Elektronenkonfigurationen jenseits von Wasserstoff

1990 veröffentlichte das Journal of Chemical Education (American Chemical Society) einen etwas kontroversen Artikel mit dem Titel „ The nature of the chemical bond—1990: There are no such things as orbitals! J. Chem. Educ. 1990, 67, 4, 280" Artikellink . Der Autor hat hauptsächlich eingewandt, dass Orbitale keine physikalischen Objekte, sondern mathematische Konstrukte sind, und vielleicht nehmen Chemiker sie zu wörtlich.

Ich habe mich auch gefragt, ob die Schrödinger-Gleichung für 1-Elektronen-Atome lösbar ist, aber Chemiker haben die Elektronenkonfigurationen auf große und schwere Elemente wie Blei oder Quecksilber ausgedehnt. Wir haben also die Aufbauregel und die Madelung-Regel und so weiter, um die Füllung von Orbitalen abzuschätzen. Mullikan hatte den Begriff Orbitale als Kurzform von Ein-Elektronen-Wellenfunktionen geprägt, aber offensichtlich sind nicht alle Elemente des Periodensystems ein Elektron-Atom nach Wasserstoff. Trotzdem wurde das Orbitalkonzept auf größere Atome sogar mit Hunderten von Elektronen ausgedehnt.

Die Frage aus physikalischer Sicht ist, ob Sie die Elektronenkonfiguration von Pb zufällig als [Xe]4f sehen 14 5d 10 6s 2 6p 2 , was ist der experimentelle Beweis dafür, dass die Elektronenkonfiguration von Blei so ist und dass dies die richtige Orbitalreihenfolge ist. Beachten Sie, dass Bohr Elektronenkonfigurationen basierend auf den chemischen Eigenschaften von Elementen entwickelt hat.

Ich habe noch nie einen chemischen oder physikalischen Text gesehen, der experimentelle Beweise für Elektronenkonfigurationen zeigt oder diskutiert. Die Schalenstruktur von Atomen wird tatsächlich durch Röntgenuntersuchungen erwähnt. Was sind die experimentellen Beweise für Orbitale und Orbitalfüllordnungen in schwereren Elementen jenseits von Wasserstoff?

Mein Verständnis war, dass die Grundlage für Elektronenhüllen auf diskreten Energieniveaus in Bohrs Modell darin besteht, dass die Elektronen in einer diskreten Anzahl von Wellen aus debroglie Materiewellen um das Atom schleifen, um eine konstruktive Selbstinterferenz zu haben.
Al Brown, das war ein weiteres Bild. Meine Frage bezieht sich speziell auf Schrödingers Gleichung.
seit 2013 gibt es ein Experiment nature.com/articles/498009d.pdf für Wasserstofforbitale
@annav das OP fragt nach experimentellen Beweisen für Orbitale in schwereren Elementen jenseits von Wasserstoff. Eine Randbemerkung ist, dass sie nicht direkt das Orbital gemessen haben, sondern die zugehörige Wahrscheinlichkeitsdichte.

Antworten (2)

Ich habe mich auch gewundert, dass die Schrödinger-Gleichung für 1-Elektronen-Atome lösbar ist, Chemiker jedoch die Elektronenkonfigurationen auf große und schwere Elemente ausgedehnt haben

Ich stimme dir vollkommen zu. Die Schrödinger-Gleichung kann nur die angeregten Zustände im Wasserstoffatom und in wasserstoffähnlichen Ionen beschreiben. Die Verwendung dieser Gleichung zur Beschreibung der Elektronenanordnung anderer Elemente spiegelt nicht die Realität chemischer Verbindungen wider.

Gebundene Elektronen nehmen im Atom ein bestimmtes Volumen ein und können als unbeweglich betrachtet werden. Bei der Bindung mit einem anderen Atom ändert sich die Form der Volumina und die Elektronen können ihre Position ein wenig verschieben. Dies ergibt sich aus der Empirie in der Chemie. (Siehe diese Antwort .)

Wir haben also die Aufbauregel und die Madelung-Regel und so weiter, um die Füllung von Orbitalen abzuschätzen.

Absolut grundlegend ist das Pauli-Ausschlussprinzip. Sie besagt, dass sich Elektronen in einem Atom in mindestens einer Quantenzahl unterscheiden.

Weitaus weniger evidenzbasiert sind die Schalenregionen, die durch die Verwendung spezieller Spherical Harmonics definiert werden . Die Entwicklung dieser Harmonischen war wie folgt.

