Moellerjev diagram: kaj je, kako se uporablja v kemiji in primeri

Kemija je lahko še posebej zapletena, zato je dobrodošlo vsako orodje, ki olajša učenje tistim, ki se z njo seznanijo.

Ena izmed najbolj priljubljenih metod za spoznavanje Madelungovega pravila in elektronske konfiguracije atomov je Moellerjev diagram, grafično mnemonično pravilo, s katerim je zelo enostavno videti, v katerih orbitalah je elektronov.

Naslednji odkrili bomo, iz česa je sestavljen Moellerjev diagram, kako se nanaša na Madelungovo pravilo, kako ga uporabljamo z nekaj rešenimi primeri in kateri kemični elementi ne upoštevajo te strategije.

• Povezani članek: "5 vrst kemičnih vezi: tako je sestavljena snov"

Kaj je Moellerjev diagram?

Moellerjev diagram, znan tudi kot metoda dežja ali pravilo diagonal, je grafična in mnemonična metoda za učenje Madelungovega pravila, tehnika za poznavanje in pisanje elektronske konfiguracije kemičnih elementov.

Za ta diagram je značilno risanje diagonal skozi stolpce orbital od zgoraj navzdol od desne proti levi. Preko Moellerjevega diagrama je definiran vrstni red pri polnjenju orbital, ki ga bodo definirali tri kvantna števila: n, l in ml.

Moellerjev diagram deluje v skladu z naslednjim:

Vsak stolpec ustreza različni orbitali, skozi katero krožijo elektroni atoma, subatomski delci, ki imajo negativen naboj. Zadevne orbitale so: s, p, d in f, od katerih ima vsaka specifičen prostor za namestitev elektronov in zato različne energetske ravni.

Če narišemo diagonale ali puščice v prej omenjenem smislu, imamo, da je prva orbitala 1s. Druga puščica se začne z orbitalo 2s. Tretja puščica prečka 2p in 3s. Četrta diagonala je 3p in 4s. Peta diagonala je 3d, 4p in 5s in tako naprej. Moellerjev diagram je uvodna tehnika za tiste, ki začenjajo preučevati elektronske konfiguracije elementov periodnega sistema v kemiji.

• Morda vas zanima: "6 glavnih vej naravoslovja"

Madelungovo pravilo

Od Moellerjevega diagrama je grafični prikaz Madelungovega pravila (v nekaterih državah poznano tudi kot vladavina Klečkovskega) moramo najprej vedeti, za kaj gre. Po tem pravilu mora zapolnjevanje orbital atoma upoštevati naslednji dve pravili:

Madelungovo prvo pravilo

Najprej se napolnijo orbitale z najnižjimi vrednostmi n + l, pri čemer je n glavno kvantno število, l pa je orbitalni kotni moment..

Na primer, 3d orbitala ustreza n = 3 in l = 2. Zato je n + l = 3 + 2 = 5. Namesto tega orbitala 4s ustreza n = 4 in l = 0, torej n + l = 4 + 0 = 4. Iz tega je ugotovljeno, da elektroni najprej zapolnijo orbitalo 4s pred 3d, ker je 4s = 4, medtem ko je 3d = 5.

• Povezani članek: "11 vrst kemičnih reakcij"

Madelungovo drugo pravilo

Če imata dve orbitali enako vrednost n + l, bodo elektroni najprej zasedli tisto z nižjo vrednostjo n.

Na primer, 3d orbitala ima vrednost n + l = 5, identično vrednosti 4p orbitale (4 + 1 = 5), ker pa ima 3d orbitala najnižjo vrednost za n, bo napolnjena prva kot 4p orbitala.

Iz vseh teh opazovanj in pravil je mogoče doseči naslednji vrstni red pri polnjenju atomskih orbital: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p. Čeprav je ta vrstni red določen, si ga je zapomniti na pamet zapleteno, zato obstaja Moellerjev diagram, ki grafično predstavlja njegov vrstni red.

