Μάθημα 11ο. Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση Πολυηλεκτρονιακών ατόμων-b

Transcript

1 Μάθημα 11ο Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση Πολυηλεκτρονιακών ατόμων-b

2 Παράδειγμα εφαρμογής κανόνα Slater Να επιβεβαιωθεί ότι η πειραματικά επιβεβαιωμένη ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του Κ: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 είναι ενεργειακά συμφορώτερη από την διαμόρφωση 1s 2 s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 K (Z=19) : Για τη διαμόρφωση 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 σύμφωνα με τους κανόνες Slater έχουμε: (1s 2 )(2s 2 2p 6 )(3s 2 3p 6 )4s 1 Ζ=19-(10x1+8x0.85)=2.20 Για τη διαμόρφωση: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 Ζ=19-(18x1)=1 Γενική και Ανόργανη Χημεία

3 Παραδείγματα δραστικού φορτίου ατόμων στοιχείων Γενική & Ανόργανη Χημεία

4 Τα s ηλεκτρόνια εμφανίζουν μεγάλη διείσδυση ενώ θωρακίζονται ισχυρά, έλκονται ισχυρά από τον πυρήνα και άρα συγκρατούνται ισχυρά Τα p ηλεκτρόνια ακόμα και στην ίδια στάθμη έχουν πολύ μικρότερη διείσδυση (κομβικό επίπεδο) και τα d ακόμη λιγότερο Σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο σε μια στάθμη η σειρά ενεργειών είναι s<p<d<f Γενική & Ανόργανη Χημεία

5 H ηλεκτρονιακή διαμόρφωση των ατόμων των στοιχείων Στην θεμελιώδη κατάσταση (κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας) Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τροχιακά αρχής γενομένης από τα χαμηλότερης ενεργειακής στάθμης Ο μέγιστος αριθμός των τροχιακών ανά ενεργειακή (υπο)στάθμη είναι 2l+1 Μέχρι 2 ηλεκτρόνια σε κάθε τροχιακό Αντιπαράλληλη ιδιοστροφορμή (spin) Ημι-συμπληρωμένες στάθμες:p 3, d 5, f 7 ευνοούνται 9/11/2016 Γενική και Ανόργανη Χημεία

6 Σειρά ενεργειακής ταξινόμησης των ηλεκτρονίων σε πολυ-ηλεκτρονιακά άτομα Στην θεμελιώδη κατάσταση ενός ατόμου το οποίο περιέχει περισσότερα του ενός ηλεκτρόνια, καταλαμβάνουν τροχιακά εκκινώντας από τα τροχιακά χαμηλότερης ενέργειας προς τα τροχιακά υψηλότερης (aufbau prinzip) Κανόνας Pauli ένα τροχιακό είναι συμπληρωμένο όταν καταλαμβάνεται από δύο ηλεκτρόνια Κανόνας Hund: Τα δύο ηλεκτρόνια ενός τροχιακού έχουν αντιπαράλληλες ιδιοστροφορμές Γενική & Ανόργανη Χημεία

7 Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση των ατόμων (Electron Configurations) Ταξινόμηση όλων των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο (ή ιόν) Ταξινόμηση με τη σειρά (Αρχή ανοικοδόμησης - Aufbau) 2 ηλεκτρόνια ανά τροχιακό, κατά μέγιστο Οι ηλεκτρονιακές διαμορφώσεις είναι απαραίτητες για τον προσδιορισμό των ηλεκτρονίων στην εξώτατη ενεργειακή στάθμη. Τα ηλεκτρόνια αυτά ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους ( valence electrons). Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους καθορίζει το πόσους και τι είδους δεσμούς μπορεί να σχηματίσει ένα μόριο (ή ιόν) κατά τον σχηματισμό μορίων 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 κ.τ.λ. Γενική & Ανόργανη Χημεία

8 Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση 4 Ενεργειακή στάθμη Αριθμός ηλεκτρονίων στην υποστάθμη υποστάθμη 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 κ.τ.λ Γενική & Ανόργανη Χημεία

9 Μαγνητικές ιδιότητες Παρόλο ότι ένα ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται ως μικροσκοπικός μαγνήτης, δύο ηλεκτρόνια με αντίστροφη ιδιοστροφορμή αλληλοαναιρούνται ως προς την ιδιότητα αυτή. ΜΟΝΟ ΑΤΟΜΑ ΜΕ ΜΟΝΗΡΗ (ΑΣΥΖΕΚΤΑ) ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ παρουσιάζουν μαγνητική επιδεκτικότητα. Παραμαγνητική χαρακτηρίζεται μια ουσία η οποία έλκεται σε μικρό βαθμό από ένα μαγνητικό πεδίο ως αποτέλεσμα της παρουσίας ασύζευκτων (μονήρων) ηλεκτρονίων. Διαμαγνητικές είναι οι ουσίες οι οποίες γενικά δεν έλκονται από μαγνητικό πεδίο λόγω του ότι διαθέτουν μόνο συζευγμένα ηλεκτρόνια. Chapter 8-9

10 Παραμαγνητικά άτομα-υλικά Τα άτομα τα οποία (ή τα υλικά, τα άτομα των οποίων) διαθέτουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Η μαγνητική ροπή (σε μαγνητόνες Bohr, BM) είναι: n ( n 2) n αριθμός ασύζευκτων ηλεκτρονίων Γενική και Ανόργανη Χημεία

11 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Πρόβλημα: Γραφή ηλεκτρονιακής διαμόρφωσης και πρόβλεψη μαγνητικών ιδιοτήτων μεταβατικών στοιχείων Χρησιμοποιείστε συντομογραφικές ηλεκτρονιακές διαμορφώσεις για τη γραφή αντιδράσεων για το σχηματισμό ιόντων και προβλέψτε το κατά πόσο τα ιόντα είναι παραμαγνητικά. (a) Mn 2+ (Z = 25) (b) Cr 3+ (Z = 24) (c) Hg 2+ (Z = 80) ΤΡΟΠΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΛΥΣΗ: Γραφή ηλεκτρονιακών διαμορφώσεων και αφαίρεση ηλεκτρονίων έτσι ώστε να αντιστοιχούν στο φορτίο των ιόντων. Αν οι διαμορφώσεις που προκύπτουν έχουν μονήρη ηλεκτρόνια τα ιόντα είναι παραμαγνητικά (a) Mn 2+ (Z = 25) Mn([Ar]4s 2 3d 5 ) Mn 2+ ([Ar] 3d 5 ) + 2e - παραμαγνητικό (b) Cr 3+ (Z = 24) Cr([Ar]4s 2 3d 6 ) Cr 3+ ([Ar] 3d 5 ) + 3e - παραμαγνητικό (c) Hg 2+ (Z = 80) Hg([Xe]6s 2 4f 14 5d 10 ) Hg 2+ ([Xe] 4f 14 5d 10 ) + 2e - Διαμαγνητικό

12 Μνημονικός κανόνας Γενική και Ανόργανη Χημεία

13 Μνημονικός Κανόνας διαγωνίου s s 2p s 3p 3d s 4p 4d 4f Βήματα: s 5p 5d 5f 5g? 1. Γράφουμε από πάνω προς τα κάτω τις ενεργειακές στάθμες 2. Γράφουμε τα τροχιακά με τη σειρά: s, p, d, f. Γράφουμε τον ίδιο αριθμό τροχιακών με την στάθμη της ενέργειας. 3. Απο πάνω δεξιά σχεδιάζουμε βέλη με κατεύθυνση διαγώνια και προς τα κάτω. 4. Προκειμένου να ευρεθεί η ορθή σειρά, Ακολουθείστε τα βέλη! s 6p 6d 6f 6g? 6h? Στο σημείο αυτό έχει ξεπεραστε ι ο ΠΠ, μπορούμε να σταματήσουμε... 7 s 7p 7d 7f 7g? 7h? 7i? Γενική και Ανόργανη Χημεία

14 Συντομεύσεις Χρησιμοποιούνται για την συντομώτερη γραφή μακροσκελών ηλεκτρονιακών διαμορφώσεων Επειδή μας ενδιαφέρουν μόνο τα εξωτερικά ηλεκτρόνια μπορούμε να παρακάμψουμε την αναλυτική γραφή των συμπληρωμένων τροχιακών ( ευγενή αέρια), και να ολοκληρώσουμε την ηλεκτρονιακή διαμόρφωση Γενική & Ανόργανη Χημεία

15 Συντομεύσεις.. Βήμα 1: Βρείτε το πλησιέστερο προς το άτομο (ή ιόν) ευγενές αέριο ΧΩΡΙΣ ΝΑ ΞΕΠΕΡΑΣΕΤΕ τον αριθμό των ηλεκτρονίων στο άτομο (ή στο ιόν). Γράψτε το ευγενές αέριο σε αγκύλες [ ]. Βήμα 2: Βρείτε τη συνέχεια που βρίσκεται στο επόμενο ενεργειακό επίπεδο. Βήμα 3: Συνεχίστε την διαμόρφωση μέχρι να τελειώσουν όλα τα ηλεκτρόνια. Γενική & Ανόργανη Χημεία

16 Συντομεύσεις.. Χλώριο, Cl (Ζ=17) Διαμόρφωση 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Τα πρώτα 10 ηλεκτρόνια μπορούν να «συμπτυχθούν» στο ευγενές αέριο Νέον, [Ne] αντί 1s 2 2s 2 2p 6 Η επόμενη ενεργειακή στάθμη μετά το Νέον είναι η 3 Αρχίζουμε λοιπόν από την στάθμη 3 (όλες οι στάθμες αρχίζουν με s τροχιακά) και ολοκληρώνουμε την διαμόρφωση, προσθέτοντας 7 ακόμα ηλεκτρόνια ώστε ο συνολικός τους αριθμός να είναι 17 [Ne] 3s 2 3p 5 Γενική & Ανόργανη Χημεία

17 Διαγράμματα τροχιακών Γραφική αναπαράσταση της ηλεκτρονιακής διαμόρφωσης Τα ηλεκτρόνια παρίστανται με βελάκια Δείχνουν τόσο την ιδιοστροφορμή όσο και την υποστάθμη εντός της ενεργειακής στάθμης που καταλαμβάνει το ηλεκτρόνιο Οι κανόνες που ισχύουν είναι οι ίδιοι (Αρχή ανοικοδόμησης, εξαιρέσεις d 4 και d 9, δύο ηλεκτρόνια σε κάθε τροχιακό κ.τ.λ, κ.τ.λ. ) Γενική & Ανόργανη Χημεία

18 Διαγράμματα τροχιακών Ένας ακόμα κανόνας: ο κανόνας του Hund Σε τροχιακά ΤΗΣ ΑΥΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ-εκφυλισμένα, (p, d, f), βάζετε από ένα ηλεκτρόνιο πριν φτιάξετε ζεύγη Τα μονήρη ηλεκτρόνια πρέπει να έχουν την ίδια διεύθυνση ιδιοστροφορμής (spin ) Ο κανόνας του... Monopoly Στη Monopoly, τα σπίτια χτίζονται συμμετρικά. Δεν μπορείτε να βάλετε 2 σπίτια σε μια περιουσία μέχρις ότου κάθε ιδιοκτησία έχει τουλάχιστον 1 σπίτι. Γενική & Ανόργανη Χημεία

19 Γενική & Ανόργανη Χημεία

20 Γενική & Ανόργανη Χημεία

21 Γενική και Ανόργανη Χημεία

22 Στα στοιχεία μεταπτώσεως τα ηλεκτρόνια προστίθενται στα d τροχιακά Εξαιρέσεις στις διαμορφώσεις d 5, d 10 Δομή ψευδοευγενούς αερίου Με μεταφορά ενός 4s ηλεκτρονίου Cr: [Ar]3d 5 4s 1 Cu: [Ar]3d 10 4s 1 Τα στοιχεία των μετάλλων μεταπτώσεως διαφέρουν μόνο κατά τον αριθμό των d ηλεκτρονίων και άρα έχουν παρόμοιες ιδιότητες Σχηματίζουν ιόντα πολλαπλών οξειδωτικών καταστάσεων Γενική και Ανόργανη Χημεία

