Diagrama Moeller: ce este, cum este utilizată în chimie și exemple

Chimia poate fi deosebit de complicată, așa că orice instrument care facilitează învățarea celor care sunt introduși în ea este binevenit.

Una dintre cele mai populare metode de familiarizare cu regula lui Madelung și configurația electronică a atomilor este diagrama Moeller, o regulă mnemonică grafică care face foarte ușor de văzut în ce orbitale electroni.

Următorul vom descoperi în ce constă diagrama Moeller, cum se raportează la regula lui Madelung, cum se aplică prin intermediul câtorva exemple rezolvate și care elemente chimice nu se supun acestei strategii.

• Articol înrudit: „Cele 5 tipuri de legături chimice: așa este compusă materia”

Ce este diagrama Moeller?

Diagrama Moeller, cunoscută și ca metoda ploii sau regula diagonalelor, este o metodă grafică și mnemonică de învățare a regulii lui Madelung, o tehnică de cunoaștere și scriere a configurației electronice a elementelor chimice.

Această diagramă se caracterizează prin trasarea diagonalelor prin coloanele orbitalilor, de sus în jos de la dreapta la stânga. Prin diagrama Moeller se definește o ordine în umplerea orbitalilor, care va fi definită de trei numere cuantice: n, l și ml.

Diagrama Moeller funcționează în conformitate cu următoarele:

Fiecare coloană corespunde unui orbital diferit prin care circulă electronii unui atom, particule subatomice care au sarcină negativă. Orbitalii în cauză sunt: ​​s, p, d și f, fiecare având un spațiu specific pentru a găzdui electroni și, prin urmare, diferite niveluri de energie.

Dacă desenăm diagonalele sau săgețile în sensul menționat mai sus, avem că primul orbital este 1s. A doua săgeată începe cu orbitalul 2s. A treia săgeată traversează 2p și 3s. A patra diagonală este 3p și 4s. A cincea diagonală este 3d, 4p și 5s și așa mai departe. Diagrama Moeller este o tehnică introductivă pentru cei care încep să studieze configurațiile electronice ale elementelor tabelului periodic în chimie.

• Ați putea fi interesat de: „Cele 6 ramuri principale ale științelor naturii”

regula lui Madelung

Din moment ce diagrama Moeller este reprezentarea grafică a regulii lui Madelung (cunoscută și sub numele de domnia lui Klechkovsky în unele țări) trebuie să știm mai întâi despre ce este vorba. Conform acestei reguli, umplerea orbitalilor unui atom trebuie să respecte următoarele două reguli:

prima regulă a lui Madelung

Orbitalii cu cele mai mici valori de n + l sunt completați mai întâi, n fiind numărul cuantic principal și l fiind momentul unghiular orbital..

De exemplu, orbitalul 3d corespunde cu n = 3 și l = 2. Prin urmare, n + l = 3 + 2 = 5. În schimb, orbitalul 4s corespunde cu n = 4 și l = 0, prin urmare n + l = 4 + 0 = 4. Din aceasta se stabilește că electronii umplu orbitalul 4s mai întâi înaintea celui 3d, deoarece 4s = 4 în timp ce 3d = 5.

• Articol înrudit: „Cele 11 tipuri de reacții chimice”

A doua regulă a lui Madelung

Dacă doi orbitali au aceeași valoare de n + l, electronii îl vor ocupa mai întâi pe cel cu valoarea mai mică a lui n.

De exemplu, orbitalul 3d are o valoare de n + l = 5, identică cu cea a orbitalului 4p (4 + 1 = 5), dar, deoarece orbitalul 3d are cea mai mică valoare pentru n, acesta va fi completat mai întâi decât orbital 4p.

Din toate aceste observații și reguli, se poate ajunge la următoarea ordine în completarea orbitalilor atomici: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p. Deși această ordine este fixă, amintirea ei pe de rost este complicată, motiv pentru care există o diagramă Moeller care reprezintă grafic ordinea acesteia.

