Moeller-diagram: vad det är, hur det används i kemi och exempel

Kemi kan vara särskilt komplicerat, så alla verktyg som underlättar inlärning för dem som introduceras till det är välkomna.

En av de mest populära metoderna för att bli bekant med Madelungs regel och atomernas elektronkonfiguration är Moeller-diagrammet, en grafisk mnemonisk regel som gör det mycket lätt att se i vilka orbitaler elektroner.

Nästa vi ska ta reda på vad Moeller-diagrammet består av, hur det förhåller sig till Madelungs regel, hur det tillämpas med hjälp av några lösta exempel och vilka kemiska grundämnen som inte följer denna strategi.

• Relaterad artikel: "De 5 typerna av kemiska bindningar: så här är materia sammansatt"

Vad är Moeller-diagrammet?

Moeller-diagrammet, även känt som regnmetoden eller diagonalregeln, är en grafisk och mnemonisk metod för att lära sig Madelungs regel, en teknik för att känna till och skriva den elektroniska konfigurationen av kemiska element.

Detta diagram kännetecknas av att man ritar diagonaler genom orbitalens kolumner, uppifrån och ner från höger till vänster. Genom Moeller-diagrammet definieras en ordning i fyllningen av orbitaler, som kommer att definieras av tre kvanttal: n, l och ml.

Moeller-diagrammet fungerar enligt följande:

Varje kolumn motsvarar en annan orbital genom vilken elektronerna i en atom cirkulerar, subatomära partiklar som har en negativ laddning. Orbitalerna i fråga är: s, p, d och f, var och en med ett specifikt utrymme för att hysa elektroner och därför olika energinivåer.

Om vi ​​ritar diagonalerna eller pilarna i den tidigare nämnda betydelsen har vi att den första orbitalen är 1:or. Den andra pilen börjar med 2s orbital. Den tredje pilen korsar 2p och 3s. Den fjärde diagonalen är 3p och 4s. Den femte diagonalen är 3d, 4p och 5s och så vidare. Moeller-diagrammet är en introduktionsteknik för dem som börjar studera de elektroniska konfigurationerna av elementen i det periodiska systemet i kemi.

• Du kanske är intresserad av: "Naturvetenskapens 6 huvudgrenar"

Madelungs regel

Sedan Moeller-diagrammet är den grafiska representationen av Madelungs styre (även känt som Klechkovskys styre i vissa länder) måste vi först veta vad det handlar om. Enligt denna regel måste fyllningen av en atoms orbitaler följa följande två regler:

Madelungs första regel

Orbitalerna med de lägsta värdena på n + l fylls först, där n är det huvudsakliga kvanttalet och l är det orbitala vinkelmomentet..

Till exempel motsvarar 3d-omloppsbanan n = 3 och l = 2. Därför är n + l = 3 + 2 = 5. Istället motsvarar 4s orbitalen n = 4 och l = 0, därför n + l = 4 + 0 = 4. Av detta är det fastställt att elektronerna fyller 4s orbitalen först före 3d, eftersom 4s = 4 medan 3d = 5.

• Relaterad artikel: "De 11 typerna av kemiska reaktioner"

Madelungs andra regel

Om två orbitaler har samma värde på n + l, kommer elektronerna att uppta den med det lägre värdet på n först.

Till exempel har 3d orbitalen värdet n + l = 5, identiskt med 4p orbitalen (4 + 1 = 5), men eftersom 3d orbitalen har det lägsta värdet för n kommer den att fyllas först än 4p orbital.

Från alla dessa observationer och regler kan följande ordning uppnås för att fylla atomorbitaler: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p. Även om denna ordning är fast, är det komplicerat att komma ihåg den utantill, vilket är anledningen till att det finns ett Moeller-diagram som grafiskt representerar dess ordning.

• Du kanske är intresserad av: "De 9 postulaten av Daltons atomteori"

Steg att följa när du använder Moeller-diagrammet

Som vi har kommenterat i föregående avsnitt använder Madelungs regel formeln n + l för att fastställa vad orbitaler fylls innan och utifrån det bestämmer vad som är den elektroniska konfigurationen av ett element fast besluten. Men Moeller-diagrammet representerar redan detta grafiskt och enkelt, så det räcker att följa kolumner i samma diagram och rita diagonaler för att ta reda på i vilken ordning orbitalerna för varje element.

För att upptäcka den elektroniska konfigurationen av en atom och i vilka orbitaler dess elektroner finns, måste vi först veta dess atomnummer Z. Talet Z motsvarar antalet elektroner i en atom, så länge denna atom är neutral, eller vad som är likadan, att den inte är en jon, varken positiv (katjon) eller negativ (anjon).

När vi alltså vet Z för en neutral atom, vet vi redan hur många elektroner en neutral atom i det elementet vanligtvis har. Med detta i åtanke kommer vi att börja rita diagonalerna på Moeller-diagrammet. Vi måste ta hänsyn till att varje typ av orbital har olika kapacitet att hysa elektroner, vilka är:

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

Den stannar vid orbitalen där den sista elektronen som ges av Z har varit upptagen.

Moeller diagram exempel

För att bättre förstå hur Moeller-diagrammet fungerar kommer vi nedan att se några praktiska exempel på hur man ställer in elektronkonfigurationen för olika element.

Beryllium

För att fastställa den elektroniska konfigurationen av en neutral beryllium (Be) atom, vad vi först måste göra är att leta efter den i det periodiska systemet, en jordalkali som finns i den andra kolumnen och andra raden i tabellen. Dess atomnummer är 4, därför är Z = 4 och den har också 4 elektroner.

Med hänsyn till allt detta kommer vi att använda Moeller-diagrammet för att se hur de fyra elektronerna i detta element är placerade. Vi börjar med att göra diagonaler i ovan nämnda mening, uppifrån och ner och från höger till vänster.

När vi fyller orbitaler, Det rekommenderas att ange antalet elektroner som finns i var och en av dem som en upphöjd. Eftersom 1s är den första orbitalen och den upptar två elektroner kommer vi att skriva den:

Eftersom vi fortfarande har fria elektroner fortsätter vi att fylla i orbitaler. Nästa är 2s orbital och, som med 1s, upptar den 2 elektroner, därför 2s2. Eftersom vi redan har alla elektroner väl placerade i orbitalen till den neutrala atomen i Be kan vi säga att den elektroniska konfigurationen av detta element är:

Vi ser till att vi har gjort bra ifrån oss genom att lägga till de upphöjda texterna: 2 + 2 = 4

• Du kanske är intresserad av: "Molekylär kinetisk teori: materiens 3 tillstånd"

Match

Grundämnet fosfor (P) är en icke-metall som finns i tredje raden och kolumn 16 i det periodiska systemet, med Z = 15, därför har den totalt 15 elektroner som måste uppta orbitaler.

Efter att ha sett det föregående exemplet kan vi gå framåt en bit och lokalisera 4 av dess elektroner i samma orbitaler som beryllium har för sina 4 elektroner, saknar 9 elektroner plus.

Efter 2s orbitalen går nästa diagonal in i 2p orbitalen och slutar vid 3s orbitalen. 2p-orbitalen kan uppta 6 elektroner, och i fallet med 3s endast 2. Vi skulle alltså ha:

För tillfället har vi 12 elektroner välplacerade, men vi har fortfarande 3 till kvar. Vi gör ytterligare en diagonal och den här gången går vi in ​​genom 3p-banan enligt Moeller-diagrammet, en orbital som har plats för 6 elektroner, men eftersom vi bara har 3 elektroner kvar, kommer denna orbital inte att vara helt upptagen, vilket anger 3 som en upphöjd skrift. Således, för att avsluta fosfor, är dess elektroniska konfiguration som följer:

Vi ser till att vi har gjort bra ifrån oss genom att lägga till de upphöjda texterna: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15

Zirkonium

Grundämnet zirkonium (Zr) är en övergångsmetall som finns i kolumn 4 och rad 5 och har en Z = 40. Genom att förkorta vägen genom att dra fördel av det föregående exemplet kan vi lokalisera de första 18 elektronerna.

Efter 3p-orbitalen är de nästa att fylla på, som vägleder oss med Moeller-diagrammet, 4s-, 3d-, 4p- och 5s-orbitalerna, med kapacitet för 2, 10, 6 respektive 2 elektroner.

Att slutföra de första nio orbitalerna i diagrammet lägger till totalt 20 elektroner, lämnar de 2 återstående elektronerna som finns i nästa orbital, 4d. Således är elektronkonfigurationen för det neutrala elementet zirkonium:

Vi ser till att vi har gjort bra ifrån oss genom att lägga till de upphöjda texterna: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 2 = 40

Syre

Här ser vi ett lite mer komplicerat exempel som är syre (O). Denna gas finns i kolumn 16 och rad 2 i det periodiska systemet, det är en icke-metall och har ett atomnummer på 8.

Hittills, om vi tittar på de andra exemplen, skulle vi tro att dess Z = 8, men det är inte så enkelt eftersom denna gas är av en speciell natur, nästan alltid i form av en jon med en laddning på -2.

Detta betyder att även om en neutral syreatom har 8 elektroner, vilket indikeras av dess atomnummer, så har den Det är sant att den i naturen har mer, i sitt fall 10 (8 elektroner + 2 elektroner eller, om du föredrar, -8 laddningar elektriska -2).

Så i det här fallet, antalet elektroner som vi måste lokalisera i orbitalen är inte 8 utan 10 elektroner, som om vi skulle lokalisera elektronerna i det kemiska elementet neon som har Z = 10.

För att förstå detta behöver vi bara göra samma sak som vi har gjort i de tidigare fallen bara med hänsyn till att vi arbetar med en jon (anjon):

Vi ser till att vi har gjort bra ifrån oss genom att lägga till de upphöjda texterna: 2 + 2 + 6 = 10

Kalcium

Något liknande syre händer med kalcium (Ca), bara i det här fallet talar vi om en katjon, det vill säga en jon med en positiv laddning.

Detta grundämne finns i kolumn 2 rad 4 i det periodiska systemet med ett atomnummer på 20, dock i Naturen presenteras vanligtvis i form av en jon med en positiv laddning +2, vilket betyder att dess elektroniska laddning är 18 (- 20 + 2 = 18; 20 elektroner - 2 elektroner = 18 elektroner).

Vi ser till att vi har gjort bra ifrån oss genom att lägga till de upphöjda texterna: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Undantag från Moeller-diagrammet och Madelungs regel

Även om Moeller-diagrammet är mycket användbart för att förstå Madelungs regel och för att veta hur elektronerna i de olika kemiska elementen är lokaliserade, är sanningen att det inte är ofelbart. Det finns vissa ämnen vars sammansättning inte följer det vi har förklarat.

Deras elektronkonfigurationer skiljer sig experimentellt från de som förutspåtts av Madelungs regel av kvantskäl.. Bland dessa grundämnen som inte följer standarderna har vi: krom (Cr, Z = 24), koppar (Cu, Z = 29), silver (Ag, Z = 47), rodium (Rh, Z = 45), cerium ( Ce, Z = 58), niob (Nb; Z = 41), bland andra.

Undantag är mycket vanliga vid fyllning av d- och f-orbitaler. Till exempel, i fallet med krom, som bör ha en valenskonfiguration som slutar på 4s ^ 2 3d ^ 4 enligt Moeller-diagrammet och Madelungs regel, har det faktiskt en valenskonfiguration på 4s ^ 1 3d ^ 5. Ett annat konstigt exempel är silver, som istället för att ha 5s ^ 2 4d ^ 9 som det sista har 5s ^ 1 4d ^ 10.