23 Πως εξηγούνται οι εξαιρέσεις; Η αρχή της ανοικοδόμησης( aufbau) διέπεται και από τον κανόνα του Madelung: Για διαδοχικά, ουδέτερα άτομα οι ηλεκτρονιακές στάθμες συμπληρώνονται με την σειρά του αθροίσματος των κβαντικών αριθμών: n + l Για ηλεκτρόνια σε στάθμες με το αυτό n + l η σειρά συμπλήρωσης είναι αυτή που αντιστοιχεί στο μεγαλύτερο n. Ο κανόνας αυτός έχει εντυπωσιακή επιτυχία σε όλο τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Συγκρίνετε: 4s : n + l= 4 με 3d n + l= 5 Τα 4s τροχιακά συμπληρώνονται πριν από τα 3d. 9/11/2016 Γενική και Ανόργανη Χημεία

24 Πολύ-ηλεκτρονιακά άτομα Ηλεκτρονιακές διαμορφώσεις H, He, Li, Be, B H : He : Li : Be : B : 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 1 1s 2 1s 2 2s 1 1s 2 2s 2 1s 2 2s 2 2p 1

25 Many-Electron Atoms Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του C : ή 1s 2s 2p 1s 2s 2p Σε ποια διαμόρφωση αντιστοιχεί η χαμηλότερη ενέργεια; Κανόνας Hund: Για εκφυλισμένα τροχιακά η χαμηλότερη ενέργεια αντιστοιχεί στην κατάσταση μεγιστοποίησης του αριθμού ηλεκτρονίων με την αυτή ιδιοστροφορμή Το άθροισμα των τιμών των m s μέγιστο Ολικό m s = +1/2 1/2 = 0 Ολικό m s = +1/2 + 1/2 = 1 Χαμηλότερη ενέργεια

26 Άτομα με πολλά ηλεκτρόνια Ηλεκτρονιακές διαμορφώσεις C, N, O, F, N C : N : O: F : Ne : 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2s 2 2p 3 1s 2 2s 2 2p 4 1s 2 2s 2 2p 5 1s 2 2s 2 2p 6

27 Άτομα με πολλά ηλεκτρόνια Παράδειγμα : Ποια η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του Br; Ποια είναι τα εσωτερικά και ποια τα ηλεκτρόνια σθένους; 35Br [Ar] Ηλεκτρόνια σθένους : (7) 3d 10 4s 2 4p 5 (4s τροχιακό συμπληρώνεται πριν το 3d!) s p Εσωτερικά ηλεκτρόνια= Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του Προηγούμενου ευγενούς αερίου d f Για τα στοιχεία των κυρίων ομάδων, Τα ηλεκτρόνια σε συμπληρωμένες d- υποστάθμες (η f) δεν συμπεριλαμβάνονται στα ηλεκτρόνια σθένους

28 Άτομα με πολλά ηλεκτρόνια Παράδειγμα: Ποια η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του V; Ποια ηλεκτρόνια είναι σθένους και ποια εσωτερικά;? 23V: [Ar] 3d 3 4s 2 (4s συμπληρώνεται πριν το 3d!) 4 3 f 2 d Ηλεκτρόνια σθένους(5) 1 s p Εσωτερικά ηλεκτρόνια= Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση Προηγούμενου ευγενούς αερίου

29 Άτομα με πολλά ηλεκτρόνια Παράδειγμα : Ποια η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του Cr; Ποια ηλεκτρόνια είναι σθένους και ποια εσωτερικά; 24Cr: [Ar] 3d 5 4s f 2 1 d p [Ar] 3d 4 4s 2 Λιγότερο σταθερό από [Ar] 3d 5 4s 1 s Ημισυμπληρωμενα d-τροχιακά προτιμώμενη διευθέτηση Δομή ψευδοευγενούς αερίου

30 Γενική και Ανόργανη Χημεία

31 Σταθερές διαμορφώσεις d 5, d 10 : Δομές ψευδοευγενούς αερίου s 2 : Αδρανές ζεύγος Γενική και Ανόργανη Χημεία

32 Τα στοιχεία της 3ης περιόδου συμπληρώνουν τα 3s, 3p τροχιακά τα οποία συμπληρώνονται μέχρι την δομή του Ar, [Ne]3s 2 3p 6 Στην συνέχεια, αντί να καταληφθούν τα 3d τροχιακά η 4η περίοδος αρχίζει από την συμπλήρωση των 4s (ελαφρώς χαμηλότερη ενέργεια από τα 3d). [Ar]4s 1 (K), [Ar]4s 2 (Ca) Στην συνέχεια συμπληρώνονται τα 3d Τα επόμενα 10 ηλεκτρόνια (Sc, Z=21 Z=30 Zn) στα 3d τροχιακά Μετά το Sc [Ar]3d 1 4s 2 Και το γειτονικό του Ti [Ar]3d 2 4s 2 Γενική & Ανόργανη Χημεία