• Ați putea fi interesat de: „Cele 9 postulate ale teoriei atomice a lui Dalton”

Pași de urmat atunci când utilizați diagrama Moeller

După cum am comentat în secțiunea anterioară, regula lui Madelung folosește formula n + l pentru a stabili ce orbitalii sunt umpluți înainte și din care determină care este configurația electronică a unui element determinat. Cu toate acestea, diagrama Moeller reprezintă deja acest lucru grafic și ușor, așa că este suficient să urmăriți coloane din aceeași diagramă și desenați diagonale pentru a afla în ce ordine orbitalii fiecăreia element.

Pentru a descoperi configurația electronică a unui atom și în care orbitali se află electronii săi, trebuie să cunoaștem mai întâi numărul său atomic Z. Numărul Z corespunde numărului de electroni dintr-un atom, atâta timp cât acest atom este neutru, sau ceea ce este la fel, că nu este un ion, nici pozitiv (cation), nici negativ (anion).

Astfel, cunoscând Z pentru un atom neutru, știm deja câți electroni are de obicei un atom neutru al acelui element. Având în vedere acest lucru, vom începe să desenăm diagonalele pe diagrama Moeller. Trebuie să ținem cont de faptul că fiecare tip de orbital are o capacitate diferită de a adăposti electroni, care sunt:

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

Se oprește la orbital unde ultimul electron dat de Z a fost ocupat.

Exemple de diagrame Moeller

Pentru a înțelege mai bine cum funcționează diagrama Moeller, mai jos vom vedea câteva exemple practice de setare a configurației electronice a diferitelor elemente.

Beriliu

Pentru a stabili configurația electronică a unui atom neutru de beriliu (Be), ceea ce trebuie să facem mai întâi este să-l căutăm în tabelul periodic, un alcalino-pământos care se află în a doua coloană și în al doilea rând al tabelului. Numărul său atomic este 4, deci Z = 4 și are și 4 electroni.

Ținând cont de toate acestea, vom folosi diagrama Moeller pentru a vedea cum sunt localizați cei 4 electroni ai acestui element. Începem prin a face diagonale în sensul menționat mai sus, de sus în jos și de la dreapta la stânga.

Când umplem orbitalii, Este recomandat să puneți numărul de electroni găsiți în fiecare dintre ei ca superscript. Deoarece 1s este primul orbital și ocupă doi electroni, îl vom scrie:

Deoarece încă avem electroni liberi, continuăm să umplem orbitali. Urmează orbitalul 2s și, ca și în cazul lui 1s, ocupă 2 electroni, deci 2s2. Deoarece avem deja toți electronii bine localizați în orbitalii atomului neutru al lui Be, putem spune că configurația electronică a acestui element este:

Ne asigurăm că ne-am descurcat bine adăugând indicele: 2 + 2 = 4

• Ați putea fi interesat de: „Teoria cinetică moleculară: cele 3 stări ale materiei”

Meci

Elementul fosfor (P) este un nemetal găsit în al treilea rând și coloana 16 a tabelului periodic., cu Z = 15, deci are 15 electroni în total care trebuie să ocupe orbitalii.

După ce am văzut exemplul anterior, putem avansa puțin și găsim 4 dintre electronii săi în aceiași orbitali pe care îi are beriliul pentru cei 4 electroni ai săi, lipsesc 9 electroni la care se adauga.

După orbitalul 2s, următoarea diagonală intră în orbitalul 2p și se termină la orbitalul 3s. Orbitalul 2p poate ocupa 6 electroni, iar în cazul celor 3s doar 2. Astfel, am avea:

Momentan avem 12 electroni bine localizați, dar mai avem încă 3 de plecat. Facem o altă diagonală și de data aceasta intrăm prin orbital 3p conform diagramei Moeller, orbital care are spațiu pentru 6 electroni, dar din moment ce mai avem doar 3 electroni, acest orbital nu va fi ocupat complet, punând 3 ca superscript. Astfel, pentru a pune capăt fosforului, configurația sa electronică este următoarea:

Ne asigurăm că ne-am descurcat bine adăugând superscriptele: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15

zirconiu

Elementul zirconiu (Zr) este un metal de tranziție găsit în coloana 4 și în rândul 5 și are un Z = 40. Scurtând calea profitând de exemplul anterior, putem localiza primii 18 electroni.

