Электронные конфигурации за пределами водорода

В 1990 г. в Журнале химического образования (Американское химическое общество) была опубликована немного противоречивая статья под названием « Природа химической связи — 1990 г.: таких вещей, как орбитали, не существует!» J. Chem. Educ. 1990, 67, 4, 280" Ссылка на статью . Автор в основном возражал, что орбитали — это не физические объекты, а математические конструкции, и, возможно, химики воспринимают их слишком буквально.

Меня также удивляло, что уравнение Шредингера разрешимо для одноэлектронных атомