Használja Madelung szabályát az elektronikus konfiguráció előrejelzésére

A Madelung-szabály egy empirikus szabály, amely az energetikai részhéjak kitöltési sorrendjét kívánja megjósolni sokelektronos atomokban . Ezt a szabályt 1936-ban Erwin Madelung német fizikus javasolta, és a Niels Bohr által javasolt konstrukciós elvvel vagy Aufbau elvvel együtt lehetővé teszi a periódusos rendszer első 20 elemének elektronikus konfigurációjának előrejelzését, valamint a periódusos rendszer első 20 elemének elektronikus konfigurációját. a legtöbb reprezentatív elem és néhány átmeneti elem (d és f blokkok).

Hogyan működik Madelung szabálya?

E szabály szerint egy sokelektronos atom alszintjeinek energiaszintjét az egyes részszintek első két kvantumszámának összege határozza meg , nevezetesen a fő kvantumszám (n) vagy energiaszint és a másodlagos kvantumszám ( l) vagy azimutális kvantumszám.

Ily módon a legalacsonyabb energiaszintű részszint 1s, mivel n=1 és l=0, tehát n+l=1. A következő táblázat mutatja ennek a két kvantumszámnak az értékeit a periódusos rendszer ismert elemeiben kitöltött különböző részhéjakhoz, valamint ezek összegének értékét. Emlékeztetni kell arra, hogy az l kapcsolódó értékei a különböző típusú alszintekhez (s, p, d és f) a következők:

• s esetén l = 0;
• p esetén l = 1;
• d esetén l = 2, és
• f esetén l = 3.

A lista folytatódik, de alapállapotában egyetlen elem sem tölti ki ezeket az alszinteket.

Miért következik a sorrend n+l és nem csak n?

Annak ellenére, hogy az egyetlen elektronnal rendelkező hidrogénatom esetében az azonos n értékhez tartozó összes részhéj azonos energiájú, a polielektron atomok esetében nem ez a helyzet. Ennek az az oka, hogy a sokelektronos atomokban az elektronok közötti taszító kölcsönhatások megzavarják az alhéjakat, amitől eltérő energiájúak. Madelung szabálya megjósolja, hogy ezeknek a zavart alhéjaknak az energiái valójában milyen sorrendben vannak.

Amint a fenti táblázatban láthatjuk, a 3d, 4p és 5s részhéjak mindegyike azonos n + l = 5 értékkel rendelkezik, tehát kisebb energiával kell rendelkezniük, mint például a 4d részhéjé.

De honnan tudjuk, hogy mi az energiasorrend a 3d, 4p és 5s alhéj között?

A választ erre a kérdésre is megadja a Madelung-szabály, mivel van egy második része, amely kimondja, hogy ugyanazon n+l összeg mellett az alhéjak energiasorrendjét a főkvantumszám határozza meg . Ily módon tudjuk, hogy először a 3d alszint, majd a 4p, majd az 5s következik.

Az Aufbau-elv és a Madelung-szabály

Madelung szabálya önmagában nem teszi lehetővé egy atom vagy ion elektronikus konfigurációjának megalkotását. Ez a szabály csak az atom energia-alszintjeinek energiasorrendjét jelzi. Az Aufbau elvnek vagy a konstrukciós elvnek köszönhetjük, hogy valóban tudjuk, hogyan töltődnek fel ezek az energia-alszintek.

A konstrukciós szabály azt mondja nekünk, hogy elképzelhetjük a polielektron atomokat, mint az atomokat, amelyek egyszerre egy protont és egy elektront építenek fel. Azt is kijelenti, hogy amint elektronokat és protonokat adunk egy alapállapotú atomhoz, az elektronok a rendelkezésre álló legalacsonyabb energiájú pályára mozognak.

Röviden, az építési elv azt mondja nekünk, hogy a különböző energia-alszintek alacsonyabbról magasabbra vannak feltöltve, és Madelung szabálya megmondja, hogy mi ez az energiarend. Az Aufbau-elv és a Madelung-szabály együttesen az úgynevezett esőszabályban foglalható össze, amely a sokelektronos atomok atomi alhéjainak kitöltési sorrendjének grafikus ábrázolása.

Egyéb szabályok szükségesek az elektronikus konfiguráció felépítéséhez

Az Aufbau-elv és a Madelung-szabály mellett a Hund-szabályra és a Pauli-elvre is szükség van egy atom elektronkonfigurációjának megalkotásához. Az első azt jelzi, hogy egy részszint pályáinak elektronokkal való feltöltésekor azokat úgy kell elhelyezni, hogy biztosítsák a spin maximális multiplicitását, minden pályára először egy elektront helyezve, másik elektron pedig csak akkor helyezhető el, ha az összes pálya az alszintnek megvan az első elektronja.

A Pauli-kizárási elv a maga részéről azt mondja, hogy ha egy második elektront ugyanarra a pályára kell helyezni, akkor +1/2 és -1/2 spineknek kell lenniük. Ez az utóbbi elv 2-re korlátozza a pályánkénti elektronok számát, és ezért egy részhéjban az elektronok maximális száma a benne lévő pályák számának kétszeresének felel meg. Így csak 2 elektron fér el az s részszinteken, 6 a p-ben, 10 a d-ben és 14 az f-ben.

Madelung szabálya az összes többi említett elvvel együtt azt jelenti, hogy a kitöltési sorrendet és az egyes részhéjakban elhelyezkedő elektronok maximális számát a következők határozzák meg:

A táblázat első sora az összes részhéjat mutatja sorrendben, és kitevőként az egyes elektronok maximális számát. A második sor az egyes részhéjak teljes kitöltésére alkalmas elektronok teljes számát mutatja. Például a 4d ¹⁰ alatt megjelenő 48-as szám azt jelzi, hogy a 4d részhéj és az összes korábbi részhéj teljes kitöltéséhez összesen 48 elektronra van szükség.

Ez a táblázat különösen hasznos elektronikus konfigurációk írásához, mivel ha egy atomban vagy ionban az összes elektronszám van, akkor csak azt a számot kell megtalálni a második sorban, amelyik legközelebb van hozzá. Így tudni fogjuk, hogy az atom melyik alszintig van teljesen feltöltve. A fennmaradó elektronokat ezután hozzáadjuk a következő alhéjhoz.

Nézzük meg, hogyan alkalmazzák ezt néhány példában.

Példák a Madelung-szabály használatára egy atom vagy ion elektronikus konfigurációjának előrejelzésére

A rubídium elektronkonfigurációja (Rb)

A rubídium a 37-es számú elem, tehát 37 elektronja van. A hozzá legközelebb eső előző táblázat összes elektronszáma 36, ​​ami a 4p alszintnek felel meg. Más szóval, a rubídiumnak 4p-ig minden alszintje teljesen kitöltve van, és a 37 és 36 közötti különbség, ami csak 1 elektron, a következő alszinten található, ami 5s. Ezért a rubídium elektronikus konfigurációja:

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

A kén elektronikus konfigurációja (S)

A kén a 16 elem, és 16 elektronja van. ^{Ezért 3s-ig kitölti az összes részhéjat, és a maradék 4 elektron (amelyek a 16e –} – 12e ^– kivonásából származnak ) a 3p részhéjban található:

1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁴

A jód (I) elektronkonfigurációja

A jódnak 53 elektronja van, így kitölti az összes alhéjat 4d-ig (összesen 48 e ^– ), a maradék 53 – 48 = 5 e ^– menjen az 5p alhéjra:

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

A klorid anion elektronkonfigurációja (Cl ^– )

Az ionok esetében a semleges elem elektronjainak számából ki kell vonnunk az elektromos töltést (mindennel és annak előjelével). Például a klorid esetében a klórban 17 e ^{– , tehát a kloridban 17 – (–1)=18 e –} kell . Amint látjuk, ez a szám egybeesik azzal, hogy a 3p alhéj tele van:

1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶

A kation kalcium (II) elektronikus konfigurációja (Ca ²⁺ )

Mivel a kalcium töltése pozitív, két elektront levonunk a semleges atom elektronjainak számából. Ebben az esetben a 20. atomról van szó, tehát a kalciumkationban lévő elektronok száma 20 – 2 = 18 e ^– . Ezért ugyanazzal az elektronikus konfigurációval rendelkezik, mint a kloridion.

1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶

Hivatkozások

Britannica Encyclopedia. (2008, július 22.). Aufbau elv . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Aufbau-principle

Chemicool. (2020). A Madelung-szabály meghatározása . Kémiai szótár. https://www.chemicool.com/definition/madelung-rule.html

Luis, J. (2019, szeptember 28.). Kivételek Madelung szabálya alól a kémiai elemek elektronikus konfigurációjában . 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/

Oxford Referencia. (2021). Madelung szabálya . Oxford Referencia. https://www.oxfordreference.com/view/10.1093/oi/authority.20110803100124745