ELECTRÓ DIFERENCIAL: NOMBRES QUÀNTICS I EXEMPLES - QUIMICA - 2025

El electró diferencial o diferenciador és l'últim electró col·locat en la seqüència de la configuració electrònica d'un àtom. A què es deu el seu nom? Per respondre aquesta pregunta és necessària l'estructura bàsica d'un àtom: el seu nucli, el buit i els electrons.

El nucli és un agregat dens i compacte de partícules positives trucades protons, i de partícules neutres trucades neutrons. Els protons defineixen el nombre atòmic Z i, al costat dels neutrons, conformen la massa atòmica. No obstant això, un àtom no pot dur només càrregues positives; per això els electrons orbiten al voltant de l'nucli per neutralitzar-lo.

Així, per cada protó que se sumi a l'nucli, un nou electró s'incorpora als seus orbitals per contrarestar la creixent càrrega positiva. D'aquesta manera, el nou electró afegit, l'electró diferencial, està estretament relacionat amb el nombre atòmic Z.

L'electró diferencial es troba a la capa electrònica més externa: la capa de valència. Per tant, com més allunyat es trobi de el nucli, més gran és l'energia associada a ell. És aquesta energia la responsable de la seva participació, així com la de la resta dels electrons de valència, en les reaccions químiques característiques dels elements.

números quàntics

Així com la resta dels electrons, l'electró diferencial pot ser identificat pels seus quatre números quàntics. Però, quins són els números quàntics? Ells són «n», «l», «m» i «s».

El nombre quàntic «n» denota la mida de l'àtom i els nivells d'energia (K, L, M, N, O, P, Q). «L» és el nombre quàntic secundari o azimutal, el qual indica la forma dels orbitals atòmics, i pren valors de 0, 1, 2 i 3 per als orbitals «s», «p», «d» i «f», respectivament.

«M» és el nombre quàntic magnètic i indica l'orientació espacial dels orbitals sota un camp magnètic. Així, 0 per l'orbital «s»; -1, 0, +1, per l'orbital «p»; -2, -1, 0, +1, +2, per l'orbital «d»; i -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, per l'orbital «f». Finalment, el nombre quàntic de spin «s» (+1/2 per ↑, i -1/2 per ↓).

Per tant, un electró diferencial té associat els anteriors nombres quàntics («n», «l», «m», «s»). A causa de que contraresta la nova càrrega positiva generada pel protó addicional, proporciona així mateix el nombre atòmic Z de l'element.

Com conèixer l'electró diferencial?

A la imatge superior es representen les configuracions electròniques per als elements des de l'hidrogen fins al gas neó (H → Ne).

En aquesta, els electrons de les capes obertes estan indicats amb el color vermell, mentre que els de les capes tancades s'indiquen amb el color blau. Les capes fan referència a el nombre quàntic «n», el primer dels quatre.

D'aquesta manera, la configuració de valència de l'H (↑ de color vermell) afegeix un altre electró amb orientació oposada per convertir-se en la de l'He (↓ ↑, ambdues blaus perquè ara el nivell 1 està tancat). Aquest electró afegit és llavors l'electró diferencial.

Així, gràficament es pot observar com l'electró diferencial se suma a la capa de valència (fletxes vermelles) dels elements, diferenciant els uns dels altres. Els electrons omplen els orbitals respectant la regla de Hund i el principi d'exclusió de Pauling (perfectament observat des del B fins al Ne).

¿I què hi ha dels nombres quàntics? Aquests defineixen cada fletxa és a dir, cada electró i els seus valors poden corroborar amb la configuració electrònica per saber si són o no els de l'electró diferencial.

Exemples en diversos elements

clor

Per al cas de el clor (Cl) el seu nombre atòmic Z és igual a 17. La configuració electrònica és llavors 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁵. Els orbitals marcats en vermell corresponen als de la capa de valència, la qual presenta el nivell 3 obert.

L'electró diferencial és l'últim electró que es col·loca en la configuració electrònica, i l'àtom de clor és aquell de l'orbital 3p, la disposició és la següent:

↑ ↓

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

Respectant la regla de Hund, primer s'omplen els orbitals 3p d'igual energia (una fletxa cap amunt en cada orbital). Segon, els altres electrons s'aparellen amb els electrons solitaris d'esquerra a dreta. L'electró diferencial es representa en un marc verd.

Així, l'electró diferencial per al clor té els següents nombres quàntics: (3, 1, 0, -1/2). És a dir, «n» és 3; «L» és 1, orbital «p»; «M» és 0, perquè és l'orbital «p» de l'mig; i «s» és -1/2, ja que la fletxa apunta cap avall.

magnesi

La configuració electrònica per a l'àtom de magnesi és 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ², representant l'orbital i el seu electró de valència de la mateixa manera:

↑ ↓

3s

0

Aquesta vegada, l'electró diferencial té els números quàntics 3, 0, 0, -1/2. L'única diferència en aquest cas respecte a el de el clor és que el nombre quàntic «l» és 0 causa de que l'electró ocupa un orbital «s» (el 3s).

zirconi

La configuració electrònica per a l'àtom de zirconi (metall de transició) és 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ². De la mateixa manera que els casos anteriors, la representació dels orbitals i electrons de valència és com segueix:

Així, els números quàntics per a l'electró diferencial marcat en verd són: 4, 2, -1, +1/2. Aquí, com l'electró ocupa el segon orbital «d», té per nombre quàntic «m» igual a -1. Així mateix, a causa de que la fletxa apunta cap amunt, el seu nombre de spin «s» és igual a +1/2.

element desconegut

Els números quàntics de l'electró diferencial per un element desconegut són 3, 2, +2, -1/2. Quin és el nombre atòmic Z de l'element? Coneixent Z es pot desxifrar quin és l'element.

Aquesta vegada, com «n» és igual 3, vol dir que l'element està en el tercer període de la taula periòdica, amb orbitals «d» com a capa valència («l» igual a 2). Per tant, es representen els orbitals com en l'exemple anterior:

↑ ↓

Els números quàntics «m» igual a +2, i «s» igual a -1/2, són claus per ubicar correctament a l'electró diferencial en l'últim orbital 3d.

Així, l'element que es busca té els orbitals 3d ¹⁰ plens, a l'igual que els seus capes electròniques internes. En conclusió, l'element és el metall zinc (Zn).

No obstant això, els números quàntics de l'electró diferencial no poden discernir entre el zinc i el coure, pel fet que aquest últim element també presenta orbitals 3d plens. Per què? Perquè el coure és un metall que incompleix amb les regles de omplerts dels electrons per motius quàntics.

referències

1. Jim Branson. (2013). Hund 's Rules. Recuperat el 21 d'abril de 2018, de: quantummechanics.ucsd.edu
2. Lecture 27: Hund 's rules. Recuperat el 21 d'abril de 2018, de: ph.qmul.ac.uk
3. Purdue University. Quantum Numbers and Electron configurations. Recuperat el 21 d'abril de 2018, de: chemed.chem.purdue.edu
4. Enciclopèdia Salvat de les ciències. (1968). Física Salvat, SA d'Edicions Pamplona, ​​tom 12, Espanya, pàg 314-322.
5. Walter J. Moore. (1963). Physical Chemistry. In particles and waves. Fourth edition, Longmans.