การกำหนดค่าอิเล็กตรอนหรือวิธีการกระจายอิเล็กตรอนในอะตอม

อะตอมและโครงสร้างของมัน

อนุภาคแต่ละตัวที่ประกอบเป็นสสารคืออะตอม สิ่งที่อยู่รอบตัวเราคืออะตอม ธาตุเป็นผลรวมของอะตอม เหล็กประกอบด้วยอะตอมของเหล็ก ทองแดงประกอบด้วยอะตอมของทองแดง เป็นต้น แล้วอะตอมประกอบด้วยอะไรบ้าง? พวกเราส่วนใหญ่รู้คำตอบ: โปรตอนที่มีประจุบวก อิเล็กตรอนที่มีประจุลบ และนิวตรอนโดยไม่มีประจุใดๆ นี่เป็นคำตอบที่ถูกต้องหรือไม่? แน่นอน แต่ถ้าเราดูอะตอมแบบที่นักเคมีทำ เราตอบได้ว่าอะตอมประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานสองอย่าง: นิวเคลียสและเมฆอิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ

นิวเคลียสของอะตอม

นิวเคลียสของอะตอมเป็นศูนย์กลางและถือเป็นส่วนที่สำคัญที่สุด ประกอบด้วยโปรตอน (ประจุบวก) และนิวตรอน (เป็นกลางทางไฟฟ้า) สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ส่วนประกอบที่ไม่สามารถแบ่งได้ ทั้งโปรตอนและนิวตรอนมีโครงสร้างภายใน ซึ่งทำจากอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าควาร์ก โปรตอนประกอบด้วยควาร์กบนสองตัวและควาร์กล่างหนึ่งตัว อย่างไรก็ตาม นิวตรอนมีควาร์กบนหนึ่งตัวและควาร์กล่างสองตัวในโครงสร้าง

เมฆอิเล็กตรอน

อะตอมไม่มีขอบที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน – เนื่องจากการมีอยู่ของเมฆอิเล็กตรอน เมฆอิเล็กตรอนเป็นพื้นที่ที่มีความน่าจะเป็นมากที่สุดของการมีอยู่ของอิเล็กตรอน (สำคัญ: เส้นทางที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไม่สามารถกำหนดได้อย่างชัดเจน มีเพียงความเป็นไปได้ที่จะกำหนดความน่าจะเป็นที่จะพบมันในพื้นที่ต่างๆ ในอวกาศ) เมฆอิเล็กตรอนประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอม ถัดจากนิวเคลียส ความหนาแน่นของเมฆอิเล็กตรอนจะสูงที่สุด ในขณะที่ยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากเท่าไร เมฆก็จะยิ่งกระจัดกระจายมากขึ้นเท่านั้น

คำอธิบายควอนตัมของอะตอม

สถานะของอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมอธิบายโดยฟังก์ชันคลื่น ฟังก์ชันคลื่นเป็นคำตอบทางคณิตศาสตร์ของสมการชโรดิงเงอร์ ในทางกลับกัน สมการนี้สามารถแก้ไขได้หากมีการแนะนำเงื่อนไขพื้นฐานหลายประการ ด้วยเหตุนี้ จึงมีการใช้เลขควอนตัม ตัวเลขควอนตัมที่อธิบายสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมที่กำหนดมีลักษณะเฉพาะโดยสังเขปด้านล่าง:

• หมายเลขควอนตัมหลัก n :

มีหน้าที่รับผิดชอบพลังงานของอิเล็กตรอน มีค่าของจำนวนธรรมชาติที่ต่อเนื่องกัน สามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 1 ถึงอนันต์ ในทางปฏิบัติ นี่ไม่ใช่กรณีและโดยส่วนใหญ่แล้ว n ช่วงตั้งแต่ 1 ถึง 7 ระดับที่มีเลขควอนตัมหลักเหมือนกันจะเรียกว่าเปลือกอิเล็กตรอน

• เลขควอนตัม azimuthal l :

กำหนดพลังงานได้แม่นยำยิ่งขึ้น ค่าของเลขควอนตัม azimuthal เป็นตัวกำหนด subshell ของ atomic shell ที่กำหนด รูปร่างของออร์บิทัลของอะตอมก็ขึ้นอยู่กับค่าของตัวเลขนี้เช่นกัน หมายเลขควอนตัมราบมีค่าตั้งแต่ศูนย์ถึง ( n -1)

• เลขควอนตัมแม่เหล็ก m :

ค่าของเลขควอนตัมแม่เหล็กขึ้นอยู่กับจำนวนควอนตัมแอซิมุทัล หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก m มีค่าตั้งแต่ – l ถึง l (รวม 0) ด้วยความรู้เกี่ยวกับเลขควอนตัมแม่เหล็ก ตำแหน่งร่วมกันของออร์บิทัลในอวกาศจะถูกกำหนด ซึ่งให้ข้อมูลเกี่ยวกับจำนวนของออร์บิทัลในระดับย่อยที่กำหนด

• หมุนหมายเลขควอนตัม:

