การกำหนดค่าอิเล็กตรอนหรือวิธีการกระจายอิเล็กตรอนในอะตอม

อะตอมและโครงสร้างของมัน

อนุภาคแต่ละตัวที่ประกอบกันเป็นอะตอม สิ่งที่อยู่รอบตัวเราคืออะตอม องค์ประกอบเป็นผลรวมของอะตอม – เหล็กทำจากอะตอมเหล็ก ทองแดงทำจากอะตอมทองแดง ฯลฯ แล้วอะตอมประกอบด้วยอะไร? พวกเราส่วนใหญ่รู้คำตอบ: โปรตอนที่มีประจุบวก อิเล็กตรอนที่มีประจุลบ และนิวตรอนที่ไม่มีประจุใดๆ นี่เป็นคำตอบที่ถูกต้องหรือไม่? อย่างแน่นอน แต่ถ้าเราดูอะตอมในแบบที่นักเคมีทำ เราตอบว่าอะตอมประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานสองอย่าง: นิวเคลียสและเมฆอิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ

นิวเคลียสของอะตอม

นิวเคลียสของอะตอมเป็นศูนย์กลางและประกอบขึ้นเป็นส่วนที่สำคัญที่สุด ประกอบด้วยโปรตอน (ประจุบวก) และนิวตรอน (เป็นกลางทางไฟฟ้า) สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ส่วนประกอบที่หารไม่ได้ ทั้งโปรตอนและนิวตรอนมีโครงสร้างภายใน ซึ่งสร้างจากอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าควาร์ก โปรตอนประกอบด้วยอัพเปอร์ควาร์กสองตัวและควาร์กล่างหนึ่งตัว อย่างไรก็ตาม นิวตรอนมีอัปเปอร์ควาร์กหนึ่งตัวและควาร์กล่างสองตัวในโครงสร้างของมัน

เมฆอิเล็กตรอน

อะตอมไม่มีขอบที่ชัดเจน – นี่เป็นเพราะการมีอยู่ของเมฆอิเล็กตรอน เมฆอิเล็กตรอนเป็นพื้นที่ที่มีความน่าจะเป็นมากที่สุดของการมีอยู่ของอิเล็กตรอน (สำคัญ: เส้นทางที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไม่สามารถระบุได้อย่างชัดเจน เป็นไปได้ที่จะกำหนดความน่าจะเป็นในการค้นหาในพื้นที่ต่างๆ ในอวกาศเท่านั้น) เมฆอิเล็กตรอนประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอม ถัดจากนิวเคลียส ความหนาแน่นของเมฆอิเล็กตรอนจะสูงที่สุด ในขณะที่ยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียส เมฆก็ยิ่งกระจายมากขึ้นเท่านั้น

คำอธิบายควอนตัมของอะตอม

สถานะของอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันคลื่น ฟังก์ชันคลื่นเป็นคำตอบทางคณิตศาสตร์ของสมการชโรดิงเงอร์ ในทางกลับกัน สมการนี้สามารถแก้ไขได้หากมีการแนะนำเงื่อนไขพื้นฐานหลายประการ ด้วยเหตุนี้จึงมีการใช้เลขควอนตัม เลขควอนตัมที่อธิบายสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมนั้นๆ

• หมายเลขควอนตัมหลัก n :

มีหน้าที่รับผิดชอบพลังงานของอิเล็กตรอน มีค่าของจำนวนธรรมชาติต่อเนื่องกัน มีค่าตั้งแต่ 1 ถึงอนันต์ ในทางปฏิบัติ นี่ไม่ใช่กรณีและส่วนใหญ่แล้ว n จะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 1 ถึง 7 ระดับที่มีเลขควอนตัมหลักเหมือนกันจะเรียกว่า เปลือกอิเล็กตรอน

• หมายเลขควอนตัมเชิงมุม l :

กำหนดพลังงานได้แม่นยำยิ่งขึ้น ค่าของเลขควอนตัมแอซิมัททัลกำหนดเปลือกย่อยของเปลือกอะตอมที่กำหนด รูปร่างของวงโคจรของอะตอมยังขึ้นอยู่กับค่าของตัวเลขนี้ด้วย เลขควอนตัมแนวราบมีค่าตั้งแต่ศูนย์ถึง ( n -1)

• หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก m :

ค่าของเลขควอนตัมแม่เหล็กขึ้นอยู่กับเลขควอนตัมแอซิมัททัล เลขควอนตัมแม่เหล็ก m มีค่าตั้งแต่ – l ถึง l (รวม 0) ด้วยความรู้เกี่ยวกับเลขควอนตัมแม่เหล็ก ตำแหน่งร่วมกันของออร์บิทัลในอวกาศจะถูกกำหนด ซึ่งให้ข้อมูลเกี่ยวกับจำนวนของออร์บิทัลในระดับย่อยที่กำหนด

• หมายเลขควอนตัมหมุน:

ขณะที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนก็เคลื่อนที่รอบแกนของมันด้วย การเคลื่อนไหวนี้เรียกว่าสปินและหมายเลขควอนตัมของสปินเกี่ยวข้องกับมัน มีค่าเพียงสองค่า: + ½ และ – ½ แต่ละออร์บิทัลของอะตอมอาจมีอิเล็กตรอนสองตัวที่มีค่าเลขควอนตัมสปินต่างกัน เมื่ออธิบายเลขควอนตัม เป็นไปไม่ได้ที่จะไม่พูดถึงกฎพื้นฐานข้อหนึ่งในวิชาเคมี ซึ่งก็คือ หลักการกีดกัน ของเพาลี ตามหลักการนี้ อะตอมไม่สามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวที่มีเลขควอนตัมเท่ากันได้ อิเล็กตรอนในอะตอมต้องมีค่าต่างกันอย่างน้อยหนึ่งเลขควอนตัม

เปลือกอิเล็กตรอนและเปลือกย่อย

นิวเคลียสของอะตอมล้อมรอบด้วยเมฆอิเล็กตรอนซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะพบอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเหล่านี้ถูกจัดเรียงบนเปลือกอิเล็กตรอนที่เหมาะสม พูดง่ายๆ ก็คือ เปลือกอิเล็กตรอน เป็นระดับที่มีเลขควอนตัมหลักเหมือนกัน n เปลือกที่อยู่ไกลจากนิวเคลียสของอะตอมเรียกว่า เวเลนต์เชลล์ อิเล็กตรอนที่โคจรรอบเปลือกนี้เรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน (พวกมันสร้างพันธะเคมีระหว่างอะตอมของธาตุต่างๆ หรืออะตอมของธาตุเดียวกัน) เปลือกอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะถูกระบุด้วยตัวอักษร ดังนั้น สำหรับ n = 1 ตัวอักษรคือ K สำหรับ n = 2 ตัวอักษรคือ L ฯลฯ (สำหรับ n 1 ถึง 7 ตัวอักษรคือ: K ถึง Q) เปลือกอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมประกอบด้วยเปลือกย่อย เชลล์ย่อย ถูกกำหนดโดยเลขควอนตัมแอซิมัททัล l บนเปลือกย่อยมีอิเล็กตรอนที่กำหนดค่าพลังงานเท่ากันอย่างแม่นยำ เปลือกย่อยยังมี ‘ความจุ’ เฉพาะ – พวกมันสามารถมี 2*(2* l +1) โดยที่ l คือเลขควอนตัมแนวราบ เชลล์ย่อยยังมีการกำหนดตัวอักษร: s, p, d, f, g, h เป็นต้น

การกำหนดค่าอิเล็กตรอน

สำหรับการกำหนด ค่าอิเล็กตรอน ที่ถูกต้องในอะตอม จำเป็นต้องทราบลำดับของระดับพลังงาน (ลำดับของเปลือกย่อยและเปลือกย่อยแต่ละอันตามค่าพลังงานที่เพิ่มขึ้น) การกำหนดค่าเป็นเพียงการกำหนดอิเล็กตรอนแต่ละตัวให้อยู่ในระดับพลังงาน อะตอมมีสถานะพลังงานสองสถานะ: สถานะพื้นและสถานะตื่นเต้น เราสังเกตสถานะพื้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระจายในแต่ละออร์บิทัลตามกฎการขยายตัว จากนั้นจะมีพลังงานต่ำที่สุด หากอะตอมได้รับพลังงานจำนวนหนึ่ง อิเล็กตรอนสามารถถูกถ่ายโอนจากออร์บิทัลพลังงานต่ำไปยังออร์บิทัลอิสระพลังงานสูงกว่าได้ เรากำลังพูดถึงสภาวะตื่นเต้นของอะตอม ดังนั้น เพื่อค้นหาการจัดเรียง อิเล็กตรอน ที่ถูกต้องของอะตอมในสถานะพื้น จะต้องเติมออร์บิทัลแต่ละวงตามพลังงานที่เพิ่มขึ้น โดยปฏิบัติตามหลักการกีดกันของเพาลี ตามหลักการเหล่านี้ สิ่งที่เรียกว่าสัญกรณ์การกำหนดค่าแบบสมบูรณ์ประกอบด้วยจำนวนของเชลล์ที่ต่อเนื่องกัน การกำหนดตัวอักษรของเชลล์ย่อยที่ต่อเนื่องกัน และสัญลักษณ์ของจำนวนอิเล็กตรอนในออร์บิทัลเฉพาะ ถูกสร้างขึ้น สัญกรณ์การกำหนดค่าอิเล็กตรอนแบบย่อ นั้นเริ่มแรกมีแกนกลางในรูปแบบของการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ของ ก๊าซมีตระกูล ซึ่งเสริมด้วยอิเล็กตรอนที่เหลืออยู่