DIFFERENTIALELEKTRONEN: QUANTENZAHLEN UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Das differentielle oder differenzierende Elektron ist das letzte Elektron, das in der Sequenz der Elektronenkonfiguration eines Atoms platziert ist. Was ist sein Name? Um diese Frage zu beantworten, ist die Grundstruktur eines Atoms notwendig: sein Kern, das Vakuum und die Elektronen.

Der Kern ist ein dichtes und kompaktes Aggregat aus positiven Teilchen, die Protonen genannt werden, und aus neutralen Teilchen, die Neutronen genannt werden. Protonen definieren die Ordnungszahl Z und bilden zusammen mit Neutronen die Atommasse. Ein Atom kann jedoch nicht nur positive Ladungen tragen; Daher kreisen die Elektronen um den Kern, um ihn zu neutralisieren.

Für jedes Proton, das sich dem Kern anschließt, verbindet sich ein neues Elektron mit seinen Orbitalen, um der zunehmenden positiven Ladung entgegenzuwirken. Auf diese Weise ist das neu hinzugefügte Elektron, das Differentialelektron, eng mit der Ordnungszahl Z verwandt.

Das Differentialelektron befindet sich in der äußersten elektronischen Hülle: der Valenzschale. Je weiter Sie vom Kern entfernt sind, desto größer ist die damit verbundene Energie. Es ist diese Energie, die für ihre Beteiligung sowie die der übrigen Valenzelektronen an den charakteristischen chemischen Reaktionen der Elemente verantwortlich ist.

Quantenzahlen

Wie der Rest der Elektronen kann das Differentialelektron durch seine vier Quantenzahlen identifiziert werden. Aber was sind Quantenzahlen? Sie sind "n", "l", "m" und "s".

Die Quantenzahl "n" bezeichnet die Größe des Atoms und die Energieniveaus (K, L, M, N, O, P, Q). «L» ist die sekundäre oder azimutale Quantenzahl, die die Form der Atomorbitale angibt und für die Orbitale «s», «p», «d» und «f» Werte von 0, 1, 2 und 3 annimmt. , beziehungsweise.

"M" ist die magnetische Quantenzahl und gibt die räumliche Ausrichtung der Orbitale unter einem Magnetfeld an. Also 0 für das Orbital «s»; -1, 0, +1 für das "p" -Orbital; -2, -1, 0, +1, +2 für das "d" -Orbital; und -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 für das "f" -Orbital. Schließlich die Spinquantenzahl «s» (+1/2 für ↑ und -1/2 für ↓).

Daher hat ein Differentialelektron die vorherigen Quantenzahlen ("n", "l", "m", "s") zugeordnet. Da es der neuen positiven Ladung entgegenwirkt, die durch das zusätzliche Proton erzeugt wird, liefert es auch die Ordnungszahl Z des Elements.

Woher kennt man das Differentialelektron?

Das obige Bild zeigt die Elektronenkonfigurationen für Elemente von Wasserstoff bis Neongas (H → Ne).

Dabei werden die Elektronen der offenen Schalen durch die Farbe Rot angezeigt, während die der geschlossenen Schalen durch die Farbe Blau angezeigt werden. Die Schichten beziehen sich auf die Quantenzahl "n", die erste der vier.

Auf diese Weise fügt die Valenzkonfiguration von H (↑ in rot) ein weiteres Elektron mit entgegengesetzter Orientierung hinzu, um das von He zu werden (↓ ↑, beide blau, da jetzt Stufe 1 geschlossen ist). Dieses hinzugefügte Elektron ist dann das Differentialelektron.

So ist grafisch zu sehen, wie sich das Differentialelektron zur Valenzschale (rote Pfeile) der Elemente addiert und diese voneinander unterscheidet. Die Elektronen füllen die Orbitale unter Beachtung der Hundschen Regel und des Paulingschen Ausschlussprinzips (perfekt beobachtet von B nach Ne).

Und was ist mit Quantenzahlen? Diese definieren jeden Pfeil - das heißt jedes Elektron - und ihre Werte können mit der Elektronenkonfiguration bestätigt werden, um zu wissen, ob sie die des Differentialelektronens sind oder nicht.

