Przewidywania teorii kwantowej 1
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 3
Chemia kwantowa - podsumowanie interpretacja Cząstka w pudle Atom wodoru Funkcja falowa 1 nπx Ψn ( x) = sin L L ψ n,l,m = R(r ) φ (ϕ ) θ (γ ) orbitale Nodes 07_105 Node 1s s (a) 3s 1s s (b) 3s 4
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 5
Chemia kwantowa - podsumowanie Cząstka w pudle Atom wodoru Atomy wieloelektronowe Jaka jest postać równania Schrödingera? Hˆ = Tˆ + Vˆ e Vˆ rozwiązanie + j e e Układ okresowy metody chemii kwantowej rozwiązanie równania Schrödingera wnioski 6
7 07_117 1 H 3 Li 11 Na 19 K 37 Rb 55 Cs 87 Fr 4 Be 1 M g 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 M o 74 W 106 Unh 5 M n 43 Tc 75 Re 107 Uns 6 Fe 44 Ru 76 O s 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 G a 49 In 81 Tl 5 B 13 Al 3 G e 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 G d 96 Cm 65 Tb 97 Bk 66 Dy 98 Cf 67 Ho 99 Es 68 Er 100 Fm 69 Tm 101 M d 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 Układ okresowy
G A Z Y S d p S Z L A C H E T N E f 8
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 moŝe przyjmować l+1 wartości. Zatem ilość moŝliwych kombinacji liczb m i m s (m s - magnetyczna spinowa liczna kwantowa) dla danej wartości liczby l wynosi (l+1). 9
07_ 115 1A Grupa G roup 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 A c 6d 4f 5f 10
07_ 113 H 1s 1 H e 1s Li s 1 B e s B p 1 C p N p 3 O p 4 F p 5 N e p 6 N a 3s 1 M g 3s A l 3p 1 S i 3p P 3p 3 S 3p 4 C l 3p 5 A r 3p 6 11
07_ 114 K C a S c Ti V C r M n Fe C o N i C u Zn G a G e A s Se B r K r 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 1
07_ R116 epresentative N oble E lem ents d - Transition E lem ents R epresentative E lem ents gases 1A G roup 8A ns 1 num bers ns np 6 Period number, highest occupied electron level 1 3 4 5 6 7 Układ okresowy 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 N a 3s 1 19 K Ca Sc Ti V C r M n Fe C o N i C u Zn G a G e A s S e B r K r 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 R b S r Y Zr N b M o Tc Ru R h P d A g C d In Sn S b T e 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 C s Ba La* H f T a W R e O s Ir Pt A u H g T l Pb Bi P o A t 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 M g 3s 0 38 56 88 1 39 57 89 40 7 104 3 41 73 105 F r Ra A c** U nq U np U nh U ns U no U ne 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 U un 9 47 79 111 U uu 30 48 80 f - Transition E lem ents 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 A l S i P S C l A r 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* A ctinides** 58 C e 90 59 P r 91 60 Nd 9 61 Pm 93 6 S m 6s 4f 5 5d 0 94 63 E u 95 64 G d 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 T h Pa U N p P u A m Cm Bk C f Es F m M d N o 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 13 0 7s 5f 14 6d 1 65 Tb 97 66 D y 98 67 H o 99 68 E r 100 69 T m 101 70 Y b 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 14
Konfiguracja elektronowa Zasada rozbudowy powłok W stanie podstawowym atomu wieloelektronowego elektrony obsadzają orbitale atomowe w taki sposób, Ŝe atom ma najmniejszą energię, gdy wszystkie jego elektrony znajdują się na orbitalu o najniŝszej energii Dowolny orbital moŝe być obsadzony przez najwyŝej dwa elektrony. Gdy dwa elektrony zajmują ten sam orbital, ich spiny muszą być sparowane 15
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 róŝnych znakach, +½ i -½. śadne dwa elektrony w atomie nie mogą mieć identycznego zestawu czterech liczb kwantowych n, l, m, m s 16
Konfiguracja elektronowa Zasada rozbudowy powłok Wnioski Ŝaden orbital na diagramie poziomów energetycznych nie moŝe być obsadzony przez więcej niŝ dwa elektrony 17
Konfiguracja elektronowa Zasada rozbudowy powłok Reguła Hunda wszystkie orbitale w tej samej podpowłoce mają jednakową energię. Gdy w danej podpowłoce dostępnych jest kilka orbitali, elektron obsadzi najpierw pusty orbital, zamiast utworzyć parę z elektronem juŝ obecnym minimalizacja energii JeŜeli w podpowłoce dostępnych jest kilka orbitali, elektrony obsadzają puste orbitale, zanim utworzą parę w jednym z orbitali. 18
Konfiguracja elektronowa Okres 1 s 19
Konfiguracja elektronowa Okres s p 0
Konfiguracja elektronowa Okres 3 s p 1
Konfiguracja elektronowa Okres 4 s d
Konfiguracja elektronowa Okres 4 d p 3
Nieregularności w konfiguracji elektronowej [Cr]= nie [Ar] 4s 3d 4 3d 4s tak [Ar] 4s 1 3d 5 RóŜnica energii poziomów 4s i 3d jest niewielka. Układ 5 niesparowanych elektronów 3d i jednego 4s ma mniejszą energię aniŝeli układ 4 niesparowanych elektronów 3d i sparowanych elektronów 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 4
- 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 Xe K Rb Cs Energia jonizacji (I) 1. 1. Co Co oznacza oznacza duŝa duŝa 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 5
- 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 6
- trendy RozwaŜmy samorzutny proces: Elektroujemność 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 7
- trendy Elektroujemność Definicjia Paulinga: lim x 0 I AB = I AA I BB E = E E = 0.1018 I I I A B AB AA BB µ J mol 1 8
9 Układ okresowy - trendy Elektroujemność 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 słuŝy ta skala? Elektroujemność
- trendy rośnie A tom ic radius decreases 1A A 3A 4A 5A 6A 7A 8A Promień atomowy H 37 H e 31 rośnie B C N O F N e Li B e 15 11 85 77 75 73 7 71 Al S i P S C l A r N a M g 186 160 143 118 110 103 100 98 K C a G a G e A s Se B r K r 7 197 135 1 10 119 114 11 R b S r In S n Sb Te I Xe 48 15 167 140 140 14 133 131 C s B a Tl P b B i Po At R n 65 170 146 150 168 140 140 30
Np. w przypadku orbitalu d, na którym moŝe zmieścić się 10 elektronów, pierwsze pięć elektronów będzie zajmowało kolejno wolne orbitale pozostając n Dopiero dalsze elektrony zajmują wolne miejsca tworząc pary np. szósty elektron: Przykładowe zapisy konfiguracji elektronowych za pomocą wzorów klatkowych: 31
3