Диференциален електрон: квантови числа, как да го познаваме и примери

Диференциалният или диференциращ електрон е последният електрон, поставен в последователността на електронната конфигурация на атома. Защо се казва името му? За да се отговори на този въпрос, е необходима основната структура на атома: неговото ядро, вакуум и електрони.

Ядрото е плътен, компактен агрегат от положителни частици, наречени протони, и неутрални частици, наречени неутрони. Протоните дефинират атомния номер Z и заедно с неутроните съставляват атомната маса. Обаче един атом не може да носи само положителни заряди; следователно електроните обикалят около ядрото, за да го неутрализират.

По този начин, за всеки протон, който се добавя към ядрото, в неговите орбитали се включва нов електрон, за да противодейства на нарастващия положителен заряд. По този начин новият добавен електрон, диференциалният електрон, е тясно свързан с атомния номер Z.

Диференциалният електрон е в най-външния електронен слой: валентния слой. Следователно, колкото по-далеч сте от ядрото, толкова по-голяма е енергията, свързана с нея. Тази енергия е отговорна за нейното участие, както и за останалите валентни електрони, в химичните реакции, характерни за елементите.

Квантовите числа

Подобно на останалите електрони, диференциалният електрон може да бъде идентифициран чрез своите четири квантови числа. Но какви са квантовите числа? Те са «n», «l», «m» и «s».

Квантовото число "n" означава размера на атома и енергийните нива (K, L, M, N, O, P, Q). "L" е вторичното или азимутално квантово число, което показва формата на атомните орбитали и приема стойности 0, 1, 2 и 3 за орбиталите "s", "p", "d" и "f", съответно.

"М" е магнитното квантово число и показва пространствената ориентация на орбиталите под магнитно поле. Така, 0 за орбитала «s»; -1, 0, +1 за орбитала «p»; -2, -1, 0, +1, +2 за орбитала «d»; и -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, за орбиталната «f». И накрая, квантовото число на спина «s» (+1/2 за ↑ и -1/2 за ↓).

Следователно, диференциалният електрод има предишните квантови числа, свързани («n», «l», «m», «s»). Тъй като той противодейства на новия положителен заряд, генериран от допълнителния протон, той също така осигурява атомния номер Z на елемента.

Как да знаем диференциалния електрон?

В горното изображение са представени електронните конфигурации за елементите от водород до неонов газ (Н → Не).

При това електроните на отворените слоеве са обозначени с червен цвят, а тези на затворените слоеве са обозначени със синия цвят. Слоевете се отнасят до квантовото число "n", първото от четирите.

По този начин валентната конфигурация на Н (↑ на червен цвят) добавя друг електрон с противоположна ориентация, за да стане тази на He (He ↑, и двете сини, защото сега ниво 1 е затворено). Този добавен електрон е след това диференциалният електрон.

Така графично може да се види как диференциалният електрон се добавя към валентния слой (червените стрелки) на елементите, като ги диференцира един от друг. Електроните изпълват орбиталите, спазвайки правилото на Хун и принципа на изключване на Паулинг (перфектно наблюдаван от В до Не).

А какво да кажем за квантовите числа? Те дефинират всяка стрелка - тоест, всеки електрон - и техните стойности могат да бъдат потвърдени с електронната конфигурация, за да се знае дали те са диференциалният електрон.

Примери в няколко елемента

хлор

За случая на хлор (Cl) атомният му номер Z е равен на 17. След това електронната конфигурация е 1s22s2sp63s23p5. Орбиталите, маркирани в червено, съответстват на тези на валентния слой, който има ниво 3 отворено.

Диференциалният електрон е последният електрон, който е поставен в електронната конфигурация, а хлорният атом е този на 3p орбиталата, чието разположение е следното:

↓ ↑ ↓ ↑ _

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

Спазвайки правилото на Хун, първо попълнете 3р орбитали с еднаква енергия (една стрелка нагоре във всяка орбита). Второ, другите електрони се сдвояват с отделните електрони отляво надясно. Диференциалният електрон е представен в зелена рамка.

Следователно, диференциалният електрон за хлор има следните квантови числа: (3, 1, 0, -1/2). Това означава, че "n" е 3; «L» е 1, орбиталната «p»; "М" е 0, защото е "р" орбитала на средата; и «s» е -1/2, тъй като стрелката сочи надолу.

магнезиев

Електронната конфигурация на магнезиевия атом е 1s22s2sp63s2, представлявайки орбитата и нейния валентен електрон по същия начин:

↓

3S

0

Този път диференциалният електрон има квантовите числа 3, 0, 0, -1/2. Единствената разлика в този случай по отношение на хлора е, че квантовото число "l" е 0, защото електронът заема "s" орбитала (3s).

цирконий

Електронната конфигурация за циркониевия атом (преходен метал) е 1s22s2sp63s23p64s23d104p65s24d2. По същия начин, както и в предишните случаи, представянето на валентните орбитали и електрони е както следва:

Следователно, квантовите числа за диференциалния електрон, маркирани в зелено, са: 4, 2, -1, +1/2. Тук, тъй като електронът заема втора орбитала "d", той има квантово число "m", равно на -1. Също така, тъй като стрелката сочи нагоре, нейното число на завъртане «s» е равно на +1/2.

Неизвестен елемент

Квантовите числа на диференциалния електрон за неизвестен елемент са 3, 2, +2, -1/2. Какъв е атомният номер Z на елемента? Знаейки Z, можете да дешифрирате какъв е елементът.

Това време, тъй като "n" е равно на 3, това означава, че елементът е в третия период на периодичната таблица, с "d" орбитали като валентен слой ("l", равен на 2). Следователно, орбиталите са представени както в предишния пример:

↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↑ ↓ ↓

Квантовите числа "m", равни на +2, и "s", равни на -1/2, са ключовете за правилното локализиране на диференциалния електрон в последната 3d орбитала.

По този начин търсеният елемент има пълни 3d10 орбитали, както и неговите вътрешни електронни слоеве. В заключение, елементът е метален цинк (Zn).

Въпреки това, квантовите числа на диференциалния електрон не могат да различат между цинк и мед, тъй като последният също има пълни 3d орбитали. Защо? Защото медът е метал, който не отговаря на правилата за запълване на електрони за квантовите причини.