مفاهیم

در این آموزش، نحوه پیدا کردن و نوشتن آن را یاد خواهید گرفت ساختار الکترونی و نمودار مداری برای عناصر مختلف با استفاده از جدول تناوبی. شما با اصل Aufbau، قانون Hund و اصل طرد پاولی آشنا خواهید شد. اگر از این آموزش لذت می برید، حتماً موارد دیگر ما را در لینک زیر بررسی کنید!

پیکربندی الکترون

پیکربندی الکترون توصیفی از مکان الکترون ها در یک مولکول یا اتم است. الکترون ها اوربیتال هایی را اشغال می کنند که سطوح مشخصی از انرژی دارند. سیستم‌هایی که تعداد الکترون‌های بیشتری دارند، سطح انرژی بیشتری را اشغال می‌کنند، به این معنی که از سطوح انرژی بالاتری نیز استفاده می‌کنند. پیکربندی‌های الکترونی با نمادهای نوشتاری استاندارد یا با استفاده از نمودارهای مداری نشان داده می‌شوند.

نوشتن تنظیمات الکترون

پیکربندی های الکترون دارای یک نماد استاندارد هستند که سطوح اصلی انرژی و سطوح فرعی که الکترون ها را اشغال می کنند را به شما می گوید. در اینجا پیکربندی الکترونی برای هلیم است:

1س²

اولین عدد صحیح، 1، به ما می دهد سطح انرژی اصلی، حرف s نشان دهنده نوع است مداری (زیر سطح)و بالانویس 2 به ما می دهد اشغال الکترون. در این حالت، دو الکترون در یک اوربیتال s با سطح انرژی اصلی یک وجود دارد.

سیستم‌هایی که تعداد الکترون‌های بیشتری دارند، سطح انرژی بیشتری را اشغال خواهند کرد. پیکربندی الکترون برای لیتیوم به صورت زیر است:

1s² 2 ثانیه¹

لیتیوم که شامل سه الکترون است، دارای دو الکترون است که یک اوربیتال s را در سطح انرژی اول و یک الکترون که یک اوربیتال s را در سطح انرژی دوم اشغال می کند.

جدول تناوبی ابزاری مفید برای نوشتن این تنظیمات است. سطح انرژی اصلی با یک عدد صحیح (1، 2، 3، …7) نشان داده می شود که با دوره های جدول تناوبی مطابقت دارد. هر عدد صحیح متوالی به طور کلی نشان دهنده سطح انرژی بالاتر از آخرین است. سطوح فرعی با حروف s، p، d و f نشان داده می شوند. گروه ها یا بلوک های جدول تناوبی در یک سطح فرعی مشترک هستند و همانطور که در نمودار زیر مشاهده می شود تقسیم می شوند.

نوشتن پیکربندی های الکترون – مثال ها

برای پیدا کردن پیکربندی الکترونی یک عنصر، از هیدروژن شروع کنید و در هر دوره تا رسیدن به عنصر هدف دنبال کنید. در هر عنصر قبلی، به سطح انرژی توجه کنید و آن را مسدود کنید. بیایید در این بخش زیر تمرین کنیم.

لیتیوم

یک بار دیگر از مثال لیتیوم استفاده خواهیم کرد. ما با توجه خود به هیدروژن شروع می کنیم (1s¹، به هلیوم بروید (1s²، و سپس به لیتیوم (2s¹). بنابراین پیکربندی الکترون برای لیتیوم است 1s² 2 ثانیه¹.

نکته: نیمه اول پیکربندی الکترون لیتیوم فقط با استفاده از «1s» نوشته شده است²” و نه “1s¹1s²زیرا بین هیدروژن و هلیوم، سطح انرژی و مداری تغییر نمی کند. فقط اشغال الکترون تغییر می کند، که ما آن را با تغییر ابرنویس از 1 به 2 نشان می دهیم.

کربن

جدول تناوبی را که از هیدروژن شروع می شود، مانند نمونه لیتیوم دنبال کنید. کربن در پریود دوم و در بلوک p قرار دارد، بنابراین الکترون‌های دارای بالاترین انرژی اوربیتال 2p را اشغال خواهند کرد. پیکربندی پوسته الکترونی 1s است²2 ثانیه²2p². همچنین می‌توانیم این پاسخ را با توجه به اینکه کربن شماره شش جدول تناوبی است، و بنابراین شش الکترون دارد، تأیید کنیم. اگر الکترون های هر اوربیتال را برای پیکربندی کربن بشماریم، 2+2+2=6 به دست می آید!

فسفر

حالا بیایید فسفر را در جدول تناوبی پیدا کنیم. در دوره سوم و درون بلوک p قرار دارد. علاوه بر این، دارای پانزده الکترون است. پیکربندی لایه الکترونی برای فسفر 1s خواهد بود²2 ثانیه²2p⁶3s²3p³.

نوشتن پیکربندی های الکترون – روش کوتاه نویسی

در صورت تمایل، هنوز هم می توانید تک تک لایه های فرعی را بنویسید، اما برای صرفه جویی در زمان، خوب است که روش مختصر پیکربندی الکترون را بدانید. روش کوتاه نویسی از عناصر گروه 18، گازهای نجیب، به عنوان نشانک استفاده می کند.

