전이 요소는 전하가 다른 이온을 형성 할 수 있습니다. 전이 원소 이외의 원소는 왜 다른 전하를 가진 이온을 형성 할 수 없습니까? 불화물 이온이라면 왜 전하 -1의 음이온이어야합니까? 왜 -2 전하 이상을 가질 수 없습니까?
답변
옥텟 규칙은 일반적으로 그룹 I, II, VI 및 VII의 원자가 갖는 전하를 설명하는 데 사용됩니다. 이온 화합물에서 “희귀 한 기체는 안정하기 때문에 8가 전자를 갖는 것은 어떤 이유로 안정되어야한다”와 같은 말을함으로써. 이것은 사실이지만, 희가스 구성이 안정적인 이유 를 이해하는 것이 중요하며, 그 사실을 모르면 일부 원자가 희가스 구성을 채택하지 않는 마술처럼 보입니다. 이온 화합물에서.
옥텟 규칙은 이온 전하를 빠르게 예측하고 루이스 구조를 작성하는 데 유용한 방법이지만 원자가 따르는 마법의 법칙은 아닙니다. 그들은 우리가 흔히 말하는 것처럼 특정 전자 구조를 얻기 위해 “원하거나” “시도”하지 않습니다. 정말로 중요한 것은 전자 구성의 총 에너지입니다. 가장 낮은 에너지를 가진 전자 구성이 가장 안정적인 것입니다. .
“안정성”은 실제로 “가장 낮은 에너지”를 의미합니다.
총 전자 구성의 에너지는 다음 두 가지에 의해 결정됩니다.
- 전자 궤도의 에너지
- 전자에 의해 “보여지는” 유효 핵 전하
궤도 에너지는 원자 궤도가 기저 상태의 전자에 의해 채워지는 순서를 결정합니다. 즉, 전자가 주어진 원자에 대해 존재하는 궤도를 결정합니다. 우리는 경험적 증거와 양자 역학을 통해 알고 있습니다. 대부분의 요소에 대해 순서가 다음과 같이 진행되는 계산 ( 일부 전이 금속 및 더 무거운 원소에는 적용되지 않음) :
전자는 이러한 궤도를 “( Aufbau 원칙 이라고 함). 따라서 우리는 4 번째 기간 요소의 경우 $ 3d $ 하위 쉘이 $ 4p $ 하위 쉘보다 먼저 채워질 것이라는 것을 알고 있습니다.
원자 궤도 다이어그램은 간접적으로 다른 것을 알려줍니다. 원자가 쉘의 경우 행 또는주기 번호와 같은 원리 양자 수 $ n $는 대략 궤도의 가장 높은 전자 밀도 영역의 핵으로부터의 거리에 해당합니다. 즉, 모든 하위 쉘 $ n = 4 $ 인 경우 $ n = 3 $ 인 하위 쉘보다 핵에서 더 멀리 떨어져있는 전자 밀도의 대부분을 갖습니다. 이는 $ 3d $ 전자가 다음보다 핵에 더 가깝 있음을 의미합니다. $ 4s $ 전자, 비록 $ 3d $ 전자가 처음에는 더 높은 에너지를 갖지만
핵에서 전자까지의 거리 대략 $ n $에 비례합니다.
전자는 음전하를 띠고 핵은 양전하를 띠기 때문에 전자 사이에 정전 기적 위치 에너지가 있습니다. 전자가 원자 전체에 균일하게 분포되어 있다면 각 전자가 “느끼는”핵 전하가 양성자의 수 (원자 번호)와 같을 것이라고 예상 할 수 있습니다. 그러나 양자 역학의 “규칙”(슈뢰딩거 방정식에 대한 허용 된 솔루션)으로 인해 전자는 균일하지 아닙니다 분산-특정 배열로 궤도를 차지합니다. 일부 전자는 다른 전자보다 핵에 더 가깝기 때문에 ($ n $보다 낮음) 이는 핵 전하가 내부 전자에 의해 부분적으로 차단되고 외부 전자는 유효 핵 충전 이는 전체 핵 충전보다 다소 적습니다. 위키 백과의이 다이어그램은 아이디어를 보여줍니다.
그리고 이것은 Bohr 모델을 사용한 아이디어를 보여줍니다 (참고 : 이것은 회로도입니다. 전자가 궤도에서 “보이는”것과 같은 정확한 그림이 아닙니다. 핵으로부터의 상대적 거리 만 맞습니다.)
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가전자가 큰 유효 핵 전하를 경험하면 제거하기가 더 어렵고 (제거하는 데 드는 에너지 비용이 증가합니다) 유효 핵 전하가 낮 으면 제거하기가 더 쉽습니다. 실제 유효 핵 전하는 정확하게 계산하기가 매우 어렵지만 추정하는 것은 매우 쉽습니다. 여러분이해야 할 일은 양성자의 수를 취한 다음 “스크리닝”전자의 수를 빼는 것뿐입니다.기본적으로 원자가 껍질과 핵 사이의 각 전자가 하나의 양성자를 상쇄한다고 가정합니다.
$$ Z_ {eff} = Z-S $$
여기서 $ Z_ { eff} $는 유효 핵 전하, $ Z $는 실제 핵 전하, $ S $는 스크리닝 상수이며 여기서 “핵심”전자의 수와 같다고 가정합니다.
$ S를 찾으려면 $, 당신이해야 할 일은 원자가 껍질 (최고 $ n $)보다 $ n $이 적은 전자의 수를 세는 것뿐입니다.
불소를 예로 들어, 전자 구성은 다음과 같습니다.
$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 5 $$
우리는 $ Z = 9 $ 및 $ S = 2 $로 유효 핵 전하 +7을 제공합니다. 리튬과 비교 : $ 3-2 = + 1 $. 불소의 원자가 전자는 리튬의 원자가 전자보다 제거하기가 약 7 배 더 어렵습니다. 사실, 불소 왼쪽에있는 모든 원소는 원자가 껍질에 대해 더 낮은 유효 핵 전하를 가지며 불소보다 쉽게 전자를 포기합니다. 즉, 불소가 전자를 포기하지 않는 것이 아니라 전자를 빼앗을 수 없다는 것입니다.
전자를 추가하면 어떨까요? $ \ ce {F -} $, 전자 구성은 다음과 같습니다.
$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 6 $$
$ Z_ {eff} $는 코어의 수이므로 여전히 +7입니다. 스크리닝 전자는 변하지 않았습니다. 이것은 추가 전자가 여전히 큰 양의 핵 전하를 “볼”것이기 때문에 불소가 전자를 집어 올리는 것이 에너지 적으로 유리하다는 것을 의미합니다.
다른 것을 추가하면 $ \ ce {F를 만들 수 있습니다. ^ {2-}} $? 이제 구성은 다음과 같습니다.
$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 1 $$
$ Z_ {eff} $는 이제 $ 9-10 = -1 $- “새로운”원자가 쉘이 $ n = 3 $을 갖기 때문에 스크리닝 전자의 수가 10 개로 급증했습니다. 즉, 허용 된 궤도 구성으로 인해 새로운 전자가 핵의 음전하 를 “볼”것입니다.이를 유지하려면 에너지가 필요합니다.
모든 “고정 전하”요소에 대해이 과정을 수행하면 유사한 것을 발견 할 수 있습니다. 전자를 얻는 요소의 유효 핵 전하는 너무 많아서 (옥텟), 그 지점에서 음수가됩니다. 고정 전하 금속의 경우 다른 일이 발생합니다. 마그네슘을 살펴 보겠습니다.
$ \ ce {Mg} $ : $ 12-10 = + 2 $
$ \ ce {Mg ^ 1 +} $ : $ 12-10 = + 2 $
$ \ ce {Mg ^ 2 +} $ : $ 12-2 = + 10 $
두 전자를 제거하면 유효 핵 전하가 +10으로 점프합니다. 나머지 원자가 전자에 대해서도 마찬가지입니다. 모든 I 족 및 II 족 금속에 대해서도 마찬가지입니다. 귀금속 “핵심”(옥 텍트)에 도달하면 원자가 전자에 의해 보이는 유효 핵 전하가 크게 올라갑니다.
이것은 왜 “고정 전하”원소가 이온 화합물에서 항상 동일한 전하를 갖는지 설명하지만, 전이 금속은 어떨까요?
크롬을 살펴 보겠습니다. 전자 구성은 다음과 같습니다.
$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 64s ^ 23d ^ 4 $$
가가 전자는 어떤 전자입니까? $ n $가 가장 높은 것-4s 전자. 그들이 “보는”유효 핵 전하는 $ 24-22 = + 2 $입니다. $ 3d $ 서브 쉘에있는 4 개의 전자는 4보다 적은 $ n = 3 $를 가지고 있기 때문에 스크리닝으로 간주됩니다. 초기에는 더 높은 에너지에도 불구하고 원자가 껍질보다 핵에 더 가깝습니다 .
