Domanda:
Perché il terzo guscio di elettroni inizia a riempirsi di scandio?
user4076
2014-02-09 03:34:19 UTC
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La configurazione elettronica del calcio è 2, 8, 8, 2, dove fino a quel punto ogni shell, a parte il primo shell, conta fino a 8 - perché allora lo scandio ha una configurazione elettronica di 2, 8, 9, 2?

Cosa fa sì che la terza shell inizi a riempirsi, invece della quarta?

Una parte della risposta è contenuta [in questi post] (http://chemistry.stackexchange.com/q/151/1499). [Questo saggio] (http://www.chemguide.co.uk/atoms/properties/3d4sproblem.html) sull'argomento è interessante, ma sembra un po 'come un argomento qualitativo * a posteriori *. [Questo articolo] (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed071p469) va un po 'più a fondo negli argomenti del saggio. Non ho elaborato adeguatamente tutte queste informazioni da solo, anche se ho letto la maggior parte del materiale prima.
Post pertinente http://chemistry.stackexchange.com/questions/6921/why-does-ruthenium-only-have-one-electron-in-its-5s-orbital-in-the-neutral-oxida/6928#6928 ( primo paragrafo)
Questo post potrebbe aiutarti: https://chemistry.stackexchange.com/questions/73325/while-filling-electrons-we-follow-aufbau-principle-but-not-while-removing-why
Due risposte:
Nicolau Saker Neto
2014-02-11 04:44:13 UTC
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Le energie relative delle subshell elettroniche sono state calcolate per atomi in prossimità di $ Z = 20 $ ( J. Chem. Educ . , 1994 , 71 (6), 469) e il risultato è sorprendente:

Transition Metals and the Aufbau Principle, fig. 1

Guardando questo grafico, la configurazione elettronica dello scandio dovrebbe in effetti essere $ \ ce {1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6 3s ^ 2 3p ^ 6} $ $ \ color {blue} {\ ce {3d ^ 3}} $ per ridurre al minimo le energie orbitali! Il grafico non mostra l'energia della sottoshell $ \ ce {4p} $ , ma si trova leggermente al di sopra di entrambe le curve mostrate. Tuttavia, c'è un effetto importante che non viene considerato qui, che sono le repulsioni interelettroniche destabilizzanti. Gli elettroni in una stessa subshell tendono a respingersi di più (repulsione intrasubshell) rispetto agli elettroni in diverse subshell (repulsione intersubshell). Risulta (e nessuno può davvero spiegare qualitativamente perché, vedi sotto) la repulsione è tale che in un atomo con $ Z = 21 $ span >, la configurazione $ \ ce {[Ar] 4s ^ 2 3d ^ 1} $ ha un'energia inferiore rispetto ad altri potenziali candidati, come $ \ ce {[Ar] 3d ^ 3} $ o $ \ ce {[Ar] 4s ^ 1 3d ^ 2} $ . Teoricamente, le configurazioni dispari $ \ ce {[Ar] 4s ^ 2 4p ^ 1} $ o $ \ ce {[ Ar] 4s ^ 1 3d ^ 1 4p ^ 1} $ avrebbe energie di repulsione interelettroniche inferiori rispetto allo stato fondamentale osservato, ma in questi casi le repulsioni interelettroniche abbassate non compensano la necessità di popolare l'energia superiore $ \ ce {4p} $ subshell. Il confronto di diverse possibili configurazioni di elettroni e la minimizzazione congiunta dell'energia orbitale e delle energie di repulsione degli elettroni non sembra essere qualcosa che può essere fatto senza ricorrere a calcoli pesanti o convalida sperimentale diretta.

Oltre ad alcuni materiali che ho collegato nei commenti, questo articolo dal blog di Eric Scerri (un chimico che si concentra sugli aspetti della periodicità, inclusa la distribuzione elettronica) afferma, riguardante la configurazione elettronica dello scandio rispetto a calcio e allo ione $ \ ce {Sc ^ 3 +} $ (enfasi mia):

Ciò equivale a dire che tutti tre degli elettroni finali entrano in $ \ ce {3d} $ ma due di loro vengono respinti in un orbitale energeticamente meno favorevole, il $ \ ce {4s} $ , perché il risultato complessivo è più vantaggioso per l'atomo nel suo insieme. Ma questo non è qualcosa che può essere previsto. Perché sono 2 elettroni, invece di uno o addirittura nessuno? In casi come il cromo e il rame, solo un elettrone viene spinto nell'orbitale $ \ ce {4s} $ . In un caso analogo della seconda serie di transizione, l'atomo di palladio, la competizione si verifica tra $ \ ce {5s} $ e $ \ ce {4d} $ orbitali. In questo caso nessuno degli elettroni viene spinto verso l'alto nell'orbitale $ \ ce {5s} $ e la configurazione risultante ha un guscio esterno di $ \ ce {[Kr] 4d ^ 10} $ .

Niente di tutto ciò può essere previsto in termini semplici da una regola empirica e così sembra quasi che valga la pena mascherare questo fatto affermando che la configurazione complessiva può essere prevista, almeno per quanto riguarda i casi in cui due elettroni vengono spinti in alto nell'orbitale s rilevante. A coloro a cui piace presentare un'immagine piuttosto trionfale della scienza è troppo ammettere che non possiamo fare queste previsioni. L'uso dello sciatto Aufbau sembra evitare questo problema poiché fornisce la configurazione complessiva corretta e quasi nessuno sente l'odore di un topo.

Quindi, sfortunatamente, sembra che anche se la maggior parte degli effetti che si combinano per produrre le configurazioni elettroniche osservate sono noti, non esiste un modo qualitativo per prevedere dove le configurazioni non corrisponderanno al principio di Aufbau o ai livelli di gli orbitali. Ho letto l'affermazione che il principio di Aufbau è decisamente sbagliato praticamente per ogni atomo rispetto al posizionamento dei livelli di energia orbitale, ma incredibilmente accade di prevedere la configurazione del guscio di valenza per la maggior parte degli atomi.

Il modello di configurazione elettronica è comunque un modello limitato, nel senso che le diverse energie orbitali ROHF potrebbero fornire la stessa energia totale (Tabella 1 in http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jcp/125/20 /10.1063/1.2393223). Si può fissare una forma di energia orbitale in ROHF e poi discuterne sopra, tuttavia ogni * spiegazione * è basata sulla scelta delle energie orbitali. Storicamente, molti grafici dell'energia orbitale si basano su un trattamento piuttosto primitivo http://prola.aps.org/abstract/PR/v99/i2/p510_1, per un'indagine storica, vedere la chimica quantistica di Levine 5th edi, p313-315
La configurazione elettronica ufficiale è estrapolata dai dati della spettroscopia sperimentale, ma il modello teorico del primo principio (senza ricorsione dai dati sperimentali) non è unico (ROHF, UHF, HF semplificato con potenziale Thomas-Fermi-Dirac, KS-DFT (a volte)) , che ha complicato il caso. Se si vuole spiegare la configurazione elettronica estrapolata sperimentale, forse è un problema passare attraverso l'impostazione mentale dell'argomento che viene utilizzato per l'estrapolazione (in qualche modo discusso nel libro di Levine menzionato sopra).
@user26143 Apprezzo i tuoi contributi nelle discussioni, poiché sono sempre molto perspicaci e trattano un aspetto della chimica con cui non ho familiarità. Mi assicurerò di leggere quello che posso dai tuoi link.
ron
2014-02-09 05:33:37 UTC
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La configurazione elettronica per lo scandio è:

$$ \ ce {1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6 3s ^ 2 3p ^ 6 4s ^ 2 3d ^ 1} $$

Gli orbitali $ \ ce {4s} $ e $ \ ce {3d} $ sono relativamente vicini in termini di energia, quindi ci sono alcune anomalie nell'ordine di riempimento. Una domanda giusta potrebbe essere, perché la configurazione dell'elettrone scandio non è $ \ ce {[Ar] 3d ^ 3 4s ^ 0} $. C'è una stabilità speciale associata agli orbitali completamente pieni, quindi la configurazione $ \ ce {3d ^ 1 4s ^ 2} $ è di energia inferiore rispetto all'alternativa $ \ ce {3d ^ 3 4s ^ 0} $.

Non trovo questa risposta molto soddisfacente. Dire qualcosa è così perché l'energia totale del sistema è inferiore in quel modo, sebbene del tutto corretto, è troppo superficiale; potresti rispondere a centinaia di domande completamente diverse con la stessa idea. Ciò che è veramente interessante è * perché * l'energia dovrebbe essere ridotta al minimo in quella specifica configurazione. Esiste una ragionevole giustificazione teorica del motivo per cui gli orbitali $ (n-1) d $ si riempiono dopo l'orbitale $ ns $, senza dover necessariamente addentrarsi in lunghi e complessi calcoli assistiti da computer?
@NicolauSakerNeto sì, quello che hai descritto è esattamente quello che cerco - il 'perché' di questo fenomeno mi intriga
@ron Questo sarebbe meglio spiegato in termini di energia di accoppiamento di spin degli elettroni. La tua risposta sarebbe molto carina se includesse questo concetto.
Forse mi manca qualcosa. Ho letto e riletto i commenti più volte. Non ho detto "qualcosa è com'è perché l'energia totale del sistema è inferiore" e l'ho lasciato così. I punti che ho cercato di fare sono: 1) gli orbitali 3d e 4s sono vicini in energia, quindi piccoli fattori possono ribaltare l'equilibrio energetico favorendo la formazione di una configurazione elettronica sull'altra (3d1 4s2 vs 3d3 4s0 esempio che ho dato), e 2) che i gusci pieni abbiano una stabilità speciale e un'energia inferiore (configurazione a gas inerte), quindi la configurazione 3d1 4s2 è energeticamente favorita rispetto
la configurazione 3d3 4s0. Se rimangono delle domande, chiedile in modo chiaro e specifico e cercherò di rispondere.
Spero di non essere sembrato offensivo, poiché non era certamente mia intenzione. Sono d'accordo con l'affermazione che le energie orbitali per 3d e 4s sono vicine, quindi gli effetti più sottili dovrebbero essere presi in considerazione. Ma poi scrivi della "stabilità speciale" senza approfondire ulteriormente, quindi suona come un'onda di mano per giustificare che $ 3d ^ 14s ^ 2 $ ha un'energia inferiore a $ 3d ^ 34s ^ 0 $ e quindi si osserva il primo invece del secondo. Speravo di poter indurre qualcuno a dare una risposta più rigorosa, possibilmente semiquantitativa.
No, senza offesa. Hai ragione sul fatto che "sorvolassi" sulla "stabilità speciale". L'ho fatto perché, cosa si può dire di più, l'osservazione empirica ci mostra che la configurazione del gas inerte (ad esempio orbitali completamente pieni) ha una "stabilità speciale".


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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