In der Atomphysik und Quant-Chemie ist die Elektronkonfiguration der Vertrieb von Elektronen eines Atoms oder Moleküls (oder andere physische Struktur) in atomarem oder molekularem orbitals. Zum Beispiel ist die Elektronkonfiguration des Neonatoms 1s 2s 2 Punkte.

Gemäß den Gesetzen der Quant-Mechanik wird eine Energie mit jeder Elektronkonfiguration und auf bestimmte Bedingungen vereinigt, Elektronen sind im Stande, sich von einem Augenhöhlen-bis einen anderen durch die Emission oder Absorption eines Quants der Energie in der Form eines Fotons zu bewegen.

Kenntnisse der Elektronkonfiguration von verschiedenen Atomen sind im Verstehen der Struktur des Periodensystems von Elementen nützlich. Das Konzept ist auch nützlich, für die chemischen Obligationen zu beschreiben, die Atome zusammenhalten. In Schüttgütern hilft diese dieselbe Idee, die eigenartigen Eigenschaften von Lasern und Halbleitern zu erklären.

Schalen und Subschalen

Elektronkonfiguration wurde zuerst von unter dem Modell von Bohr des Atoms konzipiert, und es ist noch üblich, von Schalen und Subschalen trotz der Fortschritte im Verstehen der mit dem Quant mechanischen Natur von Elektronen zu sprechen.

Eine Elektronschale ist der Satz von erlaubten Zustandelektronen kann der Anteil dieselbe Hauptquantenzahl, n (die Zahl vor dem Brief im Augenhöhlenetikett) besetzen. Eine n-te Elektronschale eines Atoms kann sich 2n Elektronen einstellen, z.B kann die erste Schale 2 Elektronen, die zweite Schale 8 Elektronen und die dritte Schale 18 Elektronen anpassen. Der Faktor zwei entsteht, weil die erlaubten Staaten wegen der Elektrondrehung verdoppelt werden — lässt jeder atomar Augenhöhlen-bis zu zwei sonst identische Elektronen mit der entgegengesetzten Drehung, ein mit einer Drehung +1/2 (gewöhnlich bemerkt durch einen-Pfeil) und ein mit einer Drehung 1/2 (mit einem Unten-Pfeil) zu.

Eine Subschale ist der Satz von Staaten, die durch eine allgemeine scheitelwinklige Quantenzahl, l innerhalb einer Schale definiert sind. Die Werte l = 0, 1, 2, 3 entsprechen dem s, p, d, und den F-Etiketten beziehungsweise. Die maximale Zahl von Elektronen, die in eine Subschale gelegt werden können, wird durch 2 (2l + 1) gegeben. Das gibt zwei Elektronen in einer S-Subschale, sechs Elektronen in einer P-Subschale, zehn Elektronen in einer D-Subschale und vierzehn Elektronen in einer F-Subschale.

Die Zahlen von Elektronen, die jede Schale und jede Subschale besetzen können, entstehen aus den Gleichungen der Quant-Mechanik, insbesondere der Ausschluss-Grundsatz von Pauli, der feststellt, dass keine zwei Elektronen in demselben Atom dieselben Werte der vier Quantenzahlen haben können.

Notation

Physiker und Chemiker verwenden eine Standardnotation, um die Elektronkonfigurationen von Atomen und Molekülen anzuzeigen. Für Atome besteht die Notation aus einer Folge von Atomaugenhöhlenetiketten (z.B für Phosphor die Folge 1s, 2s, 2 Punkte, 3s, 3 Punkte) mit der Zahl von Elektronen, die jedem zugeteilt sind, Augenhöhlen-(oder Satz von orbitals das Teilen desselben Etiketts) gelegt wie ein Exponent. Zum Beispiel hat Wasserstoff ein Elektron im s-orbital der ersten Schale, so wird seine Konfiguration 1s geschrieben. Lithium hat zwei Elektronen in der 1s-Subschale und ein in (höhere Energie) 2s-Subschale, so wird seine Konfiguration 1s 2s (ausgesprochen "one-s-two, two-s-one") geschrieben. Phosphor (Atomnummer 15), ist wie folgt: 1s 2s 2 Punkte 3s 3 Punkte.

Für Atome mit vielen Elektronen kann diese Notation lang werden, und so wird eine abgekürzte Notation verwendet, da alle außer den letzten paar Subschalen zu denjenigen von einem oder einem anderen des edlen Benzins identisch sind. Phosphor unterscheidet sich zum Beispiel von Neon (1s 2s 2 Punkte) nur durch die Anwesenheit einer dritten Schale. So wird die Elektronkonfiguration von Neon herausgezogen, und Phosphor wird wie folgt geschrieben: [Ne] 3s 3 Punkte. Diese Tagung ist nützlich, weil es die Elektronen in der äußersten Schale sind, die die meisten die Chemie des Elements bestimmen.

Die Ordnung, den orbitals zu schreiben, wird nicht völlig befestigt: Einige Quellen gruppieren den ganzen orbitals mit demselben Wert von n zusammen, während andere Quellen (als hier) der durch die Regierung von Madelung gegebenen Ordnung folgen. Folglich kann die Elektronkonfiguration von Eisen als [Ar] 3. 4s geschrieben werden (das Halten der 3. Elektronen mit dem 3s- und 3p-Elektronen, die durch die Konfiguration von Argon einbezogen werden) oder als [Ar] 4s 3. (im Anschluss an den Grundsatz von Aufbau, sieh unten).

Der Exponent 1 für einzeln besetzten Augenhöhlen-ist nicht obligatorisch. Es ist ziemlich üblich, die Briefe der Augenhöhlenetiketten (s, p, d, f) geschrieben in einem kursiven oder schrägen Schriftbild zu sehen, obwohl die Internationale Vereinigung der Reinen und Angewandten Chemie (IUPAC) ein normales Schriftbild (wie verwendet, hier) empfiehlt. Die Wahl von Briefen entsteht aus einem jetzt veralteten System, geisterhafte Linien als "scharf", "hauptsächlich", "weitschweifig" und "grundsätzlich" (oder "fein"), gestützt auf ihrer beobachteten Feinstruktur zu kategorisieren: Ihr moderner Gebrauch zeigt orbitals mit einer scheitelwinkligen Quantenzahl, l, 0, 1, 2 oder 3 beziehungsweise an. Danach "f" geht die Folge alphabetisch "g", "h", "ich"... (l = 4, 5, 6...) weiter, "j" hüpfend, obwohl orbitals dieser Typen selten erforderlich sind.

Die Elektronkonfigurationen von Molekülen werden auf eine ähnliche Weise geschrieben, außer dass molekulare Augenhöhlenetiketten statt Atomaugenhöhlenetiketten (sieh unten) verwendet werden.

Energie — legt staatliche und aufgeregte Staaten nieder

Die zu einem Elektron vereinigte Energie ist die seiner Augenhöhlen-. Der Energie einer Konfiguration wird häufig als die Summe der Energie jedes Elektrons näher gekommen, die Elektronelektronwechselwirkungen vernachlässigend. Die Konfiguration, die der niedrigsten elektronischen Energie entspricht, wird den Boden-Staat genannt. Jede andere Konfiguration ist ein aufgeregter Staat.

Als ein Beispiel ist die Boden-Zustandkonfiguration des Natriumsatoms 1s2s2p3s, wie abgeleitet, aus dem Grundsatz von Aufbau (sieh unten). Der erste aufgeregte Staat wird durch die Förderung 3s Elektron zu den Augenhöhlen-3 Punkten erhalten, um den zu erhalten

1s2s2p3p Konfiguration, abgekürzt als das 3-Punkt-Niveau. Atome können sich von einer Konfiguration bis einen anderen durch das Aufsaugen oder das Ausstrahlen der Energie bewegen. In einer Natriumsdampf-Lampe zum Beispiel sind Natriumsatome zum 3-Punkt-Niveau durch eine elektrische Entladung aufgeregt, und kehren zum Boden-Staat durch das Ausstrahlen gelben Lichtes der Wellenlänge 589 nm zurück.

Gewöhnlich ist die Erregung von Wertigkeitselektronen (solcher als 3s für Natrium) mit Energien entsprechend Fotonen des sichtbaren oder ultravioletten Lichtes verbunden. Die Erregung von Kernelektronen ist möglich, aber verlangt viel höhere Energien allgemein entsprechend Röntgenstrahl-Fotonen. Das würde zum Beispiel der Fall sein, um ein 2-Punkt-Elektron zu 3s Niveau zu erregen und das aufgeregte 1s2s2p3s Konfiguration zu bilden.

Der Rest dieses Artikels befasst sich nur mit der mit dem Boden staatlichen Konfiguration, häufig gekennzeichnet als "die" Konfiguration eines Atoms oder Moleküls.

Geschichte

Niels Bohr war erst (um 1923) vorzuhaben, dass die Periodizität in den Eigenschaften der Elemente durch die elektronische Struktur des Atoms erklärt werden könnte. Seine Vorschläge haben auf dann Strom Modell von Bohr des Atoms basiert, in dem die Elektronschalen Bahnen in einer festen Entfernung vom Kern waren. Die ursprünglichen Konfigurationen von Bohr würden sonderbar einem heutigen Chemiker scheinen: Schwefel wurde als 2.4.4.6 statt 1s 2s 2 Punkte 3s 3 Punkte (2.8.6) gegeben.

Im nächsten Jahr hat E. C. Stoner die dritte Quantenzahl von Sommerfeld in die Beschreibung von Elektronschalen vereinigt, und hat richtig vorausgesagt, dass die Schale-Struktur des Schwefels 2.8.6 war. Jedoch konnte weder das System von Bohr noch Stoner die Änderungen in Atomspektren in einem magnetischen Feld (die Wirkung von Zeeman) richtig beschreiben.

Bohr ist sich von diesem Fehler (und andere) wohlbewusst gewesen, und hatte seinem Freund Wolfgang Pauli geschrieben, um um seine Hilfe in der sparenden Quant-Theorie (das System zu bitten, das jetzt als "alte Quant-Theorie" bekannt ist). Pauli hat begriffen, dass die Wirkung von Zeeman nur zu den äußersten Elektronen des Atoms erwartet sein muss und im Stande gewesen ist, die Schale-Struktur von Stoner, aber mit der richtigen Struktur von Subschalen, durch seine Einschließung einer vierten Quantenzahl und seinen Ausschluss-Grundsatz (1925) wieder hervorzubringen:

Es sollte für mehr als ein Elektron mit demselben Wert der Hauptquantenzahl n verboten werden, um denselben Wert für die anderen drei Quantenzahlen k [l], j [M] und M [M] zu haben.

Die Gleichung von Schrödinger, veröffentlicht 1926, hat drei der vier Quantenzahlen als eine direkte Folge seiner Lösung für das Wasserstoffatom gegeben: Diese Lösung gibt die atomaren orbitals nach, die heute in Lehrbüchern der Chemie (und oben) gezeigt werden. Die Überprüfung von Atomspektren hat den Elektronkonfigurationen von Atomen erlaubt, experimentell bestimmt, und eine empirische Regel geführt zu werden (bekannt als die Regierung (1936) von Madelung, sieh unten) für die Ordnung, in der atomare orbitals mit Elektronen gefüllt werden.

Grundsatz von Aufbau und Regel von Madelung

Der Aufbau Grundsatz (vom deutschen Aufbau, "das Aufbauen, der Aufbau") war ein wichtiger Teil des ursprünglichen Konzepts von Bohr der Elektronkonfiguration. Es kann als festgesetzt werden:

Das:a-Maximum von zwei Elektronen wird in orbitals in der Ordnung gestellt, Augenhöhlenenergie zu vergrößern: Die niedrigste Energie orbitals wird gefüllt, bevor Elektronen in die höhere Energie orbitals gelegt werden.

Der Grundsatz arbeitet sehr gut (für die Boden-Staaten der Atome) für die ersten 18 Elemente dann immer weniger gut für die folgenden 100 Elemente. Die moderne Form des Grundsatzes von Aufbau beschreibt eine Ordnung von Augenhöhlenenergien, die durch die Regierung von Madelung (oder die Regierung von Klechkowski) gegeben sind. Diese Regel wurde zuerst von Charles Janet 1929 festgesetzt, von Erwin Madelung 1936 wieder entdeckt, und später eine theoretische Rechtfertigung von V.M. Klechkowski gegeben

:#Orbitals werden die Ordnung ausgefüllt, n+l zu vergrößern;

:#Where haben zwei orbitals denselben Wert von n+l, sie werden in der Größenordnung von der Erhöhung n gefüllt.

Das gibt die folgende Ordnung, für den orbitals zu füllen:

:1s, 2s, 2 Punkte, 3s, 3 Punkte, 4s, 3., 4 Punkte, 5s, 4d, 5 Punkte, 6s, 4f, 5d, 6 Punkte, 7s, 5f, 6d, 7 Punkte, (8s, 5g, 6f, 7d, 8 Punkte, und 9s)

In dieser Liste werden die orbitals in Parenthesen im Boden-Staat des schwersten Atoms jetzt bekannt (Uuo, Z = 118) nicht besetzt.

Der Aufbau Grundsatz, kann in einer modifizierten Form, zu den Protonen und Neutronen im Atomkern, als im Schalenmodell der Kernphysik und Kernchemie angewandt werden.

Periodensystem

Die Form des Periodensystems ist nah mit der Elektronkonfiguration der Atome der Elemente verbunden. Zum Beispiel haben alle Elemente der Gruppe 2 eine Elektronkonfiguration von [E] ns (wo [E] eine träge Gaskonfiguration ist), und haben Sie bemerkenswerte Ähnlichkeiten in ihren chemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen ist die Periodizität des Periodensystems in Bezug auf Periodensystem-Blöcke klar wegen der Zahl von Elektronen (2, 6, 10, 14...) musste s, p, d, und F-Subschalen füllen.

Die äußerste Elektronschale wird häufig die "Wertigkeitsschale" genannt, und (zu einer ersten Annäherung) bestimmt die chemischen Eigenschaften. Es sollte nicht vergessen werden, dass die Ähnlichkeiten in den chemischen Eigenschaften mehr als ein Jahrhundert bemerkt wurden, vor der Idee von der Elektronkonfiguration ist Es nicht klar, wie weit die Regierung von Madelung erklärt (aber nicht einfach beschreibt) das Periodensystem, obwohl einige Eigenschaften (wie der allgemeine +2 Oxydationsstaat in der ersten Reihe der Übergang-Metalle) offensichtlich mit einer verschiedenen Ordnung der Augenhöhlenfüllung verschieden sein würden.

Mängel des Grundsatzes von Aufbau

Der Aufbau Grundsatz ruht auf einem grundsätzlichen Postulat, dass die Ordnung von Augenhöhlenenergien befestigt wird sowohl für ein gegebenes Element als auch zwischen verschiedenen Elementen: Keiner von diesen ist wahr (obwohl sie ungefähr für den Grundsatz wahr genug sind, um nützlich zu sein). Es betrachtet atomaren orbitals als "Kästen" der festen Energie, in die zwei Elektronen und nicht mehr gelegt werden kann. Jedoch hängt die Energie eines Elektrons "in" einem Atomaugenhöhlen-von den Energien aller anderen Elektronen des Atoms (oder Ion oder Molekül, usw.) ab. Es gibt keine "Ein-Elektron-Lösungen" für Systeme von mehr als einem Elektron, nur eine Reihe von Vielelektronlösungen, die genau nicht berechnet werden können (obwohl es mathematische Annäherungen verfügbar, wie die Hartree-Fock Methode gibt).

Die Tatsache, dass der Grundsatz von Aufbau auf einer Annäherung basiert, kann von der Tatsache gesehen werden, dass es eine fast feste sich füllende Ordnung überhaupt gibt, dass, innerhalb einer gegebenen Schale, der s-orbital immer vor dem p-orbitals gefüllt wird. In einem wasserstoffähnlichen Atom, das nur ein Elektron hat, haben der s-orbital und der p-orbitals derselben Schale genau dieselbe Energie zu einer sehr guten Annäherung ohne elektromagnetische Außenfelder. (Jedoch, in einem echten Wasserstoffatom, werden die Energieniveaus durch das magnetische Feld des Kerns, und durch das Quant electrodynamic Effekten der Verschiebung von Lamb ein bisschen gespalten).

Ionisation der Übergang-Metalle

Die naive Anwendung des Grundsatzes von Aufbau führt zu einem wohl bekannten Paradox (oder offenbarem Paradox) in der grundlegenden Chemie der Übergang-Metalle. Kalium und Kalzium erscheinen im Periodensystem vor den Übergang-Metallen, und haben Elektronkonfigurationen [Ar] 4s und [Ar] 4s beziehungsweise, d. h. der 4s-orbital wird vor dem 3.-Augenhöhlen-gefüllt. Das stimmt mit der Regierung von Madelung überein, weil der 4s-orbital n+l = 4 hat (n = 4, l = 0), während der 3.-Augenhöhlen-n+l = 5 (n = 3, l = 2) hat. Jedoch haben Chrom und Kupfer Elektronkonfigurationen [Ar] 3. 4s und [Ar] 3. 4s beziehungsweise, d. h. ein Elektron ist vom 4s-orbital bis einen 3.-Augenhöhlen-gegangen, um eine halbgefüllte oder gefüllte Subschale zu erzeugen. In diesem Fall besteht die übliche Erklärung darin, dass "halbgefüllte oder völlig gefüllte Subschalen besonders stabile Maßnahmen von Elektronen sind".

Das offenbare Paradox entsteht, wenn Elektronen von den Übergang-Metallatomen entfernt werden, um Ionen zu bilden. Die ersten zu ionisierenden Elektronen kommen nicht aus dem 3.-Augenhöhlen-, wie man erwarten würde, ob es in der Energie", aber vom 4s-orbital "höher war. Dasselbe ist wahr, wenn chemische Zusammensetzungen gebildet werden. Chrom hexacarbonyl kann als ein Chrom-Atom beschrieben werden (nicht Ion, es ist in der Oxydation setzen 0 fest) umgeben durch sechs Kohlenmonoxid ligands: Es ist diamagnetic, und die Elektronkonfiguration des Hauptchrom-Atoms wird als 3. beschrieben, d. h. das Elektron, das im 4s-orbital im freien Atom war, ist in einen 3.-Augenhöhlen-auf dem Formen der Zusammensetzung gegangen. Dieser Austausch von Elektronen zwischen 4s und 3. ist unter der ersten Reihe der Übergang-Metalle universal.

Das Phänomen ist nur paradox, wenn es angenommen wird, dass die Energien von atomarem orbitals befestigt und durch die Anwesenheit von Elektronen in anderem orbitals ungekünstelt werden. Wenn das der Fall wäre, würde der 3.-Augenhöhlen-dieselbe Energie wie der 3p-orbital haben, wie es in Wasserstoff tut, noch tut es klar nicht. Es gibt keinen speziellen Grund, warum das Ion von Fe dieselbe Elektronkonfiguration wie das Chrom-Atom in Anbetracht dessen haben sollte, dass Eisen noch zwei Protone in seinem Kern hat als Chrom, und dass die Chemie der zwei Arten sehr verschieden ist. Wenn Sorge genommen wird, um sich "wie mit dem ähnlichen zu vergleichen" verschwindet das Paradox.

Andere Ausnahmen zur Regierung von Madelung

Es gibt noch mehrere Ausnahmen zur Regierung von Madelung unter den schwereren Elementen, und es ist immer schwieriger, einfache Erklärungen wie die Stabilität von halbgefüllten Subschalen aufzusuchen. Es ist möglich, die meisten Ausnahmen durch Hartree-Fock Berechnungen vorauszusagen, die eine ungefähre Methode sind, um die Wirkung der anderen Elektronen auf Augenhöhlenenergien in Betracht zu ziehen. Für die schwereren Elemente ist es auch notwendig, die Effekten der Speziellen Relativität auf den Energien des atomaren orbitals in Betracht zu ziehen, als sich die Elektronen der inneren Schale mit Geschwindigkeiten bewegen, die sich der Geschwindigkeit des Lichtes nähern. Im Allgemeinen neigen diese relativistischen Effekten dazu, die Energie des s-orbitals in Bezug auf den anderen atomaren orbitals zu vermindern.

Die Elektronschale-Konfiguration von Elementen außer dem Rutherfordium ist noch nicht bekannt.

Elektronkonfiguration in Molekülen

In Molekülen wird die Situation komplizierter, weil jedes Molekül eine verschiedene Augenhöhlenstruktur hat. Die molekularen orbitals werden gemäß ihrer Symmetrie, aber nicht den Atomaugenhöhlenetiketten etikettiert, die für Atome und Monoatomionen verwendet sind: Folglich ist die Elektronkonfiguration des dioxygen Moleküls, O, 1σ 1σ 2σ 2σ 1π 3σ 1π. Der Begriff 1π vertritt die zwei Elektronen in den zwei degenerierten π*-orbitals (das Antiabbinden). Aus den Regierungen von Hund haben diese Elektronen parallele Drehungen im Boden-Staat, und so hat dioxygen einen magnetischen Nettomoment (es ist paramagnetisch). Die Erklärung des Paramagnetismus von dioxygen war ein Haupterfolg für die molekulare Augenhöhlentheorie.

Elektronkonfiguration in Festkörpern

In einem Festkörper werden die Elektronstaaten sehr zahlreich. Sie hören auf, getrennt zu sein, und effektiv in dauernde Reihen von möglichen Staaten (ein Elektronband) zu verschmelzen. Der Begriff der Elektronkonfiguration hört auf, wichtig zu sein, und trägt zur Band-Theorie.

Anwendungen

Die weit verbreitetste Anwendung von Elektronkonfigurationen ist in der Rationalisierung von chemischen Eigenschaften sowohl in der anorganischen als auch in organischen Chemie. Tatsächlich sind Elektronkonfigurationen, zusammen mit einer vereinfachten Form der molekularen Augenhöhlentheorie, die moderne Entsprechung vom Wertigkeitskonzept geworden, die Zahl und den Typ von chemischen Obligationen beschreibend, die, wie man erwarten kann, ein Atom bildet.

Diese Annäherung wird weiter in der rechenbetonten Chemie genommen, die normalerweise versucht, quantitative Schätzungen von chemischen Eigenschaften zu machen. Viele Jahre lang haben sich die meisten solche Berechnungen auf die "geradlinige Kombination von atomarem orbitals" (LCAO) Annäherung mit einem jemals größeren und komplizierteren Basissatz von atomarem orbitals als der Startpunkt verlassen. Der letzte Schritt in solch einer Berechnung ist die Anweisung von Elektronen unter dem molekularen orbitals gemäß dem Grundsatz von Aufbau. Nicht alle Methoden in der calculational Chemie verlassen sich auf die Elektronkonfiguration: Dichte funktionelle Theorie (DFT) ist ein wichtiges Beispiel einer Methode, die das Modell verwirft.

Eine grundsätzliche Anwendung von Elektronkonfigurationen ist in der Interpretation von Atomspektren. In diesem Fall ist es notwendig, die Elektronkonfiguration in ein oder mehr Begriff-Symbole umzuwandeln, die die verschiedenen für ein Atom verfügbaren Energieniveaus beschreiben. Begriff-Symbole können für jede Elektronkonfiguration, nicht nur die mit dem Boden staatliche in Tischen verzeichnete Konfiguration berechnet werden, obwohl nicht alle Energieniveaus in der Praxis beobachtet werden. Es ist durch die Analyse von Atomspektren, dass die mit dem Boden staatlichen Elektronkonfigurationen der Elemente experimentell bestimmt wurden.

Siehe auch

• Atomelektronkonfigurationstisch
• Elektronkonfigurationen der Elemente (Datenseite)
• Periodensystem (Elektronkonfigurationen)
• Atomarer Augenhöhlen-
• Energieniveau
• Begriff-Symbol
• Molekulares Begriff-Symbol
• HOMO/LUMO
• Periodic Table Group
• d Elektron zählen auf
• Die Erweiterung des Periodensystems außer der siebenten Periode Bespricht die Grenzen des Periodensystems

Referenzen

Links

• Wie was sieht ein Atom aus? Konfiguration in 3D