• Morda vas zanima: "9 postulatov Daltonove atomske teorije"

Koraki, ki jih je treba upoštevati pri uporabi Moellerjevega diagrama

Kot smo komentirali v prejšnjem razdelku, Madelungovo pravilo uporablja formulo n + l, da ugotovi, kaj orbitale se zapolnijo pred in iz tega določijo, kakšna je elektronska konfiguracija elementa odločen. Vendar pa Moellerjev diagram to že grafično in enostavno predstavlja, zato je dovolj, da sledimo stolpcev istega diagrama in narišite diagonale, da ugotovite, v kakšnem vrstnem redu so orbitale vsakega element.

Da bi odkrili elektronsko konfiguracijo atoma in v katerih orbitalah se nahajajo njegovi elektroni, moramo najprej poznati njegovo atomsko število Z. Število Z ustreza številu elektronov v atomu, če je ta atom nevtralen ali kar je enako, da ni ion, niti pozitiven (kation) niti negativen (anion).

Tako, če poznamo Z za nevtralen atom, že vemo, koliko elektronov ima običajno nevtralen atom tega elementa. S tem v mislih bomo začeli risati diagonale na Moellerjevem diagramu. Upoštevati moramo, da ima vsaka vrsta orbital različno zmogljivost za shranjevanje elektronov, ki so:

• s = 2 elektrona
• p = 6 elektronov
• d = 10 elektronov
• f = 14 elektronov

Ustavi se na orbitali, kjer je bil zaseden zadnji elektron, ki ga daje Z.

Primeri Moellerjevega diagrama

Da bi bolje razumeli, kako deluje Moellerjev diagram, si bomo spodaj ogledali nekaj praktičnih primerov nastavljanja elektronske konfiguracije različnih elementov.

berilij

Da bi ugotovili elektronsko konfiguracijo nevtralnega atoma berilija (Be), jo moramo najprej poiskati v periodnem sistemu, zemeljsko alkalijsko, ki se nahaja v drugem stolpcu in drugi vrstici tabele. Njegovo atomsko število je 4, torej Z = 4 in ima tudi 4 elektrone.

Ob upoštevanju vsega tega bomo z Moellerjevim diagramom videli, kako se nahajajo 4 elektroni tega elementa. Začnemo z izdelavo diagonal v prej omenjenem smislu, od zgoraj navzdol in od desne proti levi.

Ko polnimo orbitale, Priporočljivo je, da se število elektronov, ki jih najdemo v vsakem od njih, vpiše kot nadpis. Ker je 1s prva orbitala in zaseda dva elektrona, jo bomo zapisali:

Ker imamo še proste elektrone, še naprej zapolnjujemo orbitale. Naslednja je orbitala 2s in tako kot pri 1s zaseda 2 elektrona, torej 2s2. Ker že imamo vse elektrone dobro locirane v orbitalah nevtralnega atoma Be, lahko rečemo, da je elektronska konfiguracija tega elementa:

Prepričamo se, da smo dobro opravili, tako da dodamo nadpise: 2 + 2 = 4

• Morda vas zanima: "Molekularno kinetična teorija: 3 stanja snovi"

Tekma

Element fosfor (P) je nekovina, ki se nahaja v tretji vrstici in stolpcu 16 periodnega sistema, z Z = 15, ima torej skupaj 15 elektronov, ki morajo zasedati orbitale.

Ko smo videli prejšnji primer, se lahko premaknemo nekoliko naprej in poiščemo 4 njegove elektrone v istih orbitalah, ki jih ima berilij za svoje 4 elektrone, manjka 9 elektronov plus.

Po orbitali 2s naslednja diagonala vstopi v orbitalo 2p in se konča na orbitali 3s. 2p orbitala lahko zasede 6 elektronov, v primeru 3s pa le 2. Tako bi imeli:

Trenutno imamo 12 elektronov dobro lociranih, vendar imamo še 3 na voljo. Naredimo še eno diagonalo in tokrat vstopimo skozi orbitalo 3p po Moellerjevem diagramu, orbitalo, ki ima prostor za 6 elektronov, a ker imamo le še 3 elektrone, ta orbitala ne bo popolnoma zasedena, tako da 3 postavimo kot nadpis. Tako je za konec fosforja njegova elektronska konfiguracija naslednja:

Prepričamo se, da smo dobro opravili, tako da dodamo nadpise: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15

cirkonij

Element cirkonij (Zr) je prehodna kovina, ki se nahaja v stolpcu 4 in vrstici 5 in ima Z = 40. Če skrajšamo pot in izkoristimo prejšnji primer, lahko lociramo prvih 18 elektronov.

Po orbitali 3p so naslednje, ki se napolnijo in nas vodijo z Moellerjevim diagramom, orbitale 4s, 3d, 4p in 5s, ki imajo kapaciteto za 2, 10, 6 oziroma 2 elektrona.

Dokončanje prvih devetih orbital v diagramu doda skupno 20 elektronov, pusti 2 preostala elektrona, ki sta nameščena v naslednji orbitali, 4d. Tako je elektronska konfiguracija nevtralnega elementa cirkonija:

Prepričamo se, da smo dobro opravili, tako da dodamo nadpise: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 2 = 40

Kisik

Tukaj vidimo nekoliko bolj zapleten primer, ki je kisik (O). Ta plin se nahaja v stolpcu 16 in vrstici 2 periodnega sistema, je nekovina in ima atomsko številko 8.

Zaenkrat bi, če pogledamo druge primere, mislili, da je njegov Z = 8, vendar ni tako preprosto, saj je ta plin posebne narave, skoraj vedno je v obliki iona z nabojem -2.

To pomeni, da čeprav ima nevtralni atom kisika 8 elektronov, kot kaže njegova atomska številka, ima Res je, da ima v naravi več, v svojem primeru 10 (8 elektronov + 2 elektrona ali, če želite, -8 naboja električni -2).

Torej, v tem primeru, število elektronov, ki jih moramo locirati v orbitalah, ni 8, ampak 10 elektronov, kot da bi locirali elektrone kemičnega elementa neona, ki ima Z = 10.

Če to razumemo, moramo narediti isto stvar, kot smo jo počeli v prejšnjih primerih, le ob upoštevanju, da delamo z ionom (anionom):

Prepričamo se, da smo dobro opravili, tako da dodamo nadpise: 2 + 2 + 6 = 10

kalcij

Nekaj ​​podobnega kot kisik se zgodi s kalcijem (Ca), le da v tem primeru govorimo o kationu, torej ionu s pozitivnim nabojem.

Ta element najdemo v stolpcu 2, vrstico 4 periodnega sistema z atomsko številko 20, vendar v Narava je običajno predstavljena v obliki iona s pozitivnim nabojem +2, kar pomeni, da je njegov elektronski naboj 18 (- 20 + 2 = 18; 20 elektronov - 2 elektrona = 18 elektronov).

Prepričamo se, da smo dobro opravili, tako da dodamo nadpise: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Izjeme pri Moellerjevem diagramu in Madelungovem pravilu

Čeprav je Moellerjev diagram zelo koristen za razumevanje Madelungovega pravila in vedeti, kako se nahajajo elektroni različnih kemičnih elementov, je resnica, da ni nezmotljiv. Obstajajo določene snovi, katerih sestava ni skladna s tem, kar smo razložili.

Njihove elektronske konfiguracije se eksperimentalno razlikujejo od tistih, ki jih predvideva Madelungovo pravilo iz kvantnih razlogov.. Med temi elementi, ki ne sledijo standardom, imamo: krom (Cr, Z = 24), baker (Cu, Z = 29), srebro (Ag, Z = 47), rodij (Rh, Z = 45), cerij ( Ce, Z = 58), niobij (Nb; Z = 41), med drugim.

Izjeme so zelo pogoste pri polnjenju d in f orbital. Na primer, v primeru kroma, ki bi moral imeti valenčno konfiguracijo, ki se konča s 4s ^ 2 3d ^ 4 v skladu z Moellerjevim diagramom in Madelungovim pravilom, ima dejansko valenčno konfiguracijo 4s ^ 1 3d ^ 5. Drug nenavaden primer je primer srebra, ki ima namesto zadnjega 5s ^ 2 4d ^ 9 5s ^ 1 4d ^ 10.