برم

برم در دوره چهار بلوک p قرار دارد. به یاد داشته باشید، برای پیکربندی های الکترونی، دوره ها را از چپ به راست و پایین کار می کنید تا زمانی که به عنصری که روی آن تمرکز می کنید برسید. آخرین گاز نجیب که برای برم عبور داده شد، آرگون (Ar) بود. با استفاده از روش دست کوتاه، آرگون را در براکت هایی مانند این قرار می دهیم [Ar] و سپس پیکربندی الکترون را بعد از آرگون ادامه دهید. به این شکل خواهد بود: [Ar] 4s²3 بعدی¹⁰4p⁵.

کلر

کلر در دوره سه بلوک p قرار دارد. آخرین گاز نجیب که برای کلر عبور داده شد نئون (Ne) بود. با استفاده از روش دست کوتاه، نئون را در براکت ها قرار می دهیم و سپس پیکربندی الکترون را ادامه می دهیم. به این شکل خواهد بود: [Ne] 3s2 3p5.

نمودار مداری چیست؟

راه دیگر برای نشان دادن پیکربندی الکترون از طریق نمودار مداری است. در یک نمودار مداری، اوربیتال ها به صورت جعبه و الکترون ها با فلش های (↑ یا ↓) نشان داده می شوند که دو الکترون هر اوربیتال/جعبه را اشغال می کنند. اوربیتال‌ها بر اساس سطوح انرژی اصلی و سطوح فرعی (1s، 2p، و غیره) برچسب‌گذاری می‌شوند. هلیوم با دو الکترون در اوربیتال 1s دارای نمودار مداری زیر است.

برای ترسیم موفقیت آمیز نمودار مداری، باید از چند اصل آگاه باشید که نحوه پر شدن این اوربیتال ها را دیکته می کند.

اصل Aufbau

Aufbau آلمانی برای “ساختن” است، بنابراین این قانون نحوه پر شدن مدارها را بر اساس حالت انرژی آنها دیکته می کند. این اصل بیان می کند که اوربیتال های الکترونی با انرژی کمتر قبل از اوربیتال های با انرژی بالاتر پر می شوند. بنابراین، اوربیتال 1s قبل از اوربیتال 2s پر می شود و اوربیتال 2s قبل از اوربیتال 2p پر می شود و به همین ترتیب. با این حال، پوسته 4s قبل از پوسته 3d پر می شود زیرا پوسته 4s انرژی کمتری نسبت به پوسته 3d دارد.

در مثال زیر، پیکربندی A یک اوربیتال 1s کاملاً اشغال شده و یک اوربیتال 2s نیمه اشغال شده را نشان می دهد. پیکربندی B یک اوربیتال 1s نیمه اشغال شده و یک اوربیتال 2s کاملاً اشغال شده را نشان می دهد. بر اساس اصل Aufbau، به نظر شما پیکربندی الکترونی لیتیوم کدام است؟

از آنجایی که اوربیتال 1s انرژی کمتری نسبت به اوربیتال 2s دارد، ابتدا باید اوربیتال 1s پر شود، و هر الکترون باقیمانده باید برای پر کردن اوربیتال 2s استفاده شود، که پیکربندی A را نمودار مداری درستی برای لیتیوم می کند.

در مرحله بعد، اگر اوربیتال ها انرژی یکسانی داشته باشند، چگونه می توانیم پر کنیم؟

قانون هوند

قانون هاند دیکته می کند که چگونه مدارهای با انرژی یکسان باید پر شوند. قبل از اینکه دو الکترون بتوانند همان اوربیتال را اشغال کنند، یک الکترون به هر یک از این اوربیتال ها داده می شود. تک الکترون ها نیز اسپین یکسانی خواهند داشت (که با جهت فلش ها در نمودارهای مداری مشخص می شود).

در پیکربندی صحیح، یک الکترون هر اوربیتال را پر می کند و هر الکترون اسپین یکسانی دارد. اولین پیکربندی نادرست نشان می‌دهد که قبل از افزودن دو الکترون به یک اوربیتال، همه اوربیتال‌ها نیمه پر نبودند. و در مثال صحیح دوم، همه تک تک الکترون ها دارای اسپین یکسان نیستند.

چگونه باید سه اوربیتال 2p برای اکسیژن اشغال شود؟

گزینه A پیکربندی صحیح است، زیرا قبل از اینکه دو الکترون مدار را اشغال کنند، همه اوربیتال ها به تنهایی اشغال شده بودند و همه تک الکترون ها اسپین یکسانی دارند.

اصل طرد پائولی

اصل طرد پائولی بیان می کند که هیچ دو الکترونی در یک اتم یا مولکول نمی توانند چهار الکترون مشابه داشته باشند. اعداد کوانتومی. برای اهداف ما، این بدان معناست که دو الکترون که اوربیتال های یکسانی را اشغال می کنند، نمی توانند اسپین یکسانی داشته باشند. یکی باید به سمت بالا (↑) و یکی باید به سمت پایین (↓) باشد.

کدام نمودار مداری صحیح را برای یک اوربیتال 1s حاوی 2 الکترون نشان می دهد؟

پیکربندی A صحیح است، زیرا الکترون ها دارای اسپین مخالف هستند، همانطور که جهت فلش ها نشان داده می شود.

نکته: رسم اولین فلش رو به بالا نیز امری عادی است.