면책 조항 : 이제이 답변이 완전히 틀린 것 같습니다.
찬성 취소 및 / 또는 반대 투표를 고려해보십시오. +22에서 오답을 보는 것이 싫습니다.
하지만 지금은 그대로 두겠습니다. 많은 학부 수준의 교과서 또는 과정에서 가르치는 내용을 반영합니다. 그러나 Shriver & Atkins에서이 특정 그래프에 대한 비판이 있었고 3D 궤도가 4s 궤도보다 에너지가 어떻게 든 높다는 생각이있었습니다. 에너지가 시대에 뒤 떨어진 Thomas–Fermi–Dirac 모델로 계산되었다고 언급되었다고 생각하지만 실제로는 기억할 수 없습니다. 나는 3d vs 4s 문제에 대해 또 다른 질문을 할 것이지만 그 동안 독자들에게이 기사의 방향을 알려줄 것입니다.
- Pilar, F. L. 4s는 항상 3d 이상입니다! 또는 파동 함수에서 궤도를 말하는 방법. J. Chem. 교육 1978, 55 (1), 2 DOI : 10.1021 / ed055p2 .
- Melrose, MP; Scerri, E. R. 3d 이전에 4s 궤도가 점유되는 이유. J. Chem. 교육 1996, 73 (6), 498 DOI : 10.1021 / ed073p498 .
- Vanquickenborne, LG; Pierloot, K .; Devoghel, D. Transition Metals 및 Aufbau 원리. J. Chem. 교육 1994, 71 (6), 469 DOI : 10.1021 / ed071p469 .
- Scerri, ER 전이 금속 구성 및 궤도 근사 한계. J. Chem. 교육 1989, 66 (6), 481 DOI : 10.1021 / ed066p481 .
- Eric Scerri의 Atkins”책에 대한 일부 비판
Molly의 대답은 왜 전자가 3d 서브 쉘보다 4s 서브 쉘을 우선적으로 차지하는지 설명하는 데 효과적입니다. 전자 간 반발이 적음) 3d / 4s 에너지의 순서가 Ca에서 Sc로 변경되는 이유에 대한 질문에 직접 답하지 않습니다.이 수치를 Shriver & Atkins 5th ed :
빨간색 선은 3D 궤도의 에너지를 나타내고 파란색 선은 에너지를 나타냅니다. Ca, 3d> 4s까지 볼 수 있지만 Sc 이후로는 4s < 3d입니다.
chemguide가 올바르게 지적했듯이 , Ca까지 4s 궤도는 3d보다 에너지가 낮습니다. 궤도에서 $$ E = -hcR \ left (\ frac {Z_ \ text {eff}} {n} \ right) ^ 2 $$ 로 주어집니다. $ hcR $ 는 상수 모음이고 $ Z_ \ text {eff} $ 는 유효 핵 전하입니다. 전자가 경험하고 $ n $ 은 주 양자 수입니다. 4s 궤도의 경우 $ n = 4 $ 이고 3D 궤도의 경우 $ n = 3 $ 이므로 처음에는 3d 궤도의 에너지가 더 낮을 것으로 예상합니다 (더 부정적인 에너지). 그러나 4s 궤도는 3d 궤도보다 관통 이 더 많습니다. 이는 $ R (r) ^ 2 r ^ 2 $ 로 정의 된 두 궤도의 방사형 분포 함수를 비교하여 볼 수 있습니다. 여기서 $ R (r) $ 은 슈뢰딩거 방정식에서 얻은 방사형 파동 함수입니다.
4s 궤도에는 작은 내부 방사형 로브 (그래프 왼쪽의 파란색 범프)가 있습니다. 이는 4s 전자가 핵 근처에서 “시간을 보내는 경향이있어”완전한 핵 전하를 경험하게 함을 의미합니다. 더 크게. 우리는 4s 전자가 코어 전자 (즉, 1s ~ 3p 서브 쉘)를 더 잘 침투 한다고 말합니다. 따라서 3d 전자보다 적게 차폐되어 $ Z_ \ text {eff} $ 더 커집니다.3d에서 4s 궤도로 이동하면 $ Z_ \ text {eff} $ 의 증가가 $ n $ , 4s 궤도의 에너지를 낮 춥니 다.
