Pytanie:
Dlaczego orbitale 3D mają mniej energii niż orbitale 4s w metalach przejściowych?
user5764
2015-06-25 00:35:12 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Cytat z Chemguide Jima Clarka

Z powodów , które są zbyt skomplikowane, aby przejść do tego poziomu, gdy już dla skandu energia orbitali 3d staje się nieco mniejsza niż energii 4s i to pozostaje prawdą w pozostałej części serii przejściowej.

Jaki jest powód silne> podane powyżej? Dlaczego tylko w serii przejściowej 4s ma więcej energii niż 3d & nie w poprzedzających elementach?

** Istnieją dowody na to, że stwierdzenie dotyczące tytułu nie jest prawdziwe. ** Patrz np. linki w zastrzeżeniu w mojej (zaakceptowanej) odpowiedzi.
Dwa odpowiedzi:
orthocresol
2015-06-25 06:18:02 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zastrzeżenie: Teraz uważam, że ta odpowiedź jest całkowicie niepoprawna.

Rozważ cofnięcie głosu za i / lub odrzucenie. Nie lubię widzieć niepoprawnych odpowiedzi pod numerem +22.

Jednak na razie zostawię to. Jest odzwierciedleniem tego, czego naucza się w wielu podręcznikach lub kursach na poziomie licencjackim. Jednak ten konkretny wykres był krytykowany w Shriver & Atkins, a także pomysł, że orbitale 3D mają w jakiś sposób wyższą energię niż orbitale 4s. Wydaje mi się, że wspomniano, że energie zostały obliczone przy użyciu przestarzałego modelu Thomasa – Fermiego – Diraca, ale tak naprawdę nie pamiętam. Zadam jeszcze jedno pytanie dotyczące kwestii 3d vs 4s, ale w międzyczasie wskazałbym czytelnikowi kierunek tych artykułów:

  1. Pilar, F. L. 4s jest zawsze powyżej 3d! Albo jak odróżnić orbitale od funkcji falowych. J. Chem. Educ. 1978, 55 (1), 2 DOI: 10.1021 / ed055p2.
  2. Melrose, POSEŁ; Scerri, E. R. Dlaczego orbital 4s jest zajęty przed 3d. J. Chem. Educ. 1996, 73 (6), 498 DOI: 10.1021 / ed073p498.
  3. Vanquickenborne, LG; Pierloot, K .; Devoghel, D. Metale przejściowe i zasada Aufbau. J. Chem. Educ. 1994, 71 (6), 469 DOI: 10.1021 / ed071p469.
  4. Scerri, Konfiguracje metalu przejściowego ER i ograniczenia przybliżenia orbity. J. Chem. Educ. 1989, 66 (6), 481 DOI: 10.1021 / ed066p481.
  5. Krytyka książek Atkinsa autorstwa Erica Scerri.

Chociaż odpowiedź Molly dobrze się spisuje, wyjaśniając, dlaczego elektrony preferencyjnie zajmują podpowłokę 4s nad podpowłoką 3d (ze względu na mniejsze odpychanie między elektronami), nie odpowiada ona bezpośrednio na pytanie, dlaczego kolejność 3d / 4s zmiany energii przechodząc od Ca do Sc. Ukradłem tę figurę od Shrivera & Atkins, wyd. 5:

relative

Czerwona linia przedstawia energię orbitalu 3d, a niebieska energię orbitalu 4s. Widać, że do Ca, 3d> 4s, ale dla Sc dalej, 4s < 3d.


Jak słusznie wskazuje chemguide, do Ca orbital 4s ma mniejszą energię niż 3d . Energia elektronu na orbicie jest określona wzorem $$ E = -hcR \ left (\ frac {Z_ \ text {eff}} {n} \ right) ^ 2 $$ gdzie $ hcR $ to zbiór stałych, $ Z_ \ text {eff} $ to efektywny ładunek jądrowy doświadczany przez elektron, a $ n $ to główna liczba kwantowa. Ponieważ $ n = 4 $ dla orbitalu 4 s i $ n = 3 $ dla orbitalu 3D, jeden początkowo oczekiwałby, że orbital 3d będzie miał mniejszą energię (bardziej ujemną energię). Jednak orbital 4s jest bardziej penetrujący niż orbital 3d; można to zobaczyć, porównując funkcje dystrybucji promieniowej dwóch orbitali, zdefiniowane jako $ R (r) ^ 2 r ^ 2 $ , gdzie $ R (r) $ jest radialną funkcją falową otrzymaną z równania Schrodingera:

3d/4s

Orbital 4s ma mały wewnętrzny płat promieniowy (niebieskie wybrzuszenie po lewej stronie wykresu), co oznacza, że ​​elektron 4s ma tendencję do spędzania czasu w pobliżu jądra, powodując, że doświadcza pełnego jądra w większym stopniu. Mówimy, że elektron 4s lepiej penetruje elektrony rdzenia (tj. 1s przez podpowłoki 3p). Dlatego ekranowany jest mniej niż elektron w 3D, co powoduje, że $ Z_ \ text {eff} $ jest większy. Przechodząc z orbity 3 s do 4 s, wzrost $ Z_ \ text {eff} $ wygrywa nieznacznie w porównaniu ze wzrostem $ n $ , co obniża energię orbity 4s.


Przejście z Ca do Sc oznacza, że ​​dodajesz jeszcze jeden proton do jądra. To sprawia, że ​​ładunek jądrowy jest większy, a zatem zarówno orbitale 4s, jak i 3d są ustabilizowane (ich energia spada). Problem polega na tym, że energia orbitalu 4s spada wolniej niż orbitalu 3d, ponieważ orbital 4s jest względnie rozproszony promieniowo (maksimum w funkcji rozkładu radialnego występuje przy większej wartości $ r $ ). Jeśli studiowałeś fizykę, możesz myśleć o niej jako o interakcji między dwoma ładunkami punktowymi; jeśli odległość między nimi jest duża, to zwiększenie wielkości jednego ładunku punktowego ma mniejszy wpływ na energię potencjalną $ U = - \ frac {kq_1q_2} {r} $ span >. Szybszy spadek energii 3D ma również sens, ponieważ gdyby ładunek jądrowy dążył do nieskończoności, ekranowanie stałoby się nieistotne; energie orbity byłyby wtedy całkowicie zdeterminowane przez $ n $ , a gdyby tak było, można by oczekiwać 3d < 4s pod względem energii, jak powiedzieliśmy na samym początku.

Jednak w Sc elektrony preferencyjnie zajmują podpowłokę 4s, mimo że ma ona wyższą energię, a dzieje się tak również dlatego, że orbital 4s jest rozproszony promieniowo - elektrony mają więcej „przestrzeni osobistej” i są mniej odpychające. Jednym ze sposobów wyrażenia tego jest to, że pusty orbital 4s w Sc ma wyższą energię niż pusty orbital 3d, ale wypełniony orbital 4s ma niższa energia niż wypełniona orbital 3d. Fakt, że 4s> 3d w energii wyjaśnia również, dlaczego w przypadku metali przejściowych elektrony 4s są usuwane jako pierwsze po jonizacji ( $ \ ce {Sc ^ +}: [\ ce {Ar }] (3 \ mathrm {d}) ^ 1 (4 \ mathrm {s}) ^ 1 $ .)


Chciałbym tylko zakończyć komentarzem, że czynniki określające konfiguracje elektroniczne elementów bloku d i bloku f są w rzeczywistości bardzo ściśle zrównoważone i tylko niewielka zmiana jednego czynnika może prowadzić do zupełnie innej konfiguracji elektronicznej. To dlatego Cr i Cu mają „anomalną” konfigurację, która maksymalizuje energię wymiany, podczas gdy węgiel nie otrzymujemy przyjmując $ (1 \ mathrm {s}) ^ 2 (2 \ mathrm {s}) ^ 1 (2 \ mathrm {p}) ^ 3 $ konfiguracja w celu uzyskania „stabilnych, w połowie wypełnionych powłok”.

