Przewidywania teorii kwantowej
Chemia kwantowa - podsumowanie Cząstka w pudle Atom wodoru Równanie Schroedingera H ˆ = ˆ T e Hˆ = Tˆ e + Vˆ e j
Chemia kwantowa - podsumowanie rozwiązanie Cząstka w pudle Atom wodoru Ψ n ( x) = L 1 nπx sin L Funkcja falowa Energia n h Z π E = E = n 8mL Liczby kwantowe ψ n, l, m = R r ( ) φ( ϕ) θ ( γ ) n n, l, m, me h m 4 s
Chemia kwantowa - podsumowanie interpretacja Cząstka w pudle Atom wodoru n ( x) = L 1 nπx sin L Funkcja falowa Ψ ψ n, l, m = R( r) φ( ϕ) θ ( γ ) orbitale 07_105 Nodes Node (a) 1s s 3s (b) 1s s 3s
Chemia kwantowa - podsumowanie interpretacja Cząstka w pudle Atom wodoru Energia n h Z π E = E = 8mL n=4 E n me h 4 E n=3 n= n=1 0 n= n=1 n=3 n=4 x r
Chemia kwantowa - podsumowanie Cząstka w pudle Atom wodoru Atomy wieloelektronowe Jaka jest postać równania Schrödingera? Hˆ = Tˆ + Vˆ e Vˆ rozwiązanie + j e e metody chemii kwantowej rozwiązanie równania Schrödingera wnioski
07_117 1 H 3 Li 11 Na 19 K 37 Rb 55 Cs 87 Fr 4 Be 1 Mg 0 Ca 38 Sr 56 Ba 88 Ra 1 Sc 39 Y 57 La 89 Ac Ti 40 Zr 7 Hf 104 Unq 3 V 41 Nb 73 Ta 105 Unp 4 Cr 4 Mo 74 W 106 Unh 5 Mn 43 Tc 75 Re 107 Uns 6 Fe 44 Ru 76 Os 108 Uno 7 Co 45 Rh 77 Ir 109 Une 110 Uun 111 Uuu 8 Ni 46 Pd 78 Pt 9 Cu 47 Ag 79 Au 30 Zn 48 Cd 80 Hg 31 Ga 49 In 81 Tl 5 B 13 Al 3 Ge 50 Sn 8 Pb 6 C 14 Si 33 As 51 Sb 83 Bi 7 N 15 P 34 Se 5 Te 84 Po 8 O 16 S 9 F 17 Cl 35 Br 53 I 85 At 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn He 58 Ce 90 Th 59 Pr 91 Pa 60 Nd 9 U 61 Pm 93 Np 6 Sm 94 Pu 63 Eu 95 Am 64 Gd 96 Cm 65 Tb 97 Bk 66 Dy 98 Cf 67 Ho 99 Es 68 Er 100 Fm 69 Tm 101 Md 70 Yb 10 No 71 Lu 103 Lr Lanthanide series Actinide series 1 13 14 15 16 17 18 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1
G A Z Y S d p S Z L A C H E T N E f
Ilość grup w poszczególnych blokach s p d f l 0 1 3 (l+1)=4l+ 6 10 14 Dla pobocznej liczby kwantowej l, magnetyczna liczba kwantowa m może przyjmować l+1 wartości. Zatem ilość możliwych kombinacji liczb m i m s (m s - magnetyczna spinowa liczna kwantowa) dla danej wartości liczby l wynosi (l+1).
07_115 1A Grupa Group 8A 1 1s A 3A 4A 5A 6A 7A 1s s p 3 3s 3p Period 4 Okres 4s 3d 4p 5 5s 4d 5p 6 6s La 5d 6p 7 7s Ac 6d 4f 5f
07_113 H 1s 1 He 1s Li s 1 Be s B p 1 C p N p 3 O p 4 F p 5 Ne p 6 Na 3s 1 Mg 3s Al 3p 1 Si 3p P 3p 3 S 3p 4 Cl 3p 5 Ar 3p 6
07_114 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 4s 1 4s 3d 1 3d 3d 3 4s 1 3d 5 3d 5 3d 6 3d 7 3d 8 4s 1 3d 10 3d 10 4p 1 4p 4p 3 4p 4 4p 5 4p 6
07_116 Representative Noble Elements d - Transition Elements Representative Elements gases 1A Group 8A ns 1 numbers ns np 6 Period number, highest occupied electron level 1 3 4 5 6 7 1 H A 3A 4A 5A 6A 7A He 1s 1 ns ns np 1 ns np ns np 3 ns np 4 ns np 5 1s 3 Li s 1 11 Na 3s 1 19 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 4s 1 4s 4s 3d 1 4s 3d 4s 3d 3 4s 1 3d 5 4s 3d 5 4s 3d 6 4s 3d 7 4s 3d 8 4s 1 3d 10 4s 3d 10 4s 4p 1 4s 4p 4s 4p 3 4s 4p 4 4s 4p 5 4s 4p 6 37 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 5s 1 5s 5s 4d 1 5s 4d 5s 1 4d 4 5s 1 4d 5 5s 1 4d 6 5s 1 4d 7 5s 1 4d 8 4d 10 5s 1 4d 10 5s 4d 10 5s 5p 1 5s 5p 5s 5p 3 5s 5p 4 5s 5p 5 5s 5p 6 55 Cs Ba La* Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 6s 1 6s 6s 5d 1 4f 14 6s 5d 6s 5d 3 6s 5d 4 6s 5d 5 6s 5d 6 6s 5d 7 6s 1 5d 9 6s 1 5d 10 6s 5d 10 6s 6p 1 6s 6p 6s 6p 3 6s 6p 4 6s 6p 5 6s 6p 6 87 4 Be s 1 Mg 3s 0 38 56 88 1 39 57 89 40 7 104 3 41 73 105 Fr Ra Ac** Unq Unp Unh Uns Uno Une 7s 1 7s 7s 6d 1 7s 6d 7s 6d 3 7s 6d 4 7s 6d 5 7s 6d 7 4 4 74 106 5 43 75 107 6 44 76 108 7 45 77 109 8 46 78 110 Uun 9 47 79 111 Uuu 30 48 80 f - Transition Elements 5 B C N O F Ne s p 1 s p s p 3 s p 4 s p 5 s p 6 13 Al Si P S Cl Ar 3s 3p 1 3s 3p 3s 3p 3 3s 3p 4 3s 3p 5 3s 3p 6 31 49 81 6 14 3 50 8 7 15 33 51 83 8 16 34 5 84 9 17 35 53 85 10 18 36 54 86 Lanthanides* Actinides** 58 Ce 90 59 Pr 91 60 Nd 9 61 Pm 93 6 Sm 6s 4f 5 5d 0 94 63 Eu 95 64 Gd 6s 4f 1 5d 1 6s 4f 3 5d 0 6s 4f 4 5d 0 6s 4f 5 5d 0 6s 4f 7 5d 0 6s 4f 7 5d 1 6s 4f 9 5d 0 6s 4f 10 5d 0 6s 4f 11 5d 0 6s 4f 1 5d 0 6s 4f 13 5d 0 6s 4f 14 5d 0 6s 4f 14 5d 1 96 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 7s f 0 6d 7s 5f 6d 1 7s 5f 3 6d 1 7s 5f 4 6d 1 7s 5f 6 6d 0 7s 5f 7 6d 0 7s 5f 7 6d 1 7s 5f 9 6d 0 7s 5f 10 6d 0 7s 5f 11 6d 0 7s 5f 1 6d 0 7s 5f 13 6d 0 7s 5f 14 6d 0 7s 5f 14 6d 1 65 Tb 97 66 Dy 98 67 Ho 99 68 Er 100 69 Tm 101 70 Yb 10 71 Lu 103
Kolejność zapełniania orbitali atomowych 1 3 4 5 6 7 s s s s s s s p p p p p p d d d d d f f f f
Konfiguracja elektronowa Zasada rozbudowy powłok W stanie podstawowym atomu wieloelektronowego elektrony obsadzają orbitale atomowe w taki sposób, że atom ma najmniejszą energię, gdy wszystkie jego elektrony znajdują się na orbitalu o najniższej energii Dowolny orbital może być obsadzony przez najwyżej dwa elektrony. Gdy dwa elektrony zajmują ten sam orbital, ich spiny muszą być sparowane
Konfiguracja elektronowa Zasada rozbudowy powłok Zakaz Pauliego spiny dwóch elektronów są sparowane, gdy są ustawione w przeciwnych kierunkach, i. Elektrony mają wówczas spinowe liczby kwantowe m s o różnych znakach, +½ i -½. Żadne dwa elektrony w atomie nie mogą mieć identycznego zestawu czterech liczb kwantowych n, l, m, m s
Konfiguracja elektronowa Zasada rozbudowy powłok Wnioski żaden orbital na diagramie poziomów energetycznych nie może być obsadzony przez więcej niż dwa elektrony
Konfiguracja elektronowa Zasada rozbudowy powłok Wnioski żaden orbital na diagramie poziomów energetycznych nie może być obsadzony przez więcej niż dwa elektrony
Konfiguracja elektronowa Okres 1 s
Konfiguracja elektronowa Okres s p
Konfiguracja elektronowa Okres 3 s p
Konfiguracja elektronowa Okres 4 s d
Konfiguracja elektronowa Okres 4 d p
[Cr]= nie [Ar] 4s 3d 4 Nieregularności w konfiguracji elektronowej tak [Ar] 4s 1 3d 5 Różnica energii poziomów 4s i 3d jest niewielka. Układ 5 niesparowanych elektronów 3d i jednego 4s ma mniejszą energię aniżeli układ 4 niesparowanych elektronów 3d i sparowanych elektronów 4s 3d 4s 3d 4s [Cu]= nie [Ar] 4s 3d 9 tak [Ar] 4s 1 3d 10 [Pd]= nie [Ar] 5s 4d 8 tak [Ar] 5s 0 4d 10 [Ag]= nie [Ar] 5s 4d 9 tak [Ar] 5s 1 4d 10
- trendy Energia jonizacji, kj/mol Cu Cu ( g ) + ( g ) 500 000 1500 1000 500 Cu Cu He H Li 3 4 5 6 Be C O B F N + ( g ) + ( g ) Ne Mg Na + e + e Cl Ar P S Al ( g ) ( g ) Zn I I 1 Br As = 785kJ mol = 1955kJ mol okresy Kr Cd K Rb Cs Energia jonizacji (I) Xe 1. 1. Co Co oznacza oznacza duża duża i i mała mała wartość wartość I? I?.. Jakie Jakie właściwości właściwości mają mają pierwiastki pierwiastki o o małej małej I? I? 3. 3. Jak Jak I I zmienia zmienia się się w okresach okresach i i grupach? grupach? Tl Rn 0 10 18 36 54 86 Liczba atomowa, Z
- trendy Powinowactwo elektronowe (P) X ( g ) + e ( g ) X ( g ) P = E( X ) E( X ) O O ( g ) ( g ) + e + e ( g ) ( g ) O O ( g ) ( g ) P 1 P = 141kJ mol = + 844kJ mol Powinowactwo elektronowe, kj/mol 0-100 -00-300 B H Li Na C O F 4 6 8 10 Liczba atomowa, Z Al Ca P K Si S Cl 1 14 16 18 0
- trendy Elektroujemność Rozważmy samorzutny proces: A + e e A 1 Efekty energetyczne etapów: A 1. jest równy potencjałowi jonizacyjnemu (energii jonizacji, I) za znakiem przeciwnym (-I). jest równy powinowactwu elektronowemu (P) Elektroujemność (E) wg definicji Mullikena: E = P I lub E = P + I
- trendy 08_13 H.1 Li 1.0 Be 1.5 Na 0.9 Mg 1. K 0.8 Ca 1.0 Rb 0.8 Sr 1.0 Cs 0.7 Ba 0.9 Fr 0.7 Ra 0.9 Sc 1.3 Y 1. La-Lu 1.0-1. Ac 1.1 Ti 1.5 Zr 1.4 Hf 1.3 Th 1.3 V 1.6 Nb 1.6 Ta 1.5 Pa 1.4 Cr 1.6 Mo 1.8 W 1.7 U 1.4 Mn 1.5 Tc Re Np-No 1.4-1.3 Fe 1.8 Ru. Os. Co Rh. Ir. Ni Pd. Pt. Cu Ag Au.4 Zn 1.6 Cd 1.7 Hg Ga 1.6 In 1.7 Tl 1.8 Al 1.5 B.0 Ge 1.8 Sn 1.8 Pb Si 1.8 C.5 As.0 Sb Bi P.1 N 3.0 Se.4 Te.1 Po.0 S.5 O 3.5 Br.8 I.5 At. Cl 3.0 F 4.0 H.1 Li 1.0 Be 1.5 Na 0.9 Mg 1. K 0.8 Ca 1.0 Rb 0.8 Sr 1.0 Cs 0.7 Ba 0.9 Fr 0.7 Ra 0.9 Sc 1.3 Y 1. La-Lu 1.0-1. Ac 1.1 Ti 1.5 Zr 1.4 Hf 1.3 Th 1.3 V 1.6 Nb 1.6 Ta 1.5 Pa 1.4 Cr 1.6 Mo 1.8 W 1.7 U 1.4 Mn 1.5 Tc Re Np-No 1.4-1.3 Fe 1.8 Ru. Os. Co Rh. Ir. Ni Pd. Pt. Cu Ag Au.4 Zn 1.6 Cd 1.7 Hg Ga 1.6 In 1.7 Tl 1.8 Al 1.5 B.0 Ge 1.8 Sn 1.8 Pb Si 1.8 C.5 As.0 Sb Bi P.1 N 3.0 Se.4 Te.1 Po.0 S.5 O 3.5 Br.8 I.5 At. Cl 3.0 F 4.0 Increasing electronegativity Decreasing electronegativity Increasing electronegativity Decreasing electronegativity (a) (b) Skala Paulinga Do czego służy ta skala? Elektroujemność
- trendy Promień atomowy rośnie 1A A 3A 4A 5A 6A 7A 8A H He 37 31 rośnie B C N O F Ne Li Be 15 11 85 77 75 73 7 71 Al Si P S Cl Ar Na Mg 186 160 143 118 110 103 100 98 K Ca Ga Ge As Se Br Kr 7 197 135 1 10 119 114 11 Rb Sr In Sn Sb Te I Xe 48 15 167 140 140 14 133 131 Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn 65 170 146 150 168 140 140
Np. w przypadku orbitalu d, na którym może zmieścić się 10 elektronów, pierwsze pięć elektronów będzie zajmowało kolejno wolne orbitale pozostając niesparowanymi Dopiero dalsze elektrony zajmują wolne miejsca tworząc pary np. szósty elektron: Przykładowe zapisy konfiguracji elektronowych za pomocą wzorów klatkowych: