Pytanie:
Dlaczego nie uważa się, że cynk ma konfigurację gazu szlachetnego?
thyme
2018-03-30 22:17:55 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zastanawiam się, dlaczego mówimy, że na przykład cynk nie ma konfiguracji gazu szlachetnego?

Chciałbym wcześniej powiedzieć, że to pytanie może mieć swoje źródło w nieporozumieniu dotyczącym słowa „ skorupa ”lub„ skorupa zewnętrzna ”. Wikipedia podaje, że:

Właściwości gazów szlachetnych można dobrze wyjaśnić współczesnymi teoriami budowy atomu: uważa się, że ich zewnętrzna powłoka elektronów walencyjnych jest bądź pełny .

Ok, więc argon jest gazem szlachetnym, a jego konfiguracja to: $ \ ce {1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6 3s ^ 2 3p ^ 6 } $. Kiedy mówimy o powłoce, mamy na myśli zasadę liczby kwantowej $ n $. W tym przypadku najwyższa główna liczba kwantowa to $ n = 3 $. Jednak dla $ n = 3 $ dostępna jest również podpowłoka $ \ ce {3d} $, która nie jest wypełniona argonem.

Więc dochodzę do wniosku, że „ powłoka wypełniona nie oznacza, że ​​wszystkie dostępne podpowłoki dla danej głównej liczby kwantowej (tutaj $ n = 3 $) muszą być wypełnione. Ponieważ podpowłoka $ \ ce {3d} $ jest tutaj pusta. Zamiast tego dochodzę do wniosku, że „ wypełniona powłoka ” oznacza, że ​​ilekroć zaczynamy wypełniać podpowłokę (tutaj $ \ ce {3s} $ lub $ \ ce {3p} $), muszą one zostać wypełnione. Jeśli dostępna jest inna podpowłoka z $ n = 3 $, musi być całkowicie pusta (np. $ \ Ce {3d} $).

Ale kiedy patrzymy na cynk, znajdujemy konfigurację: $ \ ce {[Ar] 3d ^ {10} 4s ^ 2} $.

Ponownie, dla najwyższej głównej liczby kwantowej (tutaj $ n = 4 $) mamy wypełnioną podpowłokę (tutaj $ \ ce {4s} $). Dodatkowo wypełnione są również wszystkie łuski $ n = 3 $. Nie ma podpowłoki (ani dla $ n = 3 $, ani dla $ n = 4 $), która jest częściowo zajęta. A więc, zgodnie z definicją z Wikipedii, czego brakuje cynkowi w konfiguracji gazu szlachetnego?

Jeszcze raz podkreślę, że nie pytam o to, czym jest gaz szlachetny (wiem, że cynk nie jest ani gazem, ani gazem szlachetnym). Pytam, co robię źle, kiedy dochodzę do wniosku, że cynk jest zgodny z definicją gazu szlachetnego z Wikipedii?

Może źle rozumiem twój punkt widzenia, ale czy zgodnie z tą definicją każdy pierwiastek ziem alkalicznych (beryl, magnez itp.) Również miałby konfigurację gazu szlachetnego, ponieważ wypełniają tam podpowłokę 2 $?
Tak, dokładnie. Więc co jest nie tak z tym argumentem?
Dwa odpowiedzi:
R.M.
2018-03-30 23:12:05 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Różnica zależy od słowa „ wartościowości ” w „ich zewnętrznej powłoce elektronów walencyjnych uważa się za pełną”.

Na tym polega różnica między $ \ ce { 1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6 3s ^ 2 3p ^ 6} $ konfiguracja i $ \ ce {1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6 3s ^ 2 3p ^ 6 3d ^ {10} 4s ^ 2} $ one . Nie chodzi tylko o wypełnione zasadnicze liczby kwantowe lub wypełnione podpowłoki, ale o (nie) wypełnione podpowłoki walencyjne .

Definicja wartościowości jest tutaj nieco kolista. Podpowłoka walencyjna to taka, która może reagować, tworząc wiązanie. W przypadku argonu wszystkie podpowłoki walencyjne są wypełnione, ponieważ istnieje znaczna luka stabilności w dodaniu ostatniego elektronu $ \ ce {3p} $ i pierwszego elektronu $ \ ce {4s} $ lub $ \ ce {3d} $. (Jeśli myślisz o potasie, orbital $ \ ce {3d} $ jest jeszcze trudniejszy do wypełnienia niż orbital $ \ ce {4s} $.) Dlatego orbital $ \ ce {3d} $ nie liczy się jako orbital „walencyjny” dla argonu - wypełnienie go wymaga zbyt dużo energii. Mimo że ma zasadniczą liczbę kwantową 3, zachowuje się tak, jakby miała jedną z 4.

W przeciwieństwie do cynku, istnieje stosunkowo mała przerwa energetyczna między $ \ ce {4s} $, Orbitale $ \ ce {3d} $ i $ \ ce {4p} $. Prawdopodobnie już wiesz o tym dla $ \ ce {4s} $ i $ \ ce {3d} $, ponieważ handlują tam iz powrotem podczas metali przejściowych, ale $ \ ce {4s} $ i $ \ ce {4d} $ są również stosunkowo blisko energii. Jest to jeden z powodów, dla których atomy takie jak węgiel mogą „pożyczyć” elektron $ \ ce {2s} $, aby utworzyć cztery wiązania z jednym elektronem, zamiast być zmuszanym do tworzenia dwóch wiązań z jednym elektronem i jednego dwu- pożyczony elektronami.

Zatem definicja orbitali walencyjnych nie zależy od ich liczb kwantowych, ale od energii potrzebnej do ich wypełnienia. Dlatego cynk nie jest gazem szlachetnym - orbitale $ \ ce {4p} $ liczą się jako orbitale walencyjne (reaktywne) cynku, nawet jeśli $ \ ce {4d} $ nie.

Dzięki za tę świetną odpowiedź. Tak więc, obrazowo, mam rację, kiedy mówię, że mamy gaz szlachetny, ilekroć wszystkie orbitale w tych niebieskich bąbelkach (patrz link) są całkowicie wypełnione? https://i.imgur.com/NaNnScV.png Niebieskie bąbelki można zinterpretować jako orbitale walencyjne elementu, gdy co najmniej jeden elektron wchodzi do bańki. Można również zobaczyć, dlaczego tak jest, skoro poziomy energii orbitali wewnątrz niebieskiego bańki są stosunkowo blisko siebie, dlaczego przeskakiwanie z jednej bańki do drugiej kosztuje więcej energii.
@thyme Tak, to prawda.
Mathew Mahindaratne
2018-03-31 04:01:33 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Chociaż podano już kilka doskonałych odpowiedzi, chciałbym dodać kilka dodatkowych punktów do argumentu na korzyść czytelników:

Każda powłoka w elemencie może być odniesiona do zbioru podpowłoki (np. $ \ mathrm {s} $, $ \ mathrm {p} $, $ \ mathrm {d} $ i $ \ mathrm {f} $) z tą samą główną liczbą kwantową ($ \ mathrm {n} $). Wypełnianie elektronów w podpowłokach odbywa się zgodnie z zasadą Aufbau i zasadą porządkowania energii Madelunga. Zasada Aufbau mówi, że w stanie podstawowym atomu lub jonu elektrony wypełniają orbitale atomowe o najniższych dostępnych poziomach energii, zanim zajmą wyższe poziomy. Reguła porządkowania energii Madelunga jest oparta na całkowitej liczbie węzłów na orbitalu atomowym, $ \ mathrm {n + ℓ} $, która jest związana z energią (tutaj $ \ mathrm {n} $ jest główną liczbą kwantową reprezentującą powłoki a $ \ mathrm {ℓ} $ to azymutalna liczba kwantowa, która dostarcza nam informacji o podpowłokach). W związku z tym orbitale z niższą wartością $ \ mathrm {n + ℓ} $ są wypełniane przed tymi z wyższymi wartościami $ \ mathrm {n + ℓ} $. W przypadku równych wartości $ \ mathrm {n + ℓ} $, orbital z niższą wartością $ \ mathrm {n} $ jest wypełniany jako pierwszy ( https://en.m.wikipedia.org/wiki/ Aufbau_principle). Zasadniczo dwie podpowłoki o tej samej głównej liczbie kwantowej mają zasadniczo różne poziomy energii. Na przykład dla $ \ mathrm {2s} $ subsell: $ \ mathrm {n = 2} $ i $ \ mathrm {ℓ = 0} $, więc $ \ mathrm {n + ℓ = 2 + 0 = 2} $, podczas gdy dla $ \ mathrm {2p} $ subsells: $ \ mathrm {n = 2} $ i $ \ mathrm {ℓ = 1} $, więc $ \ mathrm {n + ℓ = 2 + 1 = 3} $. Oznacza to, że elektrony zajmą najpierw $ \ mathrm {2s} $ przed $ \ mathrm {2p} $.

Zgodnie z regułą zamawiania energii Madelunga, orbital $ \ mathrm {4s} $ orbital $ \ mathrm {n + ℓ = 4 + 0 = 4} $ jest zajęty przed $ \ mathrm {3d} $ orbital $ \ mathrm {n + ℓ = 3 + 2 = 5} $, ponieważ najniższa wartość orbitali jest wypełniana jako pierwsza. Zgodnie z zasadą Aufbau, poziom $ \ mathrm {4s} $ jest wypełniany przed poziomem $ \ mathrm {3d} $ podrzędnym, ponieważ poziom $ \ mathrm {4s} $ jest niższy. Poziom podrzędny $ \ mathrm {4s} $ ma niższą energię tylko wtedy, gdy na poziomie podrzędnym $ \ mathrm {3d} $ nie ma elektronów. Gdy podpoziom $ \ mathrm {3d} $ zapełniają się elektrony, względne energie $ \ mathrm {4s} $ i $ \ mathrm {3d} $ zmieniają się względem siebie, a na końcu $ \ mathrm { 4s} $ miałoby wyższą energię, gdy wypełnia się poziom podrzędny $ \ mathrm {3d} $. Jest to oczywiste w przypadku pierwiastków metali przejściowych, gdy elektrony są tracone ze swoich orbitali, są one najpierw tracone od $ \ mathrm {4s} $, ponieważ ma on wyższą energię.

W powyższym opisie jest jasne, że dlaczego „orbitale $ \ mathrm {4p} $ liczą się jako orbitale walencyjne (reaktywne) dla cynku, nawet gdy $ \ mathrm {4d} $ nie” (punkt wskazany przez @RM). Zgodnie z zasadą porządkowania energii Madelunga i zasadą Aufbau, orbital $ \ mathrm {4p} $ orbital $ \ mathrm {n + ℓ = 4 + 2 = 6} $ jest zajęty przed $ \ mathrm {4d} $ orbital $ \ mathrm {n + ℓ = 4 + 3 = 7} $, na podstawie najniższej wartości energii. Prawdę mówiąc, elektrony trafiają do $ \ mathrm {5s} $ jeszcze przed $ \ mathrm {4d} $.

Uwagi historyczne o gazach szlachetnych:
$ \ ce {He} $ (1895), $ \ ce {Ne} $ (1898), $ \ ce {Ar} $ (1894), $ \ ce {Kr} $ (1898) i $ \ ce {Xe } $ (1898) zostały odkryte na Ziemi przez angielską grupę kierowaną przez Sir Williama Ramsaya podczas ich pionierskiej pracy (1894-1898), podczas gdy $ \ ce {Rn} $ zostało odkryte oddzielnie przez niemieckiego naukowca Friedricha Ernsta Dorna w 1900 roku. Naturalnie gazy te uzyskały zerowy stopień utlenienia ze względu na ich obojętność w porównaniu z innymi pierwiastkami. Ta koncepcja zmieniła się całkowicie w 1962 roku, kiedy zsyntetyzowano pierwszy związek gazu szlachetnego, $ \ ce {XePtF6} $.



To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...