W dążeniu do ponownego czytania starych postów w pewnym momencie byłem nieco zaskoczony: powiedziałeś, że do $ \ ce {Ca}, $ the $ E $ dla elektronu w $ \ rm {4s} $ jest niższe niż to z $ \ rm {3d} $ jako wzrost o $ \ rm {Z_ {eff}} $ zostaje nieco zniweczony przez wzrost $ n $ w mianowniku. W porządku. Ale nie rozumiem, dlaczego to samo nie dzieje się w elementach po $ \ ce {Ca} $ np. $ \ ce {Sc}; $ $ \ rm {4s} $ jest rozpraszane promieniowo nawet w $ \ ce {Ca} $, ale czy wpływa to na energię elektronu? Przepraszam, jeśli przeszkadzam Ci @Ortho,, ale byłbym wdzięczny, gdybyś powiedział mi, dlaczego nie można $ \ rm 4s \ lt 3d $ w $ \ ce {Sc} $ [cd.]
z tego samego powodu co w $ \ ce {Ca} $ viz. wzrost $ n $ w mianowniku jest zniwelowany przez wzrost $ \ rm {Z_ {eff}}. $ Ponadto, być może w tym miejscu może być literówka: `3d> 4s, ale od Sc 4s <3d.` Dzięki .
@MAFIA36790 Przepraszam, że nie wróciłem do Ciebie wcześniej, podróżowałem tego dnia i zapomniałem o wszystkim. Szczerze mówiąc, po kilku kolejnych latach chemii nie jestem do końca przekonany, jak dokładny jest to opis. Ten konkretny wykres był krytykowany w Shriver & Atkins, o którym czytałem już wcześniej (pisali o nim różni autorzy), ale nie mam teraz czasu na dokładne zbadanie tej sprawy. Wskażę ci kierunek: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed055p2 i http://www.chem.ucla.edu/dept/Faculty/scerri/pdf/Atkins_critique. pdf
Pomysł w moim poście był taki, że wraz ze wzrostem liczby atomowej wzrasta $ Z_ \ mathrm {eff} $ zarówno orbitali 3d, jak i 4s. Jednak orbital 3d jest bardziej dotknięty tym problemem, tj. $ Z_ \ mathrm {eff} (\ mathrm {3d}) $ rośnie szybciej niż $ Z_ \ mathrm {eff} (\ mathrm {4s}) $. W konsekwencji pojawi się punkt przecięcia, w którym $$ \ frac {Z_ \ mathrm {eff} (\ mathrm {3d})} {3} = \ frac {Z_ \ mathrm {eff} (\ mathrm {4s})} { 4}, $$ czyli 3d i 4s mają równe energie. Przed tym punktem 4s <3d, a po tym punkcie 3d <4s. Argument Atkinsa jest taki, że ten punkt leży dokładnie między Ca i Sc.
Dlaczego patrzymy na obecność węzłów promieniowych w pobliżu jądra, mierząc wielkość penetracji elektronów na określonej orbicie. Czy nie powinniśmy spojrzeć na średnią odległość lub najbardziej prawdopodobną odległość elektronu od jądra?
@TanYongBoon żadne z tych kryteriów nie daje miary penetracji, która w największym stopniu zależy od gęstości elektronów w pobliżu jądra. Większość gęstości elektronów będzie znajdować się na zewnątrz i nie przyczynia się do penetracji, więc może być w dowolnym miejscu
Pozwolę sobie odesłać do tej części odpowiedzi: „Orbital 4s ma mały wewnętrzny płat promieniowy (niebieski guzek po lewej stronie wykresu), co oznacza, że ​​elektron 4s ma tendencję do spędzania czasu w pobliżu jądro, powodując, że doświadcza pełnego ładunku jądrowego w większym stopniu. Mówimy, że elektron 4s lepiej penetruje elektrony rdzenia (tj. podpowłoki 1s do 3p). "
@TanYongBoon, jeśli naprawdę chciałbyś być matematyczny, przypuszczam, że lepiej byłoby użyć jakiejś miary wzdłuż linii $$ \ int_0 ^ {r_0} | R (r) | ^ 2r ^ 2 \, \ mathrm dr $$ gdzie $ r_0 $ to jakiś określony punkt odcięcia, który wskazuje granicę między elektronami rdzeniowymi i walencyjnymi. Oczywiście jest to nadal dość życzliwe, ale myślę, że jest bardziej reprezentatywne dla pojęcia penetracji niż średniej lub wartości modu $ r $ (na którą głównie wpływa gęstość elektronów poza rdzeniem).
To powiedziawszy, penetracja jest czymś, czego nigdy nie widziałem na matematycznych podstawach - jest dość rozkołysana i nie jestem wielkim fanem jej przywoływania, co częściowo jest powodem zrzeczenia się na górze tej odpowiedzi, a to to moja jedyna odpowiedź na SE, gdzie jej użyłem. Być może nieprzypadkowo, była to też jedna z moich pierwszych odpowiedzi.
Molly
2015-06-25 01:48:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

To trudne pytanie. Zgodnie z zasadą Aufbau i zasadą n + l, orbital 4s powinien wypełnić się przed orbitalem 3d. Dlaczego więc energia 3d jest niższa? Krótko mówiąc, Zasada Aufbau nie jest całkowicie poprawna. To wskazówka (jak wiele rzeczy w chemii).

Tak więc orbitale wypełniają się w kolejności stabilności. Oznacza to, że elektrony pójdą tam, gdzie będą najbardziej stabilne. Potrzeba energii, aby utrzymać elektrony wokół jądra. Im dalej są, tym więcej energii potrzeba, aby je zatrzymać. Zatem im wyższa główna liczba kwantowa, tym wyższa energia. To znaczy. Energia 3s jest większa niż 2s. Jednocześnie podstawowa liczba kwantowa nie jest jedyną liczbą, którą należy wziąć pod uwagę. Na przykład liczba kwantowa l jest również ważna. Im wyższa wartość l, tym wyższa energia. Tak więc energia 3d jest wyższa niż 3p, która jest wyższa niż 3s. Orbitale 3D są bardziej zwarte wokół jądra niż orbitale 4s, więc wypełniają się jako pierwsze, mimo że jest to sprzeczne z zasadą Aufbau. Można to zaobserwować eksperymentalnie z konfiguracjami elektronów skandu: Sc3 +: [Ar] Sc2 +: [Ar] 3d (1) Sc +: [Ar] 3d (1) 4s (1) Sc: [Ar] 3d (1) 4s ( 2)

Teraz ważne jest, aby pamiętać, że poziom 4s wypełnia się, zanim 3d zostanie całkowicie zapełniony. Wynika to ze zwartości orbitalu 3D. Odpychanie elektronów „wypycha” elektrony na wyższe poziomy energii z mniejszym odpychaniem.

Polecam przeczytanie tego, ponieważ wyjaśnia to znacznie bardziej szczegółowo: http://www.rsc.org/eic/ 2013/11 / aufbau-electron-configuration

Mam nadzieję, że pomogło!



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...