โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์เรียกอีกอย่างว่าโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์คือการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานรอบนิวเคลียสของอะตอม ตามแบบจำลองอะตอมของบอร์เก่าอิเล็กตรอนครอบครองระดับต่างๆในวงโคจรรอบนิวเคลียสตั้งแต่เปลือกแรกที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุด K จนถึงเปลือกที่ 7 Q ซึ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากที่สุด
ในแง่ของแบบจำลองเชิงกลควอนตัมที่ละเอียดยิ่งขึ้นกระสุน KQ จะถูกแบ่งย่อยออกเป็นชุดของออร์บิทัลซึ่งแต่ละคู่สามารถครอบครองได้โดยอิเล็กตรอนไม่เกินหนึ่งคู่
โดยทั่วไปการกำหนดค่าอิเล็กตรอนจะใช้เพื่ออธิบายออร์บิทัลของอะตอมในสถานะพื้น แต่ยังสามารถใช้แทนอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนเป็นไอออนบวกหรือแอนไอออนเพื่อชดเชยการสูญเสียหรือการได้รับของอิเล็กตรอนในวงโคจรของมัน
คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีหลายประการขององค์ประกอบสามารถสัมพันธ์กับการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์ วาเลนซ์อิเล็กตรอนซึ่งเป็นอิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุดเป็นปัจจัยกำหนดเคมีเฉพาะของธาตุ
พื้นฐานของการกำหนดค่าอิเล็กตรอน
ก่อนกำหนดอิเล็กตรอนของอะตอมให้กับออร์บิทัลเราควรทำความคุ้นเคยกับพื้นฐานของการกำหนดค่าอิเล็กตรอน แต่ละองค์ประกอบในตารางธาตุประกอบด้วยอะตอมซึ่งประกอบด้วยโปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอน
อิเล็กตรอนแสดงประจุลบและพบรอบนิวเคลียสของอะตอมในออร์บิทัลของอิเล็กตรอนซึ่งกำหนดเป็นปริมาตรของช่องว่างซึ่งอิเล็กตรอนสามารถพบได้ภายในความน่าจะเป็น 95%
ออร์บิทัลทั้งสี่ประเภท (s, p, d และ f) มีรูปร่างที่แตกต่างกันและออร์บิทัลหนึ่งสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุดสองตัว วงโคจร p, d และ f มีระดับย่อยที่แตกต่างกันดังนั้นจึงสามารถกักเก็บอิเล็กตรอนได้มากกว่า
ตามที่ระบุไว้การกำหนดค่าอิเล็กตรอนของแต่ละองค์ประกอบจะไม่ซ้ำกันกับตำแหน่งในตารางธาตุ ระดับพลังงานถูกกำหนดโดยคาบและจำนวนอิเล็กตรอนจะได้รับจากเลขอะตอมของธาตุ
วงโคจรที่ระดับพลังงานต่างกันมีความคล้ายคลึงกัน แต่ครอบครองพื้นที่ต่างกันในอวกาศ
ออร์บิทัล 1s และออร์บิทัล 2s มีลักษณะของออร์บิทัล s (โหนดรัศมีความน่าจะเป็นปริมาตรทรงกลมสามารถมีอิเล็กตรอนได้เพียงสองตัวเป็นต้น) แต่เนื่องจากพวกมันอยู่ในระดับพลังงานที่แตกต่างกันพวกมันจึงครอบครองช่องว่างรอบนิวเคลียสต่างกัน แต่ละออร์บิทัลสามารถแสดงโดยบล็อกเฉพาะบนตารางธาตุ
บล็อก s คือพื้นที่ของโลหะอัลคาไลรวมทั้งฮีเลียม (กลุ่ม 1 และ 2) บล็อก d คือโลหะทรานซิชัน (กลุ่ม 3 ถึง 12) บล็อก p เป็นองค์ประกอบของกลุ่มหลักของกลุ่ม 13 ถึง 18 และบล็อก f คืออนุกรมแลนทาไนด์และแอคติไนด์