După orbitalul 3p, următorii care se umple, ghidându-ne cu diagrama Moeller, sunt orbitalii 4s, 3d, 4p și 5s, cu capacitate de 2, 10, 6 și respectiv 2 electroni.

Completarea primilor nouă orbiti din diagramă adaugă un total de 20 de electroni, lăsând cei 2 electroni rămași care sunt găzduiți în următorul orbital, 4d. Astfel, configurația electronică a elementului neutru zirconiu este:

Ne asigurăm că ne-am descurcat bine adăugând superscriptele: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 2 = 40

Oxigen

Aici vedem un exemplu puțin mai complicat, care este oxigenul (O). Acest gaz se găsește în coloana 16 și în rândul 2 al tabelului periodic, este un nemetal și are un număr atomic de 8.

Până acum, uitându-ne la celelalte exemple, am crede că are Z = 8, însă nu este atât de simplu deoarece acest gaz este de natură specială, fiind aproape întotdeauna sub forma unui ion cu sarcina -2.

Aceasta înseamnă că, deși un atom de oxigen neutru are 8 electroni, așa cum este indicat de numărul său atomic, nu Este adevărat că în natură are mai mult, în cazul lui 10 (8 electroni + 2 electroni sau, dacă preferi, -8 încărcare electrice -2).

Deci, în acest caz, numărul de electroni pe care trebuie să-i localizăm în orbitali nu este de 8, ci de 10 electroni, ca și cum am localiza electronii elementului chimic neon care are Z = 10.

Înțelegând acest lucru, trebuie doar să facem același lucru pe care l-am făcut în cazurile anterioare doar ținând cont de faptul că lucrăm cu un ion (anion):

Ne asigurăm că ne-am descurcat bine adăugând superscriptele: 2 + 2 + 6 = 10

Calciu

Ceva asemănător cu oxigenul se întâmplă cu calciul (Ca), doar că în acest caz vorbim despre un cation, adică un ion cu sarcină pozitivă..

Acest element se găsește în coloana 2 rândul 4 al tabelului periodic cu un număr atomic de 20, totuși, în Natura este de obicei prezentată sub forma unui ion cu sarcină pozitivă +2, ceea ce înseamnă că sarcina sa electronică este 18 (- 20 + 2 = 18; 20 electroni - 2 electroni = 18 electroni).

Ne asigurăm că ne-am descurcat bine adăugând superscriptele: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Excepții de la diagrama Moeller și de la regula lui Madelung

Deși diagrama Moeller este foarte utilă pentru a înțelege regula lui Madelung și pentru a ști cum sunt localizați electronii diferitelor elemente chimice, adevărul este că nu este infailibilă. Există anumite substanțe a căror compoziție nu respectă ceea ce am explicat.

Din motive cuantice, configurațiile lor electronice diferă experimental de cele prezise de regula lui Madelung.. Printre aceste elemente care nu respectă standardele avem: cromul (Cr, Z = 24), cupru (Cu, Z = 29), argint (Ag, Z = 47), rodiu (Rh, Z = 45), ceriu ( Ce, Z = 58), niobiu (Nb; Z = 41), printre altele.

Excepțiile sunt foarte frecvente la umplerea orbitalilor d și f. De exemplu, în cazul cromului, care ar trebui să aibă o configurație de valență care se termină în 4s ^ 2 3d ^ 4 conform diagramei Moeller și a regulii lui Madelung, are de fapt o configurație de valență de 4s ^ 1 3d ^ 5. Un alt exemplu ciudat este cel al argintului, care în loc să aibă 5s ^ 2 4d ^ 9 ca ultimul are 5s ^ 1 4d ^ 10.