Beispiele in mehreren Elementen

Chlor

Im Fall von Chlor (Cl) ist seine Ordnungszahl Z gleich 17. Die Elektronenkonfiguration beträgt dann 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁵ . Die rot markierten Orbitale entsprechen denen der Valenzschale, die eine offene Ebene 3 hat.

Das Differentialelektron ist das letzte Elektron, das in die Elektronenkonfiguration gebracht wird, und das Chloratom ist das des 3p-Orbitals, dessen Anordnung wie folgt ist:

↑ ↓

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

Unter Beachtung der Hundschen Regel werden zuerst die 3p-Orbitale gleicher Energie gefüllt (ein Aufwärtspfeil in jedem Orbital). Zweitens paaren sich die anderen Elektronen von links nach rechts mit den einzelnen Elektronen. Das Differentialelektron ist in einem grünen Rahmen dargestellt.

Somit hat das Differentialelektron für Chlor die folgenden Quantenzahlen: (3, 1, 0, -1/2). Das heißt, "n" ist 3; "L" ist 1, Orbital "p"; "M" ist 0, weil es das mittlere "p" -Orbital ist; und "s" ist -1/2, da der Pfeil nach unten zeigt.

Magnesium

Die Elektronenkonfiguration für das Magnesiumatom ist 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² und repräsentiert das Orbital und sein Valenzelektron auf die gleiche Weise:

↑ ↓

3s

0

Dieses Mal hat das Differentialelektron die Quantenzahlen 3, 0, 0, -1/2. Der einzige Unterschied in diesem Fall in Bezug auf Chlor besteht darin, dass die Quantenzahl «l» 0 ist, weil das Elektron ein Orbital «s» (die 3s) besetzt.

Zirkonium

Die Elektronenkonfiguration für das Zirkoniumatom (Übergangsmetall) beträgt 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ² . In der gleichen Weise wie in den vorherigen Fällen ist die Darstellung der Orbitale und Valenzelektronen wie folgt:

Somit sind die Quantenzahlen für das grün markierte Differentialelektron: 4, 2, -1, +1/2. Da das Elektron das zweite "d" -Orbital einnimmt, hat es hier eine Quantenzahl "m" gleich -1. Da der Pfeil nach oben zeigt, ist seine Spinzahl "s" gleich +1/2.

Unbekanntes Element

Die Differentialelektronenquantenzahlen für ein unbekanntes Element sind 3, 2, +2, -1/2. Was ist die Ordnungszahl Z des Elements? Wenn Sie Z kennen, können Sie herausfinden, was das Element ist.

Dieses Mal bedeutet "n" gleich 3, dass sich das Element in der dritten Periode des Periodensystems befindet, mit "d" -Orbitalen als Valenzschale ("l" gleich 2). Daher werden die Orbitale wie im vorherigen Beispiel dargestellt:

↑ ↓

Die Quantenzahlen "m" gleich +2 und "s" gleich -1/2 sind der Schlüssel zur korrekten Lokalisierung des Differentialelektronens im letzten 3d-Orbital.

Somit hat das gesuchte Element volle 3d ¹⁰ -Orbitale sowie seine internen elektronischen Schalen. Zusammenfassend ist das Element das Metall Zink (Zn).

Die Quantenzahlen des Differentialelektronens können jedoch nicht zwischen Zink und Kupfer unterscheiden, da das letztere Element auch volle 3d-Orbitale aufweist. Warum? Weil Kupfer ein Metall ist, das aus Quantengründen nicht den Regeln zum Füllen von Elektronen entspricht.

Verweise

1. Jim Branson. (2013). Hunds Regeln. Abgerufen am 21. April 2018 von: quantummechanics.ucsd.edu
2. Vorlesung 27: Hunds Regeln. Abgerufen am 21. April 2018 von: ph.qmul.ac.uk.
3. Purdue Universität. Quantenzahlen und Elektronenkonfigurationen. Abgerufen am 21. April 2018 von: chemed.chem.purdue.edu
4. Salvat Encyclopedia of Sciences. (1968). Física Salvat, SA de Ediciones Pamplona, ​​Band 12, Spanien, Seiten 314-322.
5. Walter J. Moore. (1963). Physikalische Chemie. In Teilchen und Wellen. Vierte Ausgabe, Longmans.