Използвайте правилото на Madelung, за да предвидите електронната конфигурация

Правилото на Маделунг е емпирично правило, което се стреми да предвиди реда на запълване на енергийните подобвивки в многоелектронни атоми . Това правило е предложено през 1936 г. от немския физик Ервин Маделунг и заедно с принципа на конструиране или принципа на Ауфбау, предложен от Нилс Бор, позволява да се предвиди електронната конфигурация на първите 20 елемента от периодичната таблица, както и тази на повечето от представителните елементи и някои от преходните елементи (d и f блокове).

Как работи правилото на Маделунг?

Съгласно това правило енергийното ниво на поднивата на многоелектронен атом се определя от сумата на първите две квантови числа на всяко подниво, а именно основното квантово число (n) или енергийно ниво, и второстепенното квантово число ( л) или азимутално квантово число.

По този начин поднивото, което има най-ниското енергийно ниво, е 1s, тъй като има n=1 и l=0, следователно n+l=1. Следващата таблица показва стойностите на тези две квантови числа за различните подчерупки, които са попълнени в известните елементи на периодичната таблица, както и стойността на тяхната сума. Трябва да се помни, че свързаните стойности на l за различните видове поднива (s, p, d и f) са:

• за s, l = 0;
• за p, l = 1;
• за d, l = 2 и
• за f, l = 3.

Списъкът продължава, но никой елемент в основното си състояние никога не запълва тези поднива.

Защо редът следва n+l, а не само n?

Въпреки факта, че за водородния атом, който има един електрон, всички подобвивки за една и съща стойност на n имат една и съща енергия, това не е така за полиелектронните атоми. Това е така, защото отблъскващите взаимодействия между електроните в многоелектронните атоми смущават подчерупките, което ги кара да имат различни енергии. Правилото на Маделунг предсказва в кой ред действително се намират енергиите на тези смутени подчерупки.

Както можем да видим в таблицата по-горе, всички подобвивки 3d, 4p и 5s имат една и съща стойност от n + l = 5, така че трябва да имат по-ниска енергия от, например, подобвивката 4d.

Но как да разберем какъв е енергийният ред между подобвивките 3d, 4p и 5s?

Отговорът на този въпрос също се предоставя от правилото на Маделунг, тъй като то има втора част, която гласи, че за една и съща сума от n+l енергийният ред на подчерупките се определя от главното квантово число . По този начин тогава знаем, че първо е поднивото 3d, следвано от 4p и след това от 5s.

Принципът на Ауфбау и правилото на Маделунг

Правилото на Маделунг само по себе си не ни позволява да конструираме електронната конфигурация на атом или йон. Това правило показва само енергийния ред на енергийните поднива на атома. Благодарение на принципа на Aufbau или принципа на конструкцията ние наистина знаем как се запълват тези енергийни поднива.

Правилото за конструиране ни казва, че можем да си представим полиелектронните атоми като атоми, които изграждат един протон и един електрон наведнъж. Той също така гласи, че когато добавяме електрони и протони към атом в неговото основно състояние, електроните ще се преместят към най-ниската налична енергийна орбитала.

Накратко, принципът на конструиране ни казва, че различните енергийни поднива се запълват от по-ниска към по-висока енергия, а правилото на Маделунг ни казва какъв е този ред на енергия. Заедно принципът на Ауфбау и правилото на Маделунг са обобщени в така нареченото правило за дъжд, което е графичен начин за представяне на реда на запълване на атомните подобвивки на многоелектронни атоми.

Други правила, необходими за изграждане на електронна конфигурация

В допълнение към принципа на Ауфбау и правилото на Маделунг, правилото на Хунд и принципът на изключване на Паули също са необходими за конструиране на електронната конфигурация на атома. Първият показва, че при запълване на орбиталите на подниво с електрони, те трябва да бъдат поставени по такъв начин, че да осигурят максималната множественост на спина, като първо се постави един електрон във всяка орбитала, а друг електрон може да бъде поставен само когато всички орбитали на поднивото имат своя първи електрон.

От своя страна принципът на изключване на Паули казва, че ако втори електрон трябва да бъде поставен в същата орбитала, те трябва да имат противоположни завъртания от +1/2 и -1/2. Този последен принцип ограничава броя на електроните на орбитала до 2 и следователно максималният брой електрони в подобвивка съответства на два пъти броя на орбиталите в нея. Така само 2 електрона се побират в s поднивата, 6 се вписват в p, 10 в d и 14 в f.

Правилото на Маделунг, заедно с всички други споменати принципи, предполага, че редът на запълване и максималният брой електрони, които се побират във всяка подобвивка, се определя от:

Първият ред на тази таблица показва всички подчерупки в ред и като експонента максималния брой електрони, които могат да се поберат във всяка от тях. Вторият ред показва общия брой електрони, които могат да се поберат, за да запълнят напълно всяка подобвивка. Например, числото 48, което се появява под 4d ^10, показва, че за пълното запълване на подобвивката 4d и всички предишни подобвивки са необходими общо 48 електрона.

Тази таблица е особено полезна за писане на електронни конфигурации, тъй като, когато имате общия брой електрони в атом или йон, е необходимо само да намерите числото във втория ред, който е най-близо до него по-долу. Така ще знаем до кое подниво атомът е напълно запълнен. След това останалите електрони се добавят към следващата подобвивка.

Нека да видим как това се прилага в някои примери.

Примери за използване на правилото на Маделунг за предсказване на електронната конфигурация на атом или йон

Електронна конфигурация на рубидий (Rb)

Рубидият е елемент номер 37, така че има 37 електрона. Общият брой електрони от предишната таблица, който е най-близо до нея по-долу, е 36, съответстващи на подниво 4p. С други думи, рубидият има всички поднива до 4p напълно запълнени и разликата между 37 и 36, която е само 1 електрон, се намира в следващото подниво, което е 5s. Следователно електронната конфигурация на рубидий е:

1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ^{2 3p 6} 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s 1

Електронна конфигурация на сяра (S)

Сярата е елемент 16 и има 16 електрона. Следователно, той запълва всички подобвивки до 3s, а останалите 4 електрона (които идват от изваждането на 16e ^– – 12e ^– ) се намират в 3p подобвивката:

1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁴

Електронна конфигурация на йод(I)

Йодът има 53 електрона, така че запълва всички подобвивки до 4d (с общо 48 e ^– ), а останалите 53 – 48 = 5 e ^– отиват в подобвивката 5p:

1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ¹⁰ 5p ⁵

Електронна конфигурация на хлоридния анион (Cl ^– )

В случай на йони трябва да извадим електрическия заряд (с всичко и неговия знак) от броя на електроните на неутралния елемент. Например, в случая на хлорид, хлорът има 17 e ^– , така че хлоридът трябва да има 17 – (–1)=18 e ^– . Както виждаме, това число съвпада с това, че 3p подобвивката е пълна:

1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶

Електронна конфигурация на калциевия катион (II) (Ca ²⁺ )

Тъй като зарядът на калция е положителен, два електрона ще бъдат извадени от броя на електроните в неутралния атом. В този случай това е 20-ият атом, така че броят на електроните в калциевия катион е 20 – 2 = 18 e ^– . Следователно той споделя същата електронна конфигурация като хлоридния йон.

1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶

Препратки

Енциклопедия Британика. (2008, 22 юли). Принцип на Aufbau . Енциклопедия Британика. https://www.britannica.com/science/Aufbau-principle

Chemicool. (2020 г.). Дефиниция на правилото на Маделунг . Речник по химия. https://www.chemicool.com/definition/madelung-rule.html

Луис, Дж. (2019 г., 28 септември). Изключения от правилото на Маделунг в електронната конфигурация на химичните елементи . TRIPLELINK. https://triplenlace.com/2013/08/06/exceptions-to-the-madelung-rule-and-the-moeller-diagram-in-the-electronic-configuration-of-the-elements- chemicals-2/

Оксфордски справочник. (2021 г.). Правилото на Маделунг . Оксфордски справочник. https://www.oxfordreference.com/view/10.1093/oi/authority.20110803100124745