รูปที่ 1: องค์ประกอบของตารางธาตุและช่วงเวลาที่แตกต่างกันไปตามระดับพลังงานของวงโคจร
หลักการ Aufbau
Aufbau มาจากคำภาษาเยอรมัน "Aufbauen" ซึ่งแปลว่า "สร้าง" ในสาระสำคัญโดยการเขียนการกำหนดค่าอิเล็กตรอนเรากำลังสร้างวงโคจรของอิเล็กตรอนในขณะที่เราย้ายจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง
ในขณะที่เราเขียนโครงร่างอิเล็กตรอนของอะตอมเราจะเติมในออร์บิทัลตามลำดับเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น
หลักการ Aufbau มีต้นกำเนิดจากหลักการกีดกัน Pauli ซึ่งกล่าวว่าไม่มีเฟอร์มิออนสองตัว (เช่นอิเล็กตรอน) ในอะตอม พวกเขาสามารถมีจำนวนควอนตัมชุดเดียวกันได้ดังนั้นพวกเขาจึงต้อง "ซ้อน" ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น
การสะสมของอิเล็กตรอนเป็นเรื่องของการกำหนดค่าอิเล็กตรอน (Aufbau Principle, 2015)
อะตอมที่เสถียรมีอิเล็กตรอนมากพอ ๆ กับโปรตอนในนิวเคลียส อิเล็กตรอนรวมตัวกันรอบนิวเคลียสในวงโคจรควอนตัมตามกฎพื้นฐานสี่ข้อที่เรียกว่าหลักการ Aufbau
- ไม่มีอิเล็กตรอนสองตัวในอะตอมที่มีเลขควอนตัมสี่ตัวเหมือนกัน n, l, m และ s
- อิเล็กตรอนจะครอบครองวงโคจรระดับพลังงานต่ำสุดก่อน
- อิเล็กตรอนจะเติมวงโคจรด้วยหมายเลขสปินเดียวกันเสมอ เมื่อวงโคจรเต็มมันจะเริ่ม
- อิเล็กตรอนจะเติมออร์บิทัลด้วยผลรวมของเลขควอนตัม n และ l วงโคจรที่มีค่าเท่ากันของ (n + l) จะถูกเติมด้วยค่า n ที่ต่ำกว่าก่อน
กฎข้อที่สองและสี่นั้นเหมือนกัน ตัวอย่างของกฎข้อที่สี่คือวงโคจร 2p และ 3s
ออร์บิทัล 2p คือ n = 2 และ l = 2 และออร์บิทัล 3s คือ n = 3 และ l = 1 (N + l) = 4 ในทั้งสองกรณี แต่ออร์บิทัล 2p มีพลังงานต่ำสุดหรือค่า n ต่ำสุดและจะเติมก่อน ชั้น 3s
โชคดีที่ Moeller diagram ที่แสดงในรูปที่ 2 สามารถใช้ในการเติมอิเล็กตรอนได้ กราฟจะอ่านโดยใช้เส้นทแยงมุมจาก 1 วินาที
รูปที่ 2: แผนภาพ Moeller ของการเติมการกำหนดค่าอิเล็กตรอน
รูปที่ 2 แสดงวงโคจรของอะตอมและลูกศรตามทางไปข้างหน้า
ตอนนี้เมื่อทราบลำดับของออร์บิทัลแล้วสิ่งเดียวที่เหลือคือการจดจำขนาดของแต่ละออร์บิทัล
วงโคจร S มี 1 ค่าที่เป็นไปได้ของ m lที่มีอิเล็กตรอน 2 ตัว
P ออร์บิทัลมี 3 ค่าที่เป็นไปได้ของมล.มีอิเล็กตรอน 6 ตัว
D ออร์บิทัลมีค่าµl 5 ค่าที่สามารถเก็บอิเล็กตรอนได้ 10 ตัว
F ออร์บิทัลมีค่าที่เป็นไปได้ 7 ค่า m lจุอิเล็กตรอนได้ 14 ตัว
ทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่จำเป็นในการกำหนดโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมที่เสถียรขององค์ประกอบ
ตัวอย่างเช่นใช้ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ ไนโตรเจนมีโปรตอนเจ็ดตัวและมีอิเล็กตรอนเจ็ดตัว ออร์บิทัลแรกที่เติมคือออร์บิทัล 1s
