Діаграма Меллера: що це таке, як вона використовується в хімії та приклади

Хімія може бути особливо складною, тому вітається будь-який інструмент, який полегшує навчання для тих, хто з нею знайомиться.

Одним з найпопулярніших методів ознайомлення з правилом Маделунга та електронною конфігурацією атомів є діаграма Меллера, графічне мнемонічне правило, яке дозволяє легко побачити, на яких орбіталях електрони.

Далі ми збираємося дізнатися, з чого складається діаграма Меллера, як воно пов’язане з правилом Маделунга, як воно застосовується за допомогою кількох розв’язаних прикладів і які хімічні елементи не підкоряються цій стратегії.

• Пов'язана стаття: «5 типів хімічних зв’язків: так складається матерія»

Що таке діаграма Меллера?

Діаграма Меллера, також відома як метод дощу або правило діагоналей, є графічний і мнемонічний метод вивчення правила Маделунга, методика пізнання та запису електронної конфігурації хімічних елементів.

Ця діаграма характеризується проведенням діагоналей через стовпці орбіталей зверху вниз справа наліво. Через діаграму Меллера визначається порядок заповнення орбіталей, який буде визначатися трьома квантовими числами: n, l і ml.

Діаграма Меллера працює відповідно до наступного:

Кожен стовпець відповідає іншій орбіталі, по якій циркулюють електрони атома, субатомні частинки, які мають негативний заряд. Йдеться про орбіталі: s, p, d і f, кожна з яких має певний простір для розміщення електронів і, отже, різні рівні енергії..

Якщо ми проведемо діагоналі або стрілки у вищезгаданому сенсі, ми отримаємо, що перша орбіталь дорівнює 1s. Друга стрілка починається з орбіталі 2s. Третя стрілка перетинає 2p і 3s. Четверта діагональ — 3p і 4s. П’ята діагональ — 3d, 4p і 5s і так далі. Діаграма Меллера є вступним прийомом для тих, хто починає вивчати електронні конфігурації елементів періодичної таблиці в хімії.

• Вас може зацікавити: «Шість основних галузей природничих наук»

Правило Маделунга

Оскільки діаграма Меллера є графічним зображенням правила Маделунга (у деяких країнах також відоме як правління Клечковського) ми повинні спочатку знати, про що йдеться. Відповідно до цього правила заповнення орбіталей атома повинно підкорятися наступним двом правилам:

Перше правило Маделунга

Спочатку заповнюються орбіталі з найменшими значеннями n + l, причому n – головне квантове число, а l – орбітальний кутовий момент..

Наприклад, 3d орбіталі відповідають n = 3 і l = 2. Отже, n + l = 3 + 2 = 5. Натомість орбіталі 4s відповідають n = 4 і l = 0, отже, n + l = 4 + 0 = 4. Звідси встановлено, що електрони спочатку заповнюють орбіталі 4s перед 3d, оскільки 4s = 4, а 3d = 5.

• Пов'язана стаття: «11 типів хімічних реакцій»

Друге правило Маделунга

Якщо дві орбіталі мають однакове значення n + l, то спочатку електрони займуть орбіталі з меншим значенням n.

Наприклад, 3d орбіталі має значення n + l = 5, ідентичне значенням 4p орбіталі (4 + 1 = 5), але оскільки 3d орбіталі має найменше значення для n, вона буде заповнена першою, ніж 4p орбітальна.

З усіх цих спостережень і правил можна досягти такого порядку заповнення атомних орбіталей: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p. Хоча цей порядок фіксований, запам’ятовувати його напам’ять складно, тому існує діаграма Меллера, яка графічно відображає його порядок.

• Вас може зацікавити: «9 постулатів атомної теорії Дальтона»

Дії, яких слід дотримуватися при використанні діаграми Меллера

Як ми вже коментували в попередньому розділі, правило Маделунга використовує формулу n + l, щоб встановити, що орбіталі заповнюються до і з цього визначають, яка електронна конфігурація елемента визначений. Однак діаграма Меллера вже зображує це графічно і легко, тому досить слідувати стовпці тієї ж діаграми і накресліть діагоналі, щоб дізнатися, в якому порядку орбіталі кожного елемент.

Щоб відкрити електронну конфігурацію атома та на яких орбіталях розташовані його електрони, ми повинні спочатку знати його атомний номер Z.. Число Z відповідає кількості електронів в атомі, якщо цей атом нейтральний, або що те саме, що це не йон, ні позитивний (катіон), ні негативний (аніон).

Таким чином, знаючи Z для нейтрального атома, ми вже знаємо, скільки електронів зазвичай має нейтральний атом цього елемента. Маючи це на увазі, ми почнемо малювати діагоналі на діаграмі Меллера. Треба враховувати, що кожен тип орбіталі має різну здатність розміщувати електрони, які є:

• s = 2 електрони
• p = 6 електронів
• d = 10 електронів
• f = 14 електронів

Він зупиняється на орбіталі, де був зайнятий останній електрон, заданий Z.

Приклади діаграм Меллера

Щоб краще зрозуміти, як працює діаграма Меллера, нижче ми побачимо кілька практичних прикладів налаштування електронної конфігурації різних елементів.

Берилій

Щоб встановити електронну конфігурацію нейтрального атома берилію (Be), ми повинні спочатку знайти його в періодичній таблиці, лужноземельний, який розташований у другому стовпці та другому рядку таблиці. Його атомний номер 4, отже Z = 4 і він також має 4 електрони.

Враховуючи все це, ми будемо використовувати діаграму Меллера, щоб побачити, як розташовані 4 електрони цього елемента. Почнемо з діагоналі у вищезгаданому сенсі, зверху вниз і справа наліво.

Коли ми заповнюємо орбіталі, Кількість електронів, знайдених у кожному з них, рекомендується поставити верхнім індексом. Оскільки 1s є першою орбіталлю і займає два електрони, запишемо її:

Оскільки у нас ще є вільні електрони, ми продовжуємо заповнювати орбіталі. Далі йде орбіталі 2s і, як і 1s, вона займає 2 електрони, отже 2s2. Оскільки ми вже маємо всі електрони, добре розташовані на орбіталях нейтрального атома Be, можна сказати, що електронна конфігурація цього елемента така:

Ми переконаємося, що ми зробили все добре, додавши верхні індекси: 2 + 2 = 4

• Вас може зацікавити: «Молекулярно-кінетична теорія: 3 стани речовини»

Матч

Елемент фосфор (P) є неметалом, знайденим у третьому рядку та стовпці 16 періодичної таблиці., з Z = 15, тому він має всього 15 електронів, які повинні займати орбіталі.

Побачивши попередній приклад, ми можемо просунутися трохи вперед і знайти 4 його електрони на тих же орбіталях, що берилій має для своїх 4 електронів, відсутні 9 електронів плюс.

Після орбіталі 2s наступна діагональ входить в орбіталі 2p і закінчується на орбіталі 3s. Орбіталі 2p можуть займати 6 електронів, а у випадку 3s лише 2. Таким чином, ми мали б:

На даний момент у нас є 12 електронів, які добре розташовані, але нам залишилося ще 3. Ми робимо ще одну діагональ і цього разу входимо через 3p-орбіталь відповідно до діаграми Меллера, орбіталі, на якій є місце для 6 електронів., але оскільки у нас залишилося лише 3 електрони, ця орбіталь не буде повністю зайнята, 3 поміщаються як верхній індекс. Таким чином, щоб покінчити з фосфором, його електронна конфігурація така:

Ми переконаємося, що ми зробили добре, додавши верхні індекси: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15

Цирконій

Елемент цирконій (Zr) є перехідним металом, знайденим у стовпці 4 і рядку 5 і має Z = 40. Скорочуючи шлях, використовуючи переваги попереднього прикладу, ми можемо знайти перші 18 електронів.

Після 3p-орбіталі наступні, які заповнюються, керуючись діаграмою Меллера, — це орбіталі 4s, 3d, 4p та 5s, які мають 2, 10, 6 та 2 електрони відповідно.

Завершення перших дев'яти орбіталей на діаграмі додає загалом 20 електронів, залишаючи 2 електрони, що залишилися, які знаходяться на наступній орбіталі, 4d. Таким чином, електронна конфігурація нейтрального елемента цирконію:

Ми переконаємося, що ми зробили добре, додавши верхні індекси: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 2 = 40

Кисень

Тут ми бачимо трохи складніший приклад – кисень (O). Цей газ міститься в колонці 16 і рядку 2 періодичної таблиці, він є неметалом і має атомний номер 8.

Поки що, дивлячись на інші приклади, ми могли б подумати, що його Z = 8, однак це не так просто, оскільки цей газ має особливу природу, майже завжди знаходиться у формі йона із зарядом -2.

Це означає, що, хоча нейтральний атом кисню має 8 електронів, як вказує його атомний номер, він має Це правда, що в природі він має більше, у його випадку 10 (8 електронів + 2 електрони або, якщо хочете, -8 зарядів електричний -2).

Отже, в цьому випадку, кількість електронів, які ми повинні розташувати на орбіталях, становить не 8, а 10 електронів, ніби ми шукаємо електрони хімічного елемента неону, який має Z = 10.

Розуміючи це, нам потрібно зробити те ж саме, що ми робили в попередніх випадках, тільки враховуючи, що ми працюємо з іоном (аніоном):

Ми переконаємося, що ми зробили добре, додавши верхні індекси: 2 + 2 + 6 = 10

кальцій

З кальцієм (Ca) відбувається щось подібне до кисню, тільки в цьому випадку мова йде про катіон, тобто про іон з позитивним зарядом.

Цей елемент знаходиться в стовпці 2, рядку 4 періодичної таблиці з атомним номером 20, однак у Природа зазвичай представлена ​​у вигляді іона з позитивним зарядом +2, що означає, що його електронний заряд дорівнює 18 (- 20 + 2 = 18; 20 електронів - 2 електрони = 18 електронів).

Ми переконаємося, що ми зробили добре, додавши верхні індекси: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Винятки з діаграми Меллера та правила Маделунга

Хоча діаграма Меллера дуже корисна, щоб зрозуміти правило Маделунга і знати, як розташовані електрони різних хімічних елементів, правда в тому, що вона не безпомилкова. Існують певні речовини, склад яких не відповідає тому, що ми пояснили.

Їх електронні конфігурації експериментально відрізняються від передбачених правилом Маделунга з квантових причин.. Серед цих елементів, які не відповідають стандартам, ми маємо: хром (Cr, Z = 24), мідь (Cu, Z = 29), срібло (Ag, Z = 47), родій (Rh, Z = 45), церій ( Ce, Z = 58), ніобій (Nb; Z = 41), серед інших.

Винятки дуже часті при заповненні d і f орбіталей. Наприклад, у випадку хрому, який повинен мати валентну конфігурацію, що закінчується на 4s ^ 2 3d ^ 4 згідно з діаграмою Меллера та правилом Маделунга, він насправді має валентну конфігурацію 4s ^ 1 3d ^ 5. Іншим дивним прикладом є срібло, яке замість 5s ^ 2 4d ^ 9 в якості останнього має 5s ^ 1 4d ^ 10.