Differential-Elektron-Quantenzahlen, wie man es kennt und Beispiele

Die Differentialelektron oder Differenzierer ist das letzte Elektron, das in die Sequenz der elektronischen Konfiguration eines Atoms gesetzt wird. Warum ist sein Name? Um diese Frage zu beantworten, ist die Grundstruktur eines Atoms notwendig: Kern, Vakuum und Elektronen.

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

Daher wird für jedes Proton, das dem Kern hinzugefügt wird, ein neues Elektron in seine Orbitale eingebaut, um der zunehmenden positiven Ladung entgegenzuwirken. Auf diese Weise ist das neue hinzugefügte Elektron, das Differentialelektron, eng mit der Ordnungszahl Z verbunden.

Das Differentialelektron befindet sich in der äußersten elektronischen Schicht: der Valenzschicht. Je weiter du also vom Kern entfernt bist, desto größer ist die damit verbundene Energie. Es ist diese Energie, die für ihre Beteiligung ebenso verantwortlich ist wie für die übrigen Valenzelektronen in den chemischen Reaktionen, die für die Elemente charakteristisch sind.

Index

• 1 Quantenzahlen
• 2 Wie kann man das Differentialelektron kennen?
• 3 Beispiele in mehreren Elementen
  • 3.1 Chlor
  • 3.2 ↑↓  ↑↓  ↑_
  • 3.3 Magnesium
  • 3.4 ↑↓
  • 3.5 Zirkonium
  • 3.6 Unbekanntes Element
  • 3.7 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
• 4 Referenzen

Quantenzahlen

Wie die übrigen Elektronen kann das Differentialelektron durch seine vier Quantenzahlen identifiziert werden. Aber was sind die 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 anzeigt, und nimmt Werte von 0, 1, 2 und 3 für die Orbitale "s", "p", "d" und "f" an jeweils.

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

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

Wie kann man das Differentialelektron kennen?

Im oberen Bild sind die elektronischen Konfigurationen für die Elemente von Wasserstoff zu Neongas (H → Ne) dargestellt.

Darin sind die Elektronen der offenen Schichten mit der roten Farbe angezeigt, während die der geschlossenen Schichten mit der blauen Farbe angezeigt sind. Die Schichten beziehen sich auf die Quantenzahl "n", die erste der vier.

Auf diese Weise fügt die Valenzkonfiguration von H (↑ der roten Farbe) ein anderes Elektron mit entgegengesetzter Orientierung hinzu, um dasjenige von He zu werden (↓ ↑, beide blau, weil jetzt die Ebene 1 geschlossen ist). Dieses hinzugefügte Elektron ist dann das Differentialelektron.

So kann graphisch beobachtet werden, wie das Differentialelektron zur Valenzschicht (rote Pfeile) der Elemente addiert wird, um sie voneinander zu unterscheiden. Die Elektronen füllen die Orbitale in Bezug auf die Regel von Hund und das Prinzip des Ausschlusses von Pauling (perfekt beobachtet von B bis Ne).

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

Beispiele in mehreren Elementen

Chlor

Für den Fall von Chlor (Cl) ist seine Ordnungszahl Z gleich 17. Die elektronische Konfiguration ist dann 1s²2s²sp⁶3s²3p⁵. Die rot markierten Orbitale entsprechen denen der Valenzschicht, die Level 3 offen hat.

Das Differentialelektron ist das letzte Elektron, das in der elektronischen Konfiguration angeordnet ist, und das Chloratom ist das des 3p-Orbitals, dessen Anordnung wie folgt ist:

↑↓  ↑↓  ↑_

3px 3py 3pz

(-1)  (0)  (+1)

Respektieren Sie Hunds Regel, füllen Sie zuerst die 3p-Orbitale gleicher Energie (ein Pfeil oben in jedem Orbital). Zweitens paaren sich die anderen Elektronen mit den einzelnen Elektronen von links nach rechts. 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 "p" Orbital des Mediums ist; und "s" ist -1/2, da der Pfeil nach unten zeigt.

Magnesium

Die elektronische Konfiguration für das Magnesiumatom ist 1s²2s²sp⁶3s², das das Orbital und sein Valenzelektron in gleicher Weise darstellt:

↑↓

3s

0

Diesmal 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 "1" 0 ist, weil das Elektron ein "s" Orbital (die 3s) besetzt.

Zirkonium

Die elektronische Konfiguration für das Zirkonatom (Übergangsmetall) ist 1s²2s²sp⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d². Wie in den vorherigen Fällen ist die Darstellung von Valenzorbitalen und Elektronen wie folgt:

Die Quantenzahlen für das differentielle Elektron, das grün markiert ist, sind also: 4, 2, -1, +1/2. Da das Elektron das zweite Orbital "d" besetzt, hat es eine Quantenzahl "m" gleich -1. Da der Pfeil nach oben zeigt, ist seine Spinzahl "s" gleich +1/2.

Unbekanntes Element

Die Quantenzahlen des Differentialelektrons für ein unbekanntes Element sind 3, 2, +2, -1/2. Wie lautet die Ordnungszahl Z des Elements? Wenn man Z kennt, kann man entschlüsseln, was das Element ist.

Da "n" gleich 3 ist, bedeutet dieses Mal, dass sich das Element in der dritten Periode des Periodensystems befindet, mit "d" -Orbitalen als Valenzschicht ("1" gleich 2). Daher werden die Orbitale wie im vorherigen Beispiel dargestellt:

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓

Die Quantenzahlen "m" gleich +2 und "s" gleich -1/2 sind Schlüssel, um das Differentialelektron im letzten 3d-Orbital korrekt zu lokalisieren.

Somit hat das gesuchte Element die 3d-Orbitale¹⁰ voll, genau wie seine internen elektronischen Schichten. Zusammenfassend ist das Element Zinkmetall (Zn).

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

Referenzen

1. Jim Branson (2013). Hunds Regeln. Abgerufen am 21. April 2018 von: quantummechanics.ucsd.edu
2. Vortrag 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 Enzyklopädie der Wissenschaften. (1968). Physik Salvat, S.A. von Ediciones Pamplona, ​​Band 12, Spanien, S. 314-322.
5. Walter J. Moore. (1963). Physikalische Chemie in Teilchen und Wellen. Vierte Ausgabe, Longmans.