hyödyntäen edellistä esimerkkiä, voimme paikantaa ensimmäiset 18 elektronia.

3p-radan jälkeen seuraavat täyttyvät, ohjaten meitä Moellerin diagrammin avulla, 4s-, 3d-, 4p- ja 5s-orbitaalit, joiden kapasiteetti on 2, 10, 6 ja 2 elektronia.

Kaavion yhdeksän ensimmäisen kiertoradan suorittaminen lisää yhteensä 20 elektronia, jättäen jäljelle jääneet 2 elektronia, jotka sijaitsevat seuraavalla kiertoradalla, 4d. Siten neutraalin alkuaineen zirkoniumin elektronikonfiguraatio on:

Varmistamme, että olemme onnistuneet hyvin lisäämällä yläindeksit: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 2 = 40

Happi

Tässä näemme hieman monimutkaisemman esimerkin, joka on happi (O). Tämä kaasu löytyy jaksollisen taulukon sarakkeelta 16 ja riviltä 2, se on epämetalli ja sen atomiluku on 8.

Toistaiseksi muita esimerkkejä tarkasteltaessa luulisimme, että sen Z = 8, mutta se ei ole niin yksinkertaista, koska tämä kaasu on luonteeltaan erityinen, melkein aina ionin muodossa, jonka varaus on -2.

Tämä tarkoittaa, että vaikka neutraalilla happiatomilla on 8 elektronia, kuten sen atominumero osoittaa, sillä on On totta, että luonnossa sillä on enemmän, tapauksessa 10 (8 elektronia + 2 elektronia tai halutessasi -8 varausta sähkö -2).

Joten tässä tapauksessa elektronien lukumäärä, joka meidän on paikannettava kiertoradalta, ei ole 8 vaan 10 elektronia, ikään kuin paikantaisimme neonin kemiallisen alkuaineen elektroneja, joilla on Z = 10.

Ymmärtääksemme tämän, meidän on vain tehtävä sama asia, jonka olemme tehneet edellisissä tapauksissa, vain ottaen huomioon, että työskentelemme ionin (anionin) kanssa:

Varmistamme, että olemme onnistuneet hyvin lisäämällä yläindeksit: 2 + 2 + 6 = 10

Kalsium

Kalsiumille (Ca) tapahtuu jotain hapen kaltaista, vain tässä tapauksessa puhumme kationista, eli ionista, jolla on positiivinen varaus.

Tämä elementti löytyy jaksollisen taulukon sarakkeen 2 riviltä 4 atominumerolla 20, mutta Luonto esitetään yleensä ionina, jolla on positiivinen varaus +2, mikä tarkoittaa, että sen elektronivaraus on 18 (- 20 + 2 = 18; 20 elektronia - 2 elektronia = 18 elektronia).

Varmistamme, että olemme onnistuneet hyvin lisäämällä yläindeksit: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Poikkeuksia Moellerin kaavioon ja Madelungin sääntöön

Vaikka Moellerin diagrammi on erittäin hyödyllinen Madelungin säännön ymmärtämisessä ja eri kemiallisten alkuaineiden elektronien sijainnin selvittämisessä, totuus on, että se ei ole erehtymätön. On tiettyjä aineita, joiden koostumus ei noudata sitä, mitä olemme selittäneet.

Niiden elektronikonfiguraatiot eroavat kokeellisesti Madelungin säännön ennustamista kvanttisyistä.. Näistä alkuaineista, jotka eivät noudata standardeja, meillä on: kromi (Cr, Z = 24), kupari (Cu, Z = 29), hopea (Ag, Z = 47), rodium (Rh, Z = 45), cerium ( Ce, Z = 58), niobium (Nb; Z = 41), mm.

Poikkeukset ovat hyvin yleisiä, kun täytetään d- ja f-kiertoradat. Esimerkiksi kromin tapauksessa, jonka valenssikonfiguraation pitäisi olla 4s ^ 2 3d ^ 4 Moellerin kaavion ja Madelungin säännön mukaan, sen valenssikonfiguraatio on itse asiassa 4s ^ 1 3d ^ 5. Toinen outo esimerkki on hopea, jossa sen sijaan, että viimeisenä olisi 5s ^ 2 4d ^ 9, on 5s ^ 1 4d ^ 10.