이제 Ca에서 Sc로 이동한다는 것은 핵에 양성자를 하나 더 추가한다는 것을 의미합니다. 이것은 핵 전하를 더 크게 만들고 따라서 4s 및 3d 궤도가 모두 안정화됩니다 (에너지가 감소 함). 문제는 4s 궤도의 에너지가 3d 궤도의 에너지보다 느리게 감소한다는 것입니다. 4s 궤도는 상대적으로 방사형으로 확산 하기 때문입니다 (방사형 분포 함수의 최대 값은 $ r $ ). 물리학을 공부했다면 두 점 전하 사이의 상호 작용으로 생각할 수 있습니다. 둘 사이의 거리가 큰 경우 1 점 전하의 크기를 늘리면 잠재적 에너지에 미치는 영향이 더 적습니다. $ U =-\ frac {kq_1q_2} {r} $ . 3 차원 에너지의 더 빠른 감소는 또한 핵 전하가 무한대가된다면 차폐가 무시할 수있을 것이기 때문에 의미가 있습니다. 궤도 에너지는 전적으로 $ n $ 에 의해 결정되며,이 경우 3d < 4s는 에너지 측면에서 시작합니다.
그러나 Sc에서는 에너지가 더 높더라도 전자가 우선적으로 4s 서브 쉘을 차지합니다. 궤도는 방사형으로 확산됩니다. 전자는 “개인 공간”이 더 많고 반발력이 적습니다. 그것을 넣는 한 가지 방법은 Sc의 빈 4s 궤도가 빈 3d 궤도보다 에너지가 더 높지만 채워진 4s 궤도는 채워진 3D 궤도보다 낮은 에너지입니다. 에너지가 4s> 3d라는 사실은 전이 금속의 경우 이온화시 4s 전자가 먼저 제거되는 이유를 설명합니다 ( $ \ ce {Sc ^ +} : [\ ce {Ar }] (3 \ mathrm {d}) ^ 1 (4 \ mathrm {s}) ^ 1 $ .)
그냥 d- 블록 및 f- 블록 요소의 전자 구성을 결정하는 요소는 실제로 매우 밀접하게 균형을 이루며 한 요소의 작은 변화만으로도 완전히 다른 전자 구성을 만들 수 있습니다. 이것이 Cr과 Cu가 교환 에너지를 최대화하는 “변칙적”구성을 갖는 반면, $ (1 \ mathrm {s}) ^ 2 (2 \ mathrm {s}) ^ 1 (2 \ mathrm {p}) ^ 3 $ 구성을 통해 “안정적인 반 채움 쉘”을 갖습니다.
댓글
- 오래된 게시물을 다시 읽는 과정에서 저는 여기에서 다소 당혹 스러웠습니다. $ \ rm에있는 전자에 대해 $ \ ce {Ca}, $ $ E $까지 말씀하셨습니다. $ \ rm {Z_ {eff}} $의 증가가 분모의 $ n $ 증가로 인해 다소 무효화되므로 {4s} $는 $ \ rm {3d} $보다 낮습니다. 좋아요.하지만 I ' $ \ ce {Ca} $ 이후의 요소에서 동일한 일이 ' 발생하지 않는 이유를 알 수 없습니다. 예 : $ \ ce {Sc} ; $ $ \ rm {4s} $는 $ \ ce {Ca} $에서도 방사형으로 확산되지만 이것이 전자의 에너지에 영향을 미칩니 까? 죄송합니다. 제가 ' 당신을 괴롭히는 경우 @Ortho,하지만 ' t $ \ rm 4s \ lt 3d $ in $ \ ce {Sc} $ [contd.]
- $ \ ce {Ca} $ viz에서와 같은 이유로. 분모의 $ n $ 증가는 $ \ rm {Z_ {eff}}의 증가로 무효화됩니다. $ 또한 여기에 오타가있을 수 있습니다.
3d > 4s but for Sc onwards, 4s < 3d. 감사합니다.
- @ MAFIA36790 죄송합니다. ' 이전에 연락을 드리지 못해서 그날 여행 중이 었는데 모든 것을 잊었습니다. 솔직히 말해서, 몇 년의 화학 끝에 이것이 얼마나 정확한 설명인지 완전히 확신하지 못합니다. Shriver & Atkins에서이 특정 그래프에 대한 비판이있었습니다. Atkins는 이전에 읽었습니다 (여러 저자가 이전에 작성 했음).하지만 저는하지 않습니다 ' 지금 당장 문제를 철저히 조사 할 시간이 없습니다. pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed055p2 및 chem.ucla.edu/dept/Faculty/scerri/pdf/Atkins_critique.pdf
- 제 게시물의 아이디어는 원자 번호가 증가함에 따라 $ Z_ \ mathrm {eff} $ 3d 및 4s 궤도가 모두 증가합니다. 그러나 3D 궤도는 더 큰 영향을받습니다. 즉, $ Z_ \ mathrm {eff} (\ mathrm {3d}) $가 $ Z_ \ mathrm {eff} (\ mathrm {4s}) $보다 빠르게 증가합니다. 결과적으로 $$ \ frac {Z_ \ mathrm {eff} (\ mathrm {3d})} {3} = \ frac {Z_ \ mathrm {eff} (\ mathrm {4s})} {에 교차 지점이 있습니다. 4}, $$ 즉 3d와 4는 동일한 에너지를가집니다. 이 시점 이전에는 4 초 < 3d,이 시점 이후에는 3d < 4 초입니다. Atkins ' 주장은이 점이 정확히 Ca와 Sc 사이에 있다는 것입니다.
- 특정 궤도에서 전자의 침투량을 측정 할 때 핵 근처의 방사형 노드의 존재를 확인하는 이유는 무엇입니까? ' 핵에서 전자의 평균 거리 또는 가장 가능성있는 거리를 살펴보아야합니까?
답변하기 어려운 질문입니다. Aufbau 원리와 n + l 규칙에 따라 4s 궤도는 3d 궤도 전에 채워 져야합니다. 그렇다면 왜 3d 에너지가 낮습니까? 요컨대, Aufbau 원리는 완전히 정확하지 않습니다. 이것은 지침입니다 (화학의 많은 것들과 마찬가지로).
따라서 궤도는 안정성의 순서로 채워집니다. 즉, 전자는 가장 안정적인 곳으로 갈 것입니다. 핵 주위에 전자를 보유하려면 에너지가 필요합니다. 멀리 떨어져있을수록 더 많은 에너지가 필요합니다. 따라서 원리 양자 수가 높을수록 에너지도 높아집니다. 즉 3s는 2s보다 에너지가 높습니다. 동시에, 원칙 양자 수는 고려해야 할 유일한 숫자가 아닙니다. 예를 들어 양자 수 l도 중요합니다. l 값이 높을수록 에너지가 높아집니다. 따라서 3d는 3p보다 에너지가 높으며 3s보다 에너지가 높습니다. 3d 궤도는 4s 궤도보다 핵 주위에 더 조밀하게 배치되므로 Aufbau 원리와 모순되는 경우에도 먼저 채 웁니다. 이것은 스칸듐의 전자 구성으로 실험적으로 볼 수 있습니다. Sc3 + : [Ar] Sc2 + : [Ar] 3d (1) Sc + : [Ar] 3d (1) 4s (1) Sc : [Ar] 3d (1) 4s ( 2)
이제 3d가 완전히 꽉 차기 전에 4s 수준이 채워진다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이것은 3d 궤도의 압축성 때문입니다. 전자 반발은 전자를 더 적은 반발로 더 높은 에너지 수준으로 “밀어 넣습니다”.
이 내용을 훨씬 자세히 설명하는이 글을 읽어 보는 것이 좋습니다. http://www.rsc.org/eic/2013/11/aufbau-electron-configuration
도움이 되었기를 바랍니다.