สัญกรณ์สเปกตรัมคือการจัดเรียงของระดับพลังงานของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอม ตามแบบจำลองอะตอมของบอร์เก่าอิเล็กตรอนครอบครองระดับต่างๆในวงโคจรรอบนิวเคลียสตั้งแต่เปลือกแรกที่ใกล้นิวเคลียส K จนถึงเปลือกที่ 7 Q ซึ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากที่สุด
ในแง่ของแบบจำลองเชิงกลควอนตัมที่ละเอียดยิ่งขึ้นกระสุน KQ จะถูกแบ่งย่อยออกเป็นชุดของออร์บิทัลซึ่งแต่ละคู่สามารถครอบครองได้โดยอิเล็กตรอนไม่เกินหนึ่งคู่
โดยทั่วไปการกำหนดค่าอิเล็กตรอนจะใช้เพื่ออธิบายออร์บิทัลของอะตอมในสถานะพื้น แต่ยังสามารถใช้แทนอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนเป็นไอออนบวกหรือแอนไอออนเพื่อชดเชยการสูญเสียหรือการได้รับของอิเล็กตรอนในวงโคจรของมัน
คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีหลายประการขององค์ประกอบสามารถสัมพันธ์กับการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์ วาเลนซ์อิเล็กตรอนซึ่งเป็นอิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุดเป็นปัจจัยกำหนดเคมีเฉพาะของธาตุ
เมื่ออิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุดของอะตอมได้รับพลังงานบางชนิดพวกมันจะเคลื่อนที่เข้าสู่ชั้นที่มีพลังงานสูงกว่า ดังนั้นอิเล็กตรอนในเปลือก K จะถูกถ่ายโอนไปยังเปลือก L ในขณะที่อยู่ในสถานะพลังงานที่สูงขึ้น
เมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่สถานะพื้นมันจะปล่อยพลังงานที่ดูดซับโดยการเปล่งสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) เนื่องจากอะตอมแต่ละตัวมีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เฉพาะเจาะจงจึงมีสเปกตรัมเฉพาะที่เรียกว่าสเปกตรัมการดูดกลืน (หรือการปล่อย)
ด้วยเหตุนี้คำว่าสัญกรณ์สเปกตรัมจึงถูกใช้เพื่ออ้างถึงการกำหนดค่าอิเล็กตรอน
วิธีกำหนดสัญกรณ์สเปกตรัม: ตัวเลขควอนตัม
จำนวนควอนตัมทั้งหมดสี่ตัวถูกใช้เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่และวิถีของอิเล็กตรอนแต่ละตัวภายในอะตอมอย่างสมบูรณ์
การรวมกันของจำนวนควอนตัมทั้งหมดของอิเล็กตรอนทั้งหมดในอะตอมอธิบายได้โดยฟังก์ชันคลื่นที่เติมเต็มสมการชเรอดิงเงอร์ อิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมมีชุดเลขควอนตัมที่ไม่ซ้ำกัน
ตามหลักการกีดกันของ Pauli อิเล็กตรอนสองตัวไม่สามารถใช้เลขควอนตัมสี่ตัวร่วมกันได้
เลขควอนตัมมีความสำคัญเนื่องจากสามารถใช้ในการกำหนดโครงร่างอิเล็กตรอนของอะตอมและตำแหน่งที่เป็นไปได้ของอิเล็กตรอนในอะตอม
ตัวเลขควอนตัมยังใช้เพื่อกำหนดลักษณะอื่น ๆ ของอะตอมเช่นพลังงานไอออไนเซชันและรัศมีอะตอม
ตัวเลขควอนตัมกำหนดเปลือกหอยย่อยวงโคจรและการหมุนของอิเล็กตรอนโดยเฉพาะ
ซึ่งหมายความว่าพวกเขาอธิบายลักษณะของอิเล็กตรอนในอะตอมได้อย่างสมบูรณ์นั่นคืออธิบายวิธีแก้ปัญหาเฉพาะแต่ละข้อของสมการชเรอดิงเงอร์หรือฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนในอะตอม
เลขควอนตัมมีทั้งหมดสี่ตัว ได้แก่ เลขควอนตัมหลัก (n) เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุมออร์บิทัล (l) เลขควอนตัมแม่เหล็ก (มล.) และเลขควอนตัมหมุนอิเล็กตรอน (มิลลิวินาที)
เลขควอนตัมหลัก nn อธิบายพลังงานของอิเล็กตรอนและระยะทางที่เป็นไปได้มากที่สุดของอิเล็กตรอนจากนิวเคลียส กล่าวอีกนัยหนึ่งหมายถึงขนาดของออร์บิทัลและระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนถูกวางไว้
จำนวนของ subshells หรือ ll อธิบายถึงรูปร่างของออร์บิทัล นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อกำหนดจำนวนโหนดเชิงมุม