  1. Periodizität von Wasserstoffspektrallinien.

Es ist ein Kinderspiel, eine Formel für die Periodizität der Emissionslinien von Wasserstoff zu bekommen. Balmer war 1885 der erste, der Erfolg hatte, und Rydberg machte daraus eine erweiterte Formel. Alles für Wasserstoff, wohlgemerkt.

  1. Bohrs Schalenmodell der Atome

Ein wichtiges Puzzleteil für Bohrs Atommodell war die Anwendung der Rydberg-Formel. Tatsächlich lassen sich mit der Rydberg-Formel aber nur Wasserstoff und wasserstoffähnliche Elemente berechnen. (Siehe die Antwort auf Warum kann die 2. Schale 8 Elektronen haben? .)

Für einen guten Überblick siehe die Antwort auf die Frage In chemischen Verbindungen, woher kommt die „Magie“ in den „magischen Atomzahlen“? . Es beginnt mit

Es war und ist bis heute eine empirische Tatsache, dass Elemente mit 2, 8 und wieder 8 Elektronen Schalen so ausfüllen, dass diese Schalen chemisch besonders stabil sind.

Sie können sich nicht vorstellen, wie viel Müll über Orbitale heutzutage in Chemielehrbüchern steht. Sie stellen diese Konfiguration von schwerer als eine Realität dar und bringen die Schüler dazu, sich auch auswendig zu lernen. Vielleicht interessieren Sie sich für eine andere verwandte Frage von mine physical.stackexchange.com/questions/656189/…
@M.Farooq Tut mir leid, ich bin als nächstes beschäftigt und werde morgen auf Ihre Aktivitäten auf PSE zurückkommen, vielleicht in ein paar Stunden. Möchtest du andere Antworten und Fragen lesen ?
@HolgerFielder, sicherlich werde ich Ihre Links lesen.

Im Experiment hier werden die Wasserstofforbitale erforscht.

hydorb

Die Atomstrukturen wurden mit den verschiedenen Näherungen der Schrödinger-Gleichung modelliert, weil sie die Spektren überall dort sehr gut reproduzierte, wo sie überprüft wurde. Damit wurde das mathematische Modell validiert. Das Ersetzen des Begriffs „Umlaufbahn“ des halbklassischen Bohr-Modells durch „Orbitale“ erfolgte, weil die Mathematik nur die wahrscheinliche Position des Elektrons vorhersagen kann , und die Orbitale begannen verwendet zu werden, um die Wahrscheinlichkeitsnatur von Vorhersagen zu kommunizieren.

Du fragst:

. Was sind die experimentellen Beweise für Orbitale und Orbitalfüllordnungen in schwereren Elementen jenseits von Wasserstoff?

Die Tatsache, dass Orbitale für Wasserstoff experimentell gesehen wurden, und die Tatsache des Erfolgs der Theorie, sich den Spektren von Mehrelektronenatomen anzunähern, bestätigt, wenn wir wirklich akzeptieren, dass Mathematik streng ist, die Orbitalsprache für Mehrelektronenatome. Es sind keine extrem komplizierten Experimente wie oben erforderlich. Dafür wird Mathematik verwendet. Müssen wir die Gravitationsvorhersagen für jeden Satelliten kontinuierlich beweisen? Wir verwenden sie, weil wir darauf vertrauen, dass die Mathematik funktioniert.

Von Wasserstofforbitalen zur Orbitalsprache für Mehrelektronenatome gibt es einen ziemlich großen Sprung. Es kann gerechtfertigt sein, erfordert aber ziemlich viel zusätzliche Theorie.
@GiorgioP Wenn man Spektren von Multielektronenatomen mit bestimmten Quantenzahlen identifiziert, reicht es aus, da es bei den Lösungen der S-Gleichung um Wahrscheinlichkeiten geht, und das sind Orbitale, die Wahrscheinlichkeit, das Elektron bei (r, theta, phi) zu finden. , imo natürlich.
@annav Vielen Dank für Ihre Antwort, aber Mehrelektronenkonfigurationen sind seit mehr als 5-6 Jahrzehnten in Chemietexten enthalten. Niemand hat 2013 auf dieses Nature's Paper gewartet (es ist zu neu). Denken Sie auch daran, dass jemand in der Natur behauptete, d-Orbitale gesehen zu haben, was nichts als Fiktion war. Es bedeutet, dass die Menschen andere Mittel hatten, um sich von der Elektronenkonfiguration schwererer Elemente zu überzeugen. Nach meinem besten Wissen ist Schrödingers Gleichung nicht über einfache Elemente hinaus lösbar, vielleicht über Helium hinaus.
Hat Mulliken Orbital nicht als Kurzbezeichnung von „Ein-Elektronen-Wellenfunktion“ definiert?
Elektronenkonfigurationen jenseits von Wasserstoff
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v