Perché la configurazione elettronica del cromo # 1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6 3s ^ 2 3p ^ 6 3d ^ color (rosso) (5) 4s ^ color (rosso) (1) # anziché # 1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6 3s ^ 2 3p ^ 6 3d ^ color (rosso) (4) 4s ^ color (rosso) (2) #?
È una combinazione di fattori:
- Meno elettroni accoppiati nello stesso orbitale
- Più elettroni con spin paralleli in orbitali separati
- Orbitali di valenza pertinenti NON abbastanza vicini in energia per l'associazione di elettroni da essere sufficientemente stabilizzati da grandi dimensioni orbitali
NOTA BENE: Risposta lunga, ma è un problema complicato, quindi ... 🙂
Molte persone vogliono dire che è perché a "subshell riempito per metà" aumenta la stabilità, che è una ragione, ma non necessariamente la - esclusivamente. ragionare. Tuttavia, per il cromo, è il significativa ragionare.
Vale anche la pena ricordare che questi sono dopo il fatto; il cromo non conosce i motivi che ci vengono in mente; le ragioni devono essere, beh, ragionevole.
I motivi che mi vengono in mente sono:
- Minimizzazione di energia di repulsione coulombica
- Massimizzazione di energia di scambio
- Mancanza di una significativa riduzione dell'energia di accoppiamento nel complesso rispetto ad un atomo con orbitali occupati più grandi
ENERGIA DI REPULSIONE COULOMBICA
Energia di repulsione coulombica è l'energia aumentata dovuta all'accoppiamento dell'elettrone di spin opposto, in un contesto in cui ci sono solo due elettroni di energie quasi degenerate.
Quindi, per esempio ...
#ul(uarr darr) " " ul(color(white)(uarr darr)) " " ul(color(white)(uarr darr))# is higher in energy than #ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(darr color(white)(uarr)) " " ul(color(white)(uarr darr))#
Per facilitarci, possiamo "misurare" crudelmente l'energia di repulsione con il simbolo #Pi_c#. Vorremmo solo dire che per ogni coppia di elettroni nello stesso orbitale, ne aggiunge uno #Pi_c# unità di destabilizzazione.
Quando hai qualcosa del genere con spin elettronici paralleli ...
#ul(uarr darr) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr))#
Diventa importante incorporare l'energia di scambio.
SCAMBIO DI ENERGIA
Scambia energia è la riduzione di energia dovuta al numero di coppie di elettroni a spin parallelo in orbitali diversi.
È un argomento meccanico quantistico in cui gli elettroni a spin parallelo possono farlo scambio tra loro a causa della loro indistinguibilità (non si può dire con certezza se è l'elettrone 1 che si trova nell'orbitale 1, o l'elettrone 2 che si trova nell'orbitale 1, ecc.), riducendo l'energia della configurazione.
Per esempio...
#ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(color(white)(uarr darr))# is lower in energy than #ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(darr color(white)(uarr)) " " ul(color(white)(uarrdarr))#
Per rendere più facile per noi, un modo grezzo per "misurare" lo scambio di energia è dire che è uguale a #Pi_e# per ogni coppia che può scambiare.
Quindi per la prima configurazione sopra, sarebbe stabilizzato da #Pi_e# (#1harr2#), ma la seconda configurazione avrebbe a #0Pi_e# stabilizzazione (giri opposti; impossibile scambiare).
ABBINAMENTO DI ENERGIA
Associazione di energia è solo la combinazione di repulsione e energia di scambio. Noi lo chiamiamo #Pi#, così:
#Pi = Pi_c + Pi_e#
Fondamentalmente, l'energia di accoppiamento è:
- superiore quando l'energia di repulsione è alto (cioè molti elettroni associati), il che significa che l'associazione è sfavorevole
- inferiore quando lo scambio di energia è alto (cioè molti elettroni paralleli e non accoppiati), il che significa che l'associazione è favorevole
Quindi, quando si tratta di metterlo insieme per il cromo ... (#4s# e #3d# orbitali)
#ul(uarr color(white)(darr))#
#ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr))#
rispetto a
#ul(uarr darr)#
#ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(color(white)(uarr darr))#
è più stabile.
Per semplicità, se assumiamo il #4s# e #3d# gli elettroni non sono abbastanza vicini in energia per essere considerati "quasi degenerati":
- La prima configurazione ha #mathbf(Pi = 10Pi_e)#.
(Exchanges: #1harr2, 1harr3, 1harr4, 1harr5, 2harr3, #
#2harr4, 2harr5, 3harr4, 3harr5, 4harr5#)
- La seconda configurazione ha #mathbf(Pi = Pi_c + 6Pi_e)#.
(Exchanges: #1harr2, 1harr3, 1harr4, 2harr3, 2harr4, 3harr4#)
tecnicamente, stanno circa #"3.29 eV"# a parte (Appendice B.9), il che significa che richiede circa #"3.29 V"# per trasferire un singolo elettrone dal #3d# fino a #4s#.
Potremmo anche dire che dal #3d# gli orbitali hanno un'energia inferiore, il trasferimento di un elettrone in un orbitale a energia inferiore è comunque utile da una prospettiva meno quantitativa.
COMPLICAZIONI DOVUTE AL FORMATO ORBITALE
Si noti che ad esempio, #"W"# ha una configurazione di #[Xe] 5d^4 6s^2#, quale sembra contraddire il ragionamento che abbiamo avuto per #"Cr"#, poiché l'accoppiamento è avvenuto nell'orbitale ad alta energia.
Ma dovremmo anche riconoscerlo #5d# gli orbitali lo sono superiore, se assunto singolarmente. di #3d# orbitali, il che significa che densità elettronica può essere più sparsi for #"W"# che per #"Cr"#, COSI ' riducendo l'energia di accoppiamento #Pi#.
That is, #Pi_"W" < Pi_"Cr"#.
Dal inferiore
l'associazione dell'energia implica più facile accoppiamento di elettroni, probabilmente è così che potrebbe essere #"W"# ha una #[Xe] 5d^4 6s^2# configurazione anziché #[Xe] 5s^5 6s^1#; la sua #5d# e #6s# gli orbitali lo sono abbastanza grande per accogliere la densità di elettroni extra.
In effetti, la differenza di energia in #"W"# per il #5d# e #6s# gli orbitali è solo circa #"0.24 eV"# (Appendice B.9), che è abbastanza facile da superare semplicemente avendo orbitali più grandi che stabilizzano l'energia di accoppiamento.