เลขควอนตัมแม่เหล็ก ml อธิบายระดับพลังงานใน subshell และ ms หมายถึงการหมุนของอิเล็กตรอนซึ่งสามารถขึ้นหรือลงได้
หลักการ Aufbau
Aufbau มาจากคำภาษาเยอรมัน "Aufbauen" ซึ่งแปลว่า "สร้าง" ในสาระสำคัญโดยการเขียนการกำหนดค่าอิเล็กตรอนเรากำลังสร้างวงโคจรของอิเล็กตรอนในขณะที่เราย้ายจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง
ในขณะที่เราเขียนโครงร่างอิเล็กตรอนของอะตอมเราจะเติมในออร์บิทัลตามลำดับเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น
หลักการ Aufbau มีต้นกำเนิดมาจากหลักการยกเว้น Pauli ซึ่งกล่าวว่าไม่มีเฟอร์มิออนสองตัว (เช่นอิเล็กตรอน) ในอะตอม
พวกเขาสามารถมีจำนวนควอนตัมชุดเดียวกันได้ดังนั้นพวกเขาจึงต้อง "ซ้อน" ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น การสะสมของอิเล็กตรอนเป็นเรื่องของการกำหนดค่าอิเล็กตรอน
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 มีพลังงานต่ำสุดหรือค่าต่ำสุด n และจะเติมก่อน ชั้น 3s
รูปที่ 2: แผนภาพ Moeller ของการเติมการกำหนดค่าอิเล็กตรอน
โชคดีที่แผนภาพ Moeller ที่แสดงในรูปที่ 2 สามารถใช้ในการเติมอิเล็กตรอนได้ กราฟจะอ่านโดยใช้เส้นทแยงมุมจาก 1 วินาที
รูปที่ 2 แสดงวงโคจรของอะตอมและลูกศรตามทางไปข้างหน้า
เมื่อทราบลำดับของออร์บิทัลแล้วสิ่งเดียวที่เหลือคือการจดจำขนาดของแต่ละออร์บิทัล
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 ซึ่งจุอิเล็กตรอนได้ถึงหกตัว
กฎของ Hund
ส่วนของ Aufbau กล่าวถึงวิธีที่อิเล็กตรอนเติมเต็มวงโคจรพลังงานต่ำสุดก่อนจากนั้นจึงเลื่อนขึ้นไปยังวงโคจรพลังงานสูงสุดหลังจากที่วงโคจรพลังงานต่ำสุดเต็มแล้วเท่านั้น
อย่างไรก็ตามมีปัญหากับกฎนี้ แน่นอนว่าต้องเติมออร์บิทัล 1s ก่อนออร์บิทัล 2 วินาทีเนื่องจากออร์บิทัล 1s มีค่า n ต่ำกว่าดังนั้นจึงมีพลังงานต่ำกว่า
และวงโคจร 2p ที่แตกต่างกันสามวง? ควรกรอกตามลำดับใด คำตอบสำหรับคำถามนี้เกี่ยวข้องกับกฎของฮันด์
กฎของ Hund ระบุว่า:
- แต่ละออร์บิทัลในระดับย่อยจะถูกครอบครองแยกกันก่อนที่ออร์บิทัลใด ๆ จะถูกครอบครองเป็นสองเท่า
- อิเล็กตรอนทั้งหมดในออร์บิทัลที่ครอบครองแยกกันมีสปินเท่ากัน (เพื่อเพิ่มสปินทั้งหมดให้สูงสุด)
เมื่ออิเล็กตรอนถูกกำหนดให้กับออร์บิทัลก่อนอื่นอิเล็กตรอนจะพยายามเติมออร์บิทัลทั้งหมดด้วยพลังงานที่ใกล้เคียงกัน (เรียกอีกอย่างว่าออร์บิทัลเสื่อม) ก่อนที่จะจับคู่กับอิเล็กตรอนอื่นในออร์บิทัลครึ่งหนึ่ง
อะตอมในสถานะพื้นมักจะมีอิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่ให้มากที่สุด ในการแสดงภาพกระบวนการนี้ให้พิจารณาว่าอิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเช่นเดียวกับขั้วเดียวกันในแม่เหล็กอย่างไรหากต้องสัมผัสกัน
เมื่ออิเล็กตรอนที่มีประจุลบเติมเต็มวงโคจรก่อนอื่นพวกเขาพยายามที่จะอยู่ห่างจากกันให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ก่อนที่จะจับคู่กัน
อ้างอิง
- Anastasiya Kamenko, TE (2017, 24 มีนาคม). ตัวเลขควอนตัม กู้คืนจาก chem.libretexts.org.
- หลักการ Aufbau (2015, 3 มิถุนายน). กู้คืนจาก chem.libretexts.org.
- การกำหนดค่าอิเล็กตรอนและคุณสมบัติของอะตอม (SF) กู้คืนจาก oneonta.edu.
- สารานุกรมบริแทนนิกา. (2554 7 กันยายน). การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ กู้คืนจาก britannica.com.
- Helmenstine, T. (2017, 7 มีนาคม). หลักการ Aufbau - โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และหลักการ Aufbau กู้คืนจาก thoughtco.com.
- กฎของ Hund (2558 18 กรกฎาคม). กู้คืนจาก chem.libretexts.org.
- สัญกรณ์สเปกโทรสโกปี (SF) กู้คืนจาก bcs.whfreeman.com.