ในขณะที่เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนก็เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ แกนของตัวเองด้วย การเคลื่อนไหวนี้เรียกว่าสปินและหมายเลขควอนตัมสปินสัมพันธ์กับมัน มีค่าเพียงสองค่า: + ½ และ – ½ การโคจรของอะตอมแต่ละวงอาจมีอิเล็กตรอนสองตัวที่มีค่าของเลขควอนตัมสปินต่างกัน เมื่ออธิบายจำนวนควอนตัม เป็นไปไม่ได้ที่จะไม่พูดถึงกฎพื้นฐานข้อใดข้อหนึ่งในวิชาเคมี นั่นคือ หลักการกีดกันของเปาลี ตามหลักการนี้ อะตอมไม่สามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวที่มีเลขควอนตัมเท่ากันได้ อิเล็กตรอนในอะตอมต้องมีค่าต่างกันอย่างน้อยหนึ่งเลขควอนตัม

เปลือกอิเล็กตรอนและเปลือกย่อย

นิวเคลียสของอะตอมถูกล้อมรอบด้วยเมฆอิเล็กตรอนซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะพบอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเหล่านี้ถูกจัดเรียงบนเปลือกอิเล็กตรอนที่เหมาะสม พูดง่ายๆ ก็คือ เปลือกอิเล็กตรอน เป็นระดับที่มีเลขควอนตัมหลักเหมือนกัน n เปลือกที่อยู่ไกลที่สุดจากนิวเคลียสของอะตอมเรียกว่า วาเลนซ์เชลล์ – อิเล็กตรอนที่โคจรรอบเปลือกนี้เรียกว่า วาเลนซ์อิเล็กตรอน (พวกมันสร้างพันธะเคมีระหว่างอะตอมของธาตุต่าง ๆ หรืออะตอมของธาตุเดียวกัน) เปลือกอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะถูกระบุด้วยตัวอักษร ดังนั้น สำหรับ n = 1 ตัวอักษรคือ K สำหรับ n = 2 ตัวอักษรคือ L เป็นต้น (สำหรับ n 1 ถึง 7 ตัวอักษรคือ: K ถึง Q) เปลือกอิเล็กตรอนแต่ละอันในอะตอมประกอบด้วยเปลือกย่อย เชลล์ย่อย ถูกกำหนดโดยตัวเลขควอนตัม azimuthal l บนเปลือกย่อย มีอิเล็กตรอนที่กำหนดค่าพลังงานที่เท่ากันได้อย่างแม่นยำ เชลล์ย่อยยังมี ‘ความจุ’ เฉพาะ – พวกเขาสามารถมี 2*(2* l +1) โดยที่ l คือจำนวนควอนตัมแอซิมัล เชลล์ย่อยยังมีการกำหนดตัวอักษร: s, p, d, f, g, h เป็นต้น

การกำหนดค่าอิเล็กตรอน

สำหรับการกำหนด ค่าอิเล็กตรอน ในอะตอมที่ถูกต้องนั้น จำเป็นต้องทราบลำดับของระดับพลังงาน (ลำดับของเปลือกย่อยและเปลือกแต่ละอันตามค่าพลังงานที่เพิ่มขึ้น) การกำหนดค่าเป็นเพียงการกำหนดอิเล็กตรอนแต่ละตัวให้อยู่ในระดับพลังงาน อะตอมมีสถานะพลังงานสองสถานะ: สถานะพื้นและสถานะตื่นเต้น เราสังเกตสถานะพื้นเมื่อมีการกระจายอิเล็กตรอนในแต่ละออร์บิทัลตามกฎการขยายตัว จึงมีพลังงานเหลือน้อยที่สุด หากอะตอมได้รับพลังงานจำนวนหนึ่ง อิเล็กตรอนก็สามารถถ่ายโอนจากวงโคจรที่มีพลังงานต่ำกว่าไปยังวงโคจรที่มีพลังงานสูงกว่าได้ฟรี – เรากำลังพูดถึงสถานะตื่นเต้นของอะตอม ดังนั้น เพื่อค้นหาการ กำหนดค่าอิเล็กตรอน ที่ถูกต้องของอะตอมในสถานะพื้นดิน ออร์บิทัลแต่ละออร์บิทัลต้องถูกเติมตามพลังงานที่เพิ่มขึ้น โดยปฏิบัติตามหลักการกีดกันของเปาลี ตามหลักการเหล่านี้ สิ่งที่เรียกว่า สัญกรณ์คอนฟิกูเรชันแบบเต็ม ซึ่งประกอบด้วยจำนวนของเชลล์ที่ต่อเนื่องกัน การกำหนดตัวอักษรของซับเชลล์ที่ต่อเนื่องกัน และสัญกรณ์ของจำนวนอิเล็กตรอนในออร์บิทัลเฉพาะจะถูกสร้างขึ้น สัญกรณ์การกำหนดค่าอิเล็กตรอนแบบย่อ ในขั้นต้นประกอบด้วยแกนกลางในรูปแบบของการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ของก๊าซมีตระกูลซึ่งเสริมด้วยอิเล็กตรอนที่เหลือ