Utilizați regula lui Madelung pentru a prezice configurația electronică

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Regula lui Madelung este o regulă empirică care urmărește să prezică ordinea de umplere a subînvelișurilor energetice în atomii cu mulți electroni . Această regulă a fost propusă în 1936 de către fizicianul german Erwin Madelung și, împreună cu principiul construcției sau principiul Aufbau propus de Niels Bohr, face posibilă prezicerea configurației electronice a primelor 20 de elemente ale tabelului periodic, precum și cea a majoritatea elementelor reprezentative și unele dintre elementele de tranziție (blocuri d și f).

Cum funcționează regula lui Madelung?

Conform acestei reguli, nivelul energetic al subnivelurilor unui atom cu mai mulți electroni este determinat de suma primelor două numere cuantice ale fiecărui subnivel, și anume numărul cuantic principal (n) sau nivelul energetic și numărul cuantic secundar ( l) sau număr cuantic azimutal.

În acest fel, subnivelul care are cel mai mic nivel de energie este 1s, deoarece are n=1 și l=0, deci n+l=1. Următorul tabel arată valorile acestor două numere cuantice pentru diferitele subshell care sunt completate în elementele cunoscute ale tabelului periodic, precum și valoarea sumei lor. Trebuie amintit că valorile asociate ale lui l pentru diferitele tipuri de subnivele (s, p, d și f) sunt:

  • pentru s, l = 0;
  • pentru p, l = 1;
  • pentru d, l = 2 și
  • pentru f, l = 3.

Lista continuă, dar niciun element în starea sa bazală nu umple vreodată aceste subniveluri.

Strat subnivel Nu el n+l
k 1s 1 0 1
L 2s 2 0 2
L 2 P 2 1 3
m 3s 3 0 3
m 3p 3 1 4
m 3d 3 2 5
Nu. 4s 4 0 4
Nu. 4p 4 1 5
Nu. 4d 4 2 6
Nu. 4f 4 3 7
FIE 5s 5 0 5

De ce ordinea urmează n+l și nu doar n?

În ciuda faptului că pentru atomul de hidrogen, care are un singur electron, toate subînvelișurile pentru aceeași valoare a lui n au aceeași energie, acesta nu este cazul atomilor polielectroni. Acest lucru se datorează faptului că interacțiunile repulsive dintre electroni din atomii cu mulți electroni perturbă subînvelișurile, determinându-le să aibă energii diferite. Regula lui Madelung prezice în ce ordine se află de fapt energiile acestor subcochilii perturbate.

După cum putem vedea în tabelul de mai sus, subshell-urile 3d, 4p și 5s au toate aceeași valoare de n + l = 5, deci ar trebui să aibă o energie mai mică decât, de exemplu, subshell-ul 4d.

Dar de unde știm care este ordinea energiei între subshell-urile 3d, 4p și 5s?

Răspunsul la această întrebare este oferit și de Regula lui Madelung, deoarece are o a doua parte care afirmă că, pentru aceeași sumă de n+l, ordinea energetică a subînvelișurilor este determinată de numărul cuantic principal . În acest fel, știm atunci că subnivelul 3d merge primul, urmat de 4p și apoi de 5s.

Principiul Aufbau și regula Madelung

Numai regula lui Madelung nu ne permite să construim configurația electronică a unui atom sau ion. Această regulă indică doar ordinea energetică a subnivelurilor energetice ale unui atom. Datorită principiului Aufbau sau principiului de construcție, știm cu adevărat cum sunt umplute acele subniveluri de energie.

Regula construcției ne spune că ne putem imagina atomi de polielectroni ca atomi care construiesc câte un proton și câte un electron odată. De asemenea, afirmă că, pe măsură ce adăugăm electroni și protoni unui atom în starea sa fundamentală, electronii se vor muta la orbital cu cea mai mică energie disponibilă.

Pe scurt, principiul construcției ne spune că diferitele subniveluri energetice sunt umplute de la energie inferioară la cea superioară, iar regula lui Madelung ne spune care este acea ordine a energiei. Împreună, principiul Aufbau și regula lui Madelung sunt rezumate în ceea ce este cunoscut sub numele de regula ploii, care este o modalitate grafică de a reprezenta ordinea de umplere a subînvelișurilor atomice ale atomilor cu mulți electroni.

regula lui Madelung

Alte reguli necesare pentru a construi o configurație electronică

Pe lângă principiul Aufbau și regula lui Madelung, pentru a construi configurația electronică a unui atom sunt necesare și regula lui Hund și principiul excluderii Pauli. Primul indică faptul că atunci când se umple orbitalii unui subnivel cu electroni, aceștia trebuie așezați astfel încât să se asigure multiplicitatea maximă de spin, plasând mai întâi câte un electron în fiecare orbital, iar un alt electron poate fi plasat doar atunci când toți orbitalii. ale subnivelului au primul lor electron.

La rândul său, principiul excluderii Pauli spune că, dacă un al doilea electron urmează să fie plasat în același orbital, trebuie să aibă spini opuși de +1/2 și -1/2. Acest ultim principiu limitează numărul de electroni pe orbital la 2 și, prin urmare, numărul maxim de electroni dintr-un subshell corespunde cu dublul numărului de orbitali din acesta. Astfel, doar 2 electroni se potrivesc în subnivelurile s, 6 încadră în p, 10 în d și 14 în f.

Acum, regula lui Madelung, împreună cu toate celelalte principii menționate, implică faptul că ordinea de umplere și numărul maxim de electroni care se potrivesc în fiecare subînveliș este determinat de:

Subnivel 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 5d 10 6p 6 7s 2 5f 14 6d 10 7p 6
Total e 2 4 10 12 18 douăzeci 30 36 38 48 54 56 70 80 86 88 102 112 118

Primul rând al acestui tabel arată toate subînvelișurile în ordine și ca exponent numărul maxim de electroni care pot încăpea în fiecare dintre ele. Al doilea rând arată numărul total de electroni care se pot potrivi pentru a umple complet fiecare subînveliș. De exemplu, numărul 48 care apare sub 4d 10 indică faptul că pentru a umple complet subshell-ul 4d și toate subshell-urile anterioare, sunt necesari un total de 48 de electroni.

Acest tabel este deosebit de util pentru scrierea configurațiilor electronice, deoarece, atunci când aveți numărul total de electroni într-un atom sau ion, este necesar doar să găsiți numărul din al doilea rând care este cel mai apropiat de acesta de mai jos. Astfel vom ști până la ce subnivel atomul este complet umplut. Electronii rămași sunt apoi adăugați în următorul subshell.

Să vedem cum se aplică acest lucru în câteva exemple.

Exemple de utilizare a regulii lui Madelung pentru a prezice configurația electronică a unui atom sau ion

Configurația electronică a rubidiului (Rb)

Rubidiul este elementul cu numărul 37, deci are 37 de electroni. Numărul total de electroni din tabelul anterior care este cel mai aproape de acesta de mai jos este 36, corespunzător subnivelului 4p. Cu alte cuvinte, rubidiul are toate subnivelurile până la 4p complet umplute, iar diferența dintre 37 și 36, care este doar 1 electron, este situată în următorul subnivel, care este 5s. Prin urmare, configurația electronică a rubidiului este:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 1

Configurația electronică a sulfului (S)

Sulful este elementul 16 și are 16 electroni. Prin urmare, umple toate subshell-urile până la 3s, iar restul de 4 electroni (care provin din scăderea 16e – 12e ) sunt localizați în subshell 3p:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

Configurația electronică a iodului (I)

Iodul are 53 de electroni, așa că umple toate subînvelișurile până la 4d (cu un total de 48 e ) iar restul de 53 – 48 = 5 e merg la subshell 5p:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 5

Configurația electronică a anionului clorură (Cl )

In cazul ionilor, trebuie sa scadem sarcina electrica (cu totul si semnul ei) din numarul de electroni ai elementului neutru. De exemplu, în cazul clorurii, clorul are 17 e , deci clorura trebuie să aibă 17 – (–1)=18 e . După cum putem vedea, acest număr coincide cu faptul că subshell-ul 3p este plin:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

Configurația electronică a cationului de calciu (II) (Ca 2+ )

Deoarece sarcina calciului este pozitivă, doi electroni vor fi scăzuți din numărul de electroni din atomul neutru. În acest caz, este al 20-lea atom, deci numărul de electroni din cationul de calciu este 20 – 2 = 18 e . Prin urmare, are aceeași configurație electronică ca ionul de clorură.

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

Referințe

Enciclopedia Britannica. (22 iulie 2008). Principiul Aufbau . Enciclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Aufbau-principle

Chemicool. (2020). Definiția Regulii Madelung . Dicţionar de chimie. https://www.chemicool.com/definition/madelung-rule.html

Luis, J. (28 septembrie 2019). Excepții de la regula lui Madelung în configurația electronică a elementelor chimice . TRIPLELINK. https://triplenlace.com/2013/08/06/exceptions-to-the-madelung-rule-and-the-moeller-diagram-in-the-electronic-configuration-of-the-elements-chemicals-2/

Referință Oxford. (2021). regula lui Madelung . Referință Oxford. https://www.oxfordreference.com/view/10.1093/oi/authority.20110803100124745

-Publicitate-

Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados

ce este boraxul