ออร์บิทัลมีอิเล็กตรอนสองตัวดังนั้นจึงมีอิเล็กตรอนเหลืออยู่ห้าตัว ออร์บิทัลถัดไปคือออร์บิทัล 2 และประกอบด้วยสองออร์บิทัลถัดไป อิเล็กตรอนสามตัวสุดท้ายจะไปที่ออร์บิทัล 2p ซึ่งสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ถึงหกตัว (Helmenstine, 2017)
ความสำคัญของการกำหนดค่าอิเล็กตรอนภายนอก
การกำหนดค่าอิเล็กตรอนมีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติของอะตอม
อะตอมทั้งหมดในกลุ่มเดียวกันมีโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ภายนอกเหมือนกันยกเว้นเลขอะตอม n ซึ่งเป็นสาเหตุที่มีคุณสมบัติทางเคมีคล้ายกัน
ปัจจัยสำคัญบางประการที่มีผลต่อคุณสมบัติของอะตอม ได้แก่ ขนาดของออร์บิทัลที่มีพลังงานสูงที่สุดพลังงานของออร์บิทัลที่มีพลังงานสูงกว่าจำนวนตำแหน่งว่างของออร์บิทัลและจำนวนอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีพลังงานสูงกว่า
คุณสมบัติของอะตอมส่วนใหญ่สามารถสัมพันธ์กับระดับแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนวงนอกสุดกับนิวเคลียสและจำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอน
อิเล็กตรอนของเปลือกนอกเป็นอิเล็กตรอนที่สามารถสร้างพันธะเคมีโควาเลนต์ได้ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่มีความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนเพื่อสร้างไอออนบวกหรือแอนไอออนและเป็นตัวที่ให้สถานะออกซิเดชันแก่องค์ประกอบทางเคมี
พวกเขาจะกำหนดรัศมีอะตอมด้วย เมื่อ n มีขนาดใหญ่ขึ้นรัศมีอะตอมจะเพิ่มขึ้น เมื่ออะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนจะมีการหดตัวของรัศมีอะตอมเนื่องจากการลดลงของประจุลบรอบนิวเคลียส
อิเล็กตรอนของเปลือกนอกคืออิเล็กตรอนที่ถูกนำมาพิจารณาโดยทฤษฎีพันธะวาเลนซ์ทฤษฎีสนามผลึกและทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลเพื่อให้ได้คุณสมบัติของโมเลกุลและการผสมพันธุ์ของพันธะ
อ้างอิง
- หลักการ Aufbau (2015, 3 มิถุนายน). ดึงมาจาก chem.libretexts: chem.libretexts.org.
- วิทยาศาสตร์โบซแมน. (2556, อโกโต 4). การกำหนดค่าอิเล็กตรอน นำมาจาก youtube: youtube.com
- การกำหนดค่าอิเล็กตรอนและคุณสมบัติของอะตอม (SF) นำมาจาก oneonta.edu: oneonta.edu.
- สารานุกรมบริแทนนิกา. (2554 7 กันยายน). การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ นำมาจาก britannica: britannica.com.
- Faizi, S. (2016, 12 กรกฎาคม). การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ นำมาจาก chem.libretexts: chem.libretexts.org.
- Helmenstine, T. (2017, 7 มีนาคม). หลักการ Aufbau - โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และหลักการ Aufbau นำมาจาก thoughtco: thoughtco.com.
- Khan, S. (2014, 8 มิถุนายน). วาเลนซ์อิเล็กตรอนและพันธะ นำมาจาก khanacademy: khanacademy.org.