33 Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τα 4pτροχιακά όταν γεμίσουν τα 3d. Ge: [Ar]3d 10 4s 2 4p 2 Ακολουθεί η συμπλήρωση των 5s και κατόπιν των 4d Η ενέργεια των 4d είναι μικρότερη των 5s μετά την συμπλήρωση των δύο 5s Ανάλογα και στην περίοδο 6 όπου όμως εμφανίζεται και η ομάδα των τροχιακών f Ce: [Xe]4f 1 5d 1 6s 2 Yb: [Xe]4f 14 6s 2 Ακολουθούν τα 5d. Αφού καταληφθούν τα 5d τα 6p : Tl: [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 6p 1 Γενική & Ανόργανη Χημεία

34 Στην ηλεκτρονιακή διαμόρφωση γράφουμε πρώτα τα «εσωτερικά» ηλεκτρόνια και κατόπιν τα εξωτερικά ή ηλεκτρόνια σθένους Άτομο Πυρήνας Ηλ.Σθένους Διαμόρφωση Fe Ar 3d 6 4s 2 [Ar] 3d 6 4s 2 Sn Kr 4d 10 5s 2 5p 2 [Kr] 4d 10 5s 2 5p 2 Hg Xe 4f 14 5d 10 6s 2 [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 Pu Rn 5f 6 7s 2 [Rn] 5f 6 7s 2 Γενική & Ανόργανη Χημεία

35 Η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση των ιόντων Για την πρόβλεψη της διαμόρφωσης των ιόντων: Αφαιρούμε τα εξωτερικά ηλεκτρόνια : np, ns, (n-1)d Για τα ανιόντα προστίθενται ηλεκτρόνια στην εξωτερική στάθμη μέχρι να συμπληρωθεί δομή ευγενούς αερίου Γενική & Ανόργανη Χημεία

36 Προσοχή στα ιόντα! Τα ιόντα προκύπτουν από την απώλεια (κατιόντα, θετικά ιόντα) ή από την πρόσληψη (ανιόντα, αρνητικά ιόντα ) ηλεκτρονίων Τα ηλεκτρόνια τα οποία χάνονται ή που προσλαμβάνονται προέρχονται από την υψηλότερη ενεργειακή στάθμη (όχι από το τροχιακό με την υψηλότερη ενέργεια! ) Γενική & Ανόργανη Χημεία

37 Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ιόντων Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ιόντος 11 Na +: Ηλεκτρόνια σθένους 3 2 d 1 s p εσωτερικά ηλεκτρόνια = [Ne] 11Na : [Ne] 3s 1 11Na + : [Ne]

38 Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ιόντων Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ανιόντος 35 Br - : Ηλεκτρόνια σθένους (7) 4 3 f 2 1 s p d Εσωτερικά ηλεκτρόνια= [Ar] 35Br : [Ar] 3d 10 4s 2 4p 5 35Br : [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6 = [Kr]

39 Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ιόντων Παράδειγμα: Ποια η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του Fe και ποια ιόντα σχηματίζει; 26Fe: [Ar] 4s 2 3d 6 26Fe 2+ : [Ar]3d 6 26Fe 3+ : [Ar]3d f 2 1 s p d Απομάκρυνση 4s ηλεκτρονίων (υψηλότερη τιμή n) Απομακρύνονται πριν τα 3d ηλεκτρόνια

40 Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ιόντων Παράδειγμα : Ποια η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση των ιόντων τα οποία σχηματίζει το Sc; 21Sc: [Ar] 4s 2 3d 1 21Sc 3+ : [Ar] 4 3 f 2 d 1 s p

41 Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ιόντων Iσοηλεκτρονιακά = Την αυτή διαμόρφωση ηλεκτρονίων 37Rb + : [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6 = [Kr] 35Br - : [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6 = [Kr] 34Se 2- : [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6 = [Kr] 37Rb +, 35 Br -, 34 Se 2- Ισοηλεκτρονιακά!