전자를 제거하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 64s ^ 13d ^ 4 $$ (정확히 정확하지 않습니다. $ 4s $ 전자와 5 $ 3d $ 전자가 실제로 없을 것입니다. 그러나 그 이유는 복잡하고 중요하지 않습니다. 이 설명에)
우리는 $ 4s $ 전자 인 가전 자 를 제거했습니다. 이제 $ Z_ {eff} = 24-22 = + 2 $-변경되지 않았습니다. 하나 더 제거하여 $ \ ce {Cr ^ {2 +}} $를 만들고 다음을 얻을 수 있습니다.
$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 63d ^ 4 $$
이제 “원가”의 정의가 조금 덜 명확 해졌습니다. 우리는 가장 높은 $ n $ 값이 원자가에 해당한다는 것을 압니다. 하지만 궤도 모양 인 $ l $는 어떻습니까? d 궤도가 s 및 p 궤도보다 더 크기 때문에 s 및 p 전자는 결국 d 전자에서 핵을 가리게됩니다. 이것은 d 전자가 다음으로 제거되고 그들에 의해 “보인”유효 핵 전하는 $ 24-18 = + 6 $입니다. 이것은 더 큰 전하이지만 다른 원소 (특히 산소와 할로겐)가 여전히 d를 끌어 당길 수 없을 정도로 크지는 않습니다. 멀리 전자. 이것은 우리에게 +1에서 +6까지의 범위의 크롬 전하 (산화 상태)를 제공합니다. $ Cr ^ {6 +} $의 경우 전자 구성은 다음과 같습니다.
$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 6 $$
이제 효과적인 핵 전하 $ 24-10 = + 14 $-다른 어떤 것도 “승리”하기에는 너무 강합니다.
보시다시피 양자 역학의 규칙은 원자 궤도의 상대적 크기와 그 순서를 결정합니다. 그것들은 채워 져서 원자가 전자가 주어진 중성 원자 또는 이온에 대해 “보는”유효 핵 전하를 결정합니다.이 두 가지의 조합은 원자 이온이 가질 수있는 전하에 대한 제약으로 이어지며, 실제 결과는 그룹 I, II, VI 및 VII 요소가 “채워진 옥텟”또는 “희귀 가스”구성을 채택하는 반면 다른 그룹은 더 유연합니다.
댓글
- 원자력 유효 전하의 좋은 사용, 일반적으로 좋은 대답. 나는 극단적 인 상황에서 계산이 실제로 음의 값을 초래할 수 있다고 생각하지 않았는데, 이는 적어도 하나의 원자가 전자가 핵에서 분리되어 있음을 강력하게 암시합니다. 그러나 다른 독자들에게 귀하의 계산은 Slater '를 기반으로 한 계산보다 훨씬 더 정 성적이라는 점을 지적해야합니다. 규칙 . 물론 귀하의 주장은 여전히 유효하지만 누구에게도 계산 된 유효 요금의 규모를 너무 심각하게 생각하지 않는 것이 좋습니다.
- @Nicolau-그 ' 이유 실제 유효 청구액이 아니라 추정치임을 분명히하려고했습니다.
- @thomij 저는 ' 당신의 진술이 궁금합니다. " 이것은 3d 전자가 더 높은 에너지를 가지고 있음에도 불구하고 3d 전자가 4s 전자보다 핵에 더 가깝다는 것을 의미합니다. " 사실입니까, 왜 전자가 핵에 가까워지면 에너지가 더 높습니까?
- @ron-일반적으로 사용되는 주장은 d 껍질의 국소 전자 밀도가 다음으로 높은 s 껍질보다 높다는 것입니다. 둘 다 밀집 " d 하위 쉘에서 3s 및 3p 궤도에 근접하기 때문입니다. 진짜 이유는 더 복잡하지만 간단히 말해서 4s 전자는 가장 바깥쪽에있는 피크가 더 멀리 있더라도 핵에 더 가까운 밀도 피크를 가지고 있습니다. 에너지 레벨은 실제로 궤도가 채워짐에 따라 움직이며 3D 궤도가 채워지기 시작할 때 더 높은 에너지를 가질 수도 있고 가지지 않을 수도 있습니다. 내 대답을 더 정확하게 수정하겠습니다.
답변
불소 원자의 전자 구조는 다음과 같습니다. $ \ ce {1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 5} $. 채워진 전자 껍질과 관련된 추가 안정성으로 인해 원자가 옥텟 (불활성 가스 구성을 달성)에 도달하는 강력한 추진력이 있습니다. 옥텟을 완성하고 네온 불활성 기체 구성 ($ \ ce {1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6} $)을 달성하려면 불소가 전자 1 개를 얻어 불소 음이온 ($ \ ce {F ^ {-)이되어야합니다. }} $). 전자 2 개를 얻고 $ \ ce {F ^ {-2}} $가되거나 전자 1 개를 잃고 $ \ ce {F ^ {+}} $가되면 외부 껍질에 옥텟이 없습니다. 그것은 단지 하나의 전자를 얻는 것처럼 안정적이지 않을 것입니다. 예를 들어 나트륨이 전자를 하나만 잃는 것을 선호하는 이유는 동일한 논리로 설명됩니다. 전이 요소는 더 큰 전자 구성을 가지며 불활성 가스 구성을 달성하기 위해 3 개 또는 4 개의 전자를 얻거나 잃어야 할 수 있습니다. 3 개 또는 4 개의 전자를 추가하거나 제거하려면 많은 에너지가 필요하므로, 더 적은 전자를 제거하는 데 필요한 에너지가 더 낮기 때문에 불활성 가스 구성을 달성하지 못하면서 1 개 또는 2 개의 전자를 추가하거나 제거하는 것이 허용 가능한 대안이됩니다. 이 경우 1, 2, 3 또는 4의 산화 상태 (더하기 또는 빼기)가 가능해집니다.
답변
일부 주 그룹 요소는 다중 이온을 형성하지만 전이 요소에 대한 유사성은 덜 일반적입니다.
예 :
답변
불소 음이온은 음전하 2 개를 가질 수 있습니다. 불소 음이온에 2 개의 전자를 추가하는 것은 불가능하지 않습니다. 그러나 그 시점에서 음의 1 공식 전하를 가진 불소 음이온은 희가스-네온과 등 전자이기 때문에 다소 불안정합니다.
In 또한, 불소 음이온의 높은 전하 밀도를 고려하십시오. 여분의 전자를 불소에 부착하는 것은 괜찮지 만 전하 밀도가 낮은 염소 원자에 비해 유리하지는 않습니다. 불소는 실제로 불소의 전기 음성도가 높음에도 불구하고 염소보다 전자 친화력이 낮습니다. . 두 개의 추가 전자를 압착하는 것은 바람직하지 않습니다.
답변
다음은 옥텟과 전자 껍질을 직접 포함하지 않는 다른 것을 보완 할 수있는 쉬운 주장입니다. 모두 동일한 $ 1s ^ 22s ^ 22p를 갖는 등 전자 종 $ \ ce {Na ^ 0} $, $ \ ce {Ne ^ {-}} $ 및 $ \ ce {F ^ {2-}} $ 비교 ^ 63s ^ 1 $ 기본 구성. 목록의 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면 원자가 전자가 원자에 더 잘 결합되지 않도록 (전자를 안쪽으로 끌어 당기기 위해 핵의 양전하가 적어짐) 핵에서 양성자를 점차적으로 제거합니다.원소 금속 나트륨은 원자가 전자가 비교적 느슨하기 때문에 (낮은 이온화 에너지) 이미 반응성이 매우 높습니다. $ \ ce {F ^ {2-}} $를 생성하기 위해 핵에서 두 개의 양성자를 제거하면 많은 종이 생성됩니다. 금속성 나트륨 (!)보다 반응성이 높으며 어떤 조건에서도 즉시 적어도 하나의 전자를 잃을 것으로 예상됩니다.
사실 $ \ ce {F ^ {2-}} $는 너무 불안정합니다. 처음에 형성됩니다. 다시, 위 목록의 등 전자 종을 비교하여 $ \ ce {Ne ^ {-}} $를 찾습니다. Neon은 실제로 거의 0이거나 심지어 엔더 고닉 인 전자 친화력 을 이미 가지고 있습니다. 즉, 반응 $ \ ce {Ne ^ 0 _ {(g)} + e ^ {-}-> Ne ^ {-} _ {(g)}} $ 실제로 왼쪽으로 주행하지 않는 경우 이미 오른쪽으로 거의 주행하지 않습니다. 이것은 반응 $ \ ce {F ^ {-} _ {(g)} + e ^ {-}-> F ^ {2-} _ {(g)}를 제안합니다. } $ (불소의 두 번째 전자 친화력)는 강한 엔더 고 닉성이며 상당한 정도로 발생하지 않습니다.