Miért van egy fluoridionnak csak -1 töltése és nem -2 vagy több töltése?

Az oktett szabályt általában az I., II., VI. és VII. csoport atomjainak töltéseinek magyarázatára használják. az ionos vegyületekben olyasvalaminek mondásával, hogy “a nemesgázak stabilak, ezért a 8 vegyértékű elektronoknak valamilyen okból stabilnak kell lenniük”. Ez igaz, de fontos megérteni, hogy miért nem stabil a nemesgáz-konfiguráció, és ennek ismerete nélkül varázslatnak tűnik, hogy egyes atomok nem “nemesgáz-konfigurációt alkalmaznak ionos vegyületekben.

Az oktett-szabály hasznos módszer az iontöltések gyors előrejelzésére és a Lewis-struktúrák megírására, de az atomok nem mágikus törvények. Nem “akarják” vagy “próbálják” megszerezni a meghatározott elektronikus struktúrákat, bár gyakran beszélünk úgy, mint ők. Ami igazán fontos, az az elektronkonfiguráció teljes energiája. A legkisebb energiájú elektronkonfiguráció a legstabilabb .

A “stabilitás” valóban a “legalacsonyabb energiát” jelenti

Az elektronkonfiguráció energiáját két dolog szabályozza:

1. Az elektronpályák energiája
2. A effektív magtöltet , amelyet az elektronok “látnak”

A pályaenergiák meghatározzák azt a sorrendet, amelyben az atompályákat az alapállapotú elektronok népesítik be – más szóval, mely pályákon állnak az elektronok egy adott atomra. Empirikus bizonyítékokból és kvantummechanikusokból tudjuk számítások szerint a sorrend a legtöbb elemnél így megy ( nem egyes átmenetifémek és nehezebb elemek esetén):

Az elektronok az alapoktól fogva elfoglalják ezeket a pályákat “( Aufbau elvnek hívják ). Ezért tudjuk, hogy a 4. periódusú elemek esetében a $ 3d $ alhéj megtelik, mielőtt a $ 4p $ alhéj megtörténne.

Az atompálya diagram közvetett módon mást mond nekünk. Az alapvető kvantumszám, a $ n $ (amely a vegyértékhéj esetében megegyezik a sor- vagy periódusszámmal), nagyjából megfelel a pálya legnagyobb elektronsűrűségű régiójának magjától mért távolságának. Más szavakkal, bármely alhéj $ n = 4 $ esetén az elektronsűrűség nagy része távolabb lesz a magtól, mint egy alhéj, amelynek $ n = 3 $. Ez azt jelenti, hogy a $ 3d $ elektronok közelebb vannak a mag hoz, mint $ 4s $ elektron, annak ellenére, hogy a $ 3d $ elektronok kezdetben nagyobb energiával rendelkeznek.

Az elektron távolsága a magtól nagyjából arányos a $ n $ -val

Mivel az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek, és a mag pozitív töltésű, elektrosztatikus potenciálenergia van az elektronok között Ha az elektronok egyenletesen oszlanak el az atomban, akkor azt várhatjuk, hogy az egyes elektronok által “érzett” atomtöltés megegyezik a protonok számával – az atomszámmal. a kvantummechanika “szabályai” miatt (a Schrodinger-egyenlet megengedett megoldásai) azonban az elektronok nem egységesen elosztva – egy meghatározott elrendezéssel foglalják el a pályákat. Mivel egyes elektronok közelebb vannak a maghoz (alacsonyabb $ n $), mint mások, ez azt jelenti, hogy a mag töltését részben a belső elektronok szűrik, és a külső elektronok tényleges nukleáris töltés , amely valamivel kisebb, mint a teljes nukleáris töltés. Ez a wikipédia diagram bemutatja az ötletet:

És ez bemutatja az ötletet a Bohr modell segítségével (vegye figyelembe, hogy ez egy sematikus ábra – nem pontos kép arról, hogy az elektronok “hogyan néznek ki” a pályákon – csak a magtól való relatív távolság a megfelelő)

Ha a vegyértékű elektronok nagy hatású nukleáris töltést tapasztalnak, akkor ezeket nehezebb eltávolítani (növekszik az eltávolításukhoz szükséges energiaköltség), és ha a tényleges nukleáris töltés alacsonyabb, könnyebben eltávolíthatók. A tényleges tényleges nukleáris töltést nagyon nehéz pontosan kiszámítani, de nagyon könnyű megbecsülni – mindössze annyit kell tennie, hogy felveszi a protonok számát, majd kivonja a “szűrő” elektronok számát.Alapvetően azt feltételezzük, hogy a vegyértékhéj és a sejtmag közötti elektronok egy protont ürítenek:

$$ Z_ {eff} = Z – S $$

ahol $ Z_ { eff} $ a tényleges nukleáris töltés, $ Z $ a tényleges nukleáris töltés, és $ S $ a szűrési állandó, itt feltételezzük, hogy megegyezik a “mag” elektronok számával.

$ S megtalálásához $, mindössze annyit kell tennie, hogy megszámolja az elektronok számát, amelynek $ n $ -ja kevesebb, mint a vegyértékhéja (a legmagasabb $ n $).

Például a fluort véve az elektronkonfiguráció a következő: >

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 5 $$

Úgy látjuk, hogy $ Z = 9 $ és $ S = 2 $, ami +7 tényleges nukleáris töltetet eredményez. Hasonlítsa össze a lítiummal: $ 3-2 = + 1 $. A fluorban lévő vegyérték elektronokat nagyjából hétszer nehezebb eltávolítani, mint a lítiumban lévő vegyérték elektronokat. Valójában a fluortól balra található bármely elem alacsonyabb effektív magtöltettel rendelkezik a vegyértékhéj számára, és könnyebben feladja az elektronokat, mint a fluor. Más szóval, nem annyira, hogy a fluor nem adja fel az elektronokat, hanem azt, hogy semmi sem veheti el belőle.

Mi lenne, ha hozzáadnánk egy elektront? $ \ Ce {F -} $, az elektronkonfiguráció:

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 6 $$

$ Z_ {eff} $ továbbra is +7, mivel a magok száma az elektronok szűrése nem változott. Ez azt jelenti, hogy energetikailag előnyös, ha a fluor felvesz egy elektront, mivel a további elektron még mindig nagy pozitív atomtöltést “látna”.

Mi lenne, ha hozzáadnánk még egyet, hogy $ \ ce {F ^ {2 -}} $? Most a konfiguráció így néz ki:

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 1 $$

$ Z_ {eff} $ most $ 9 – 10 = -1 $ – vegye figyelembe, hogy a szűrő elektronok száma 10-re ugrott, mert az “új” vegyértékhéj $ n = 3 $. Más szavakkal: a megengedett pálya-konfigurációk miatt az új elektron “meglátja” a mag negatív töltését – annak megtartásához energiára lenne szükség.

Ha az összes “rögzített töltésű” elemnél végigdolgozza ezt a folyamatot, akkor hasonló dolgokat talál – az effektív atomtöltet nagy az elektronokat nyerő elemek számára, amíg túl sokat (oktettet) nem nyernek, ekkor negatívvá válik. A fix töltésű fémeknél valami más történik. Vizsgáljuk meg a magnéziumot.

$ \ ce {Mg} $: $ 12-10 = + 2 $

$ \ ce {Mg ^ 1 +} $: $ 12-10 = + 2 $

$ \ ce {Mg ^ 2 +} $: $ 12-2 = + 10 $

Miután eltávolította két elektront, a tényleges nukleáris töltés +10-re ugrik Ugyanez vonatkozik az összes I. és II. csoportba tartozó fémre – ha eljut a nemesgáz “magjához” – az oktektushoz – a vegyértékes elektronok által látott effektív atomtöltés felfelé ugrik.

Ez megmagyarázza, hogy az “állandó töltésű” elemek töltése mindig azonos az ionos vegyületekben, de mi a helyzet az átmenetifémekkel?

Nézzük a krómot. Az elektronkonfiguráció így néz ki:

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 64s ^ 23d ^ 4 $$

Melyik elektron a vegyérték elektron? A legmagasabb $ n $ értékűek – a 4s elektronok. Az általuk “látott” tényleges nukleáris töltés 24 dollár – 22 = + 2 dollár – vegye figyelembe, hogy a $ 3d $ alhéjban lévő 4 elektron szkrínelésnek számít, mivel $ n = 3 $ értékük van, ami kevesebb, mint 4, ami kezdetben nagyobb energiájuk ellenére közelebb vannak a maghoz, mint a vegyértékhéj.

Ha eltávolítunk egy elektront, a következőket kapjuk:

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 64s ^ 13d ^ 4 $$ (Ez nem teljesen helyes, valójában nem lennének $ 4s $ elektronok és 5 $ 3d $ elektronok, de az ok bonyolult, és nem számít ehhez a magyarázathoz)

Ne feledje, hogy eltávolítottunk egy valence elektron t – egy $ 4s $ elektronot. Most $ Z_ {eff} = 24 – 22 = + 2 $ – ez nem változott. Még egyet eltávolíthatunk, hogy $ \ ce {Cr ^ {2 +}} $ legyen, és megkapjuk:

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 63d ^ 4 $$

Most a “vegyérték” meghatározása kissé kevésbé egyértelművé válik – tudjuk, hogy a legmagasabb $ n $ érték megfelel a vegyértéknek héj, de mi a helyzet a $ l $ -val, a pálya alakjával? Kiderült, hogy d pályák nagyobbak, mint s és p pályák, és így az s és p elektronok végül kiszűrik a d sejtek magját. Ezután az általuk “látott” tényleges nukleáris töltés 24 – 18 = + 6 dollár. Ez egy nagyobb töltés, de nem olyan nagy, hogy más elemek (nevezetesen az oxigén és a halogének) még mindig nem tudják meghúzni a d elektronok távol. Ezzel a króm töltések (oxidációs állapotok) tartománya +1 és +6 között van. $ Cr ^ {6 +} $ esetén az elektronkonfiguráció a következő lenne:

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 6 $$

Most a tényleges nukleáris töltés $ 24 – 10 = + 14 $ – túl erős ahhoz, hogy bármi más ellen “nyerjen”.

Amint láthatja, a kvantummechanika szabályai határozzák meg az atompályák relatív méretét és sorrendjét meg vannak töltve, ez pedig meghatározza azt a tényleges magtöltést, amelyet a valens elektronok “látnak” az adott semleges atom vagy ion esetében.A kettő kombinációja az atomionok töltéseinek korlátozásához vezet, amelynek gyakorlati eredménye az, hogy az I., II., VI. És VII. Csoport elemei “töltött oktett” vagy “nemesgáz” konfigurációt alkalmaznak, míg a többi csoport legyen nagyobb rugalmassága.

Megjegyzések

• A nukleáris hatékony töltés szép használata, és általában jó válasz. Soha nem gondoltam arra, hogy szélsőséges helyzetekben a számítás valóban negatív értéket eredményezhet, ami erősen azt sugallja, hogy legalább egy vegyérték-elektron nem kötődik a maghoz. Meg kell azonban emelnem a figyelmét más olvasóknak, hogy a számításaid nagyon kvalitatívak, sokkal inkább, mint azok, amelyek Slater ‘ s alapján szabályok . Érvelése természetesen továbbra is áll, de senkinek nem ajánlom, hogy vegye túl komolyan a számított effektív töltetek nagyságát.
• @Nicolau – ez ‘ miért Megpróbáltam egyértelművé tenni, hogy ez becslés volt, nem a tényleges tényleges töltés.
• @thomij I ‘ kíváncsi vagyok az állításodra, ” Ez azt jelenti, hogy a 3d elektronok közelebb vannak a maghoz, mint a 4s elektronok, annak ellenére, hogy a 3d elektronok energiája nagyobb. ” Igaz ez, miért lenne egy elektron a maghoz közelebb van nagyobb energiájuk?
• @ron – Általánosan használt érv az, hogy a d héjak lokális elektron sűrűsége magasabb, mint a következő magasabb s héj, mindkettő zsúfoltság ” a d alhéjban és a 3s és 3p pályák közelsége miatt. A valódi ok bonyolultabb, de röviden: a 4s elektronok sűrűségcsúcsai közelebb vannak a maghoz, annak ellenére, hogy a legkülső csúcs távolabb van. Az energiaszintek valójában a pályák kitöltésével mozognak, és mire a 3d pályák elkezdtek kitölteni, magasabb energiájuk lehet, vagy nem. Szerkesztem a válaszomat, hogy helyesebb legyen.

A fluoratom elektronikus szerkezete $ \ ce {1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 5} $. Erős hajtóerő van az atomok számára az oktett eléréséhez (inert gázkonfiguráció elérése), a kitöltött elektronhéjhoz kapcsolódó extra stabilitás miatt. Az oktett kitöltése és a neon inert gáz konfigurációjának elérése érdekében ($ \ ce {1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6} $) a fluornak 1 elektront kell nyernie, és fluorid anionjá kell válnia ($ \ ce {F ^ {- }} $). Ha két elektront nyer és $ \ ce {F ^ {- 2}} $ lesz, vagy elveszít 1 elektront és $ \ ce {F ^ {+}} $ lesz, akkor nem lesz oktettje a külső héjában – nem lesz olyan közel olyan stabil, mintha csak egy elektront nyerne. Ugyanez az érvelés magyarázza, hogy például miért a nátrium inkább csak egy elektront veszít el. Az átmeneti elemek nagyobb elektronikus konfigurációval rendelkeznek, és előfordulhat, hogy 3 vagy 4 elektron nyerésére vagy elvesztésére van szükségük az inert gáz konfiguráció eléréséhez. Sok energiát igényel 3 vagy 4 elektron hozzáadása vagy eltávolítása, így 1 vagy 2 elektron hozzáadása vagy eltávolítása, bár nem ér el inert gázkonfigurációt, elfogadható alternatívává válik a kevesebb elektron eltávolításához szükséges alacsonyabb energia miatt. Ezekben az esetekben az 1, 2, 3 vagy 4 (plusz vagy mínusz) oxidációs állapotok megvalósíthatók.

Néhány a fő csoportelemek több iont alkotnak, azonban az átmeneti elemekkel analógok ritkábban fordulnak elő.

Példák:

• Hidrogén – A hidrogén mind a $ \ ce {H +} $ iont alkotja ( a proton) és a $ \ ce {H -} $ ion (a hidrid)
• Ón alkotja a $ \ ce {Sn ^ {2 +}} $ és $ \ ce {Sn ^ {4 +}} $ kationok

A fluoridanionnak két negatív töltése lehet. Nem lehetetlen két elektron hozzáadása a fluoridanionhoz. De ezen a ponton meglehetősen instabil lenne, mivel a negatív 1 formális töltésű fluoridanion izoelektronikus és nemesgáz – neon.

Emellett vegye figyelembe a fluoridanion nagy töltéssűrűségét. Egy extra elektron kötése a fluorhoz rendben van, de nem annyira kedvező a kevésbé töltéssűrű klóratomhoz képest. A fluornak valójában alacsonyabb az elektron affinitása, mint a klórnál, a fluor magasabb elektronegativitása ellenére. . Két extra elektron megkötése kedvezőtlen lenne.

Itt egy egyszerű érv a többiek kiegészítésére, amely nem közvetlenül foglalja magában az oktetteket és az elektronhéjokat. Hasonlítsa össze a $ \ ce {Na ^ 0} $, $ \ ce {Ne ^ {-}} $ és $ \ ce {F ^ {2 -}} $ izoelektronikai fajokat, amelyek mindegyikének ugyanaz a $ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 1 $ alapvető konfiguráció. Figyelje meg, hogy a listában balról jobbra haladva fokozatosan eltávolítja a protont a magból, így a vegyérték elektronok rosszabbul kötődnek az atomhoz (kevesebb pozitív töltés van a magban, hogy az elektronokat befelé húzzák).Az elemi fémes nátrium már nagyon reaktív, mert viszonylag laza vegyértékű elektronja van (alacsony ionizációs energia). Ha két protont eltávolít a magból, hogy $ \ ce {F ^ {2 -}} $ keletkezzen, akkor egy faj reaktív, mint akár a fémes nátrium (!), és várhatóan azonnal elveszít legalább egy elektront bármilyen körülmények között.

Valójában a $ \ ce {F ^ {2 -}} $ túl instabil hogy elsősorban kialakuljon. Ismételten, összehasonlítva a fenti listában szereplő izoelektronikai fajokat, a $ \ ce {Ne ^ {-}} $ értékre tekintünk. A Neonnak tulajdonképpen már van egy elektron affinitása , amely gyakorlatilag nulla, vagy akár endergonikus. Más szavakkal, a $ \ ce {Ne ^ 0 _ {(g)} + e ^ {-} – > Ne ^ {-} _ {(g)}} $ reakció már nagyon kevés a jobb oldali hajtás, ha valójában nem is balra hajtják. Ez a $ \ ce {F ^ {-} _ {(g)} + e ^ {-} – > F ^ {2 -} _ {(g)} reakcióra utal. } $ (a fluor második elektron-affinitása) erősen endergonikus, és soha nem fog jelentős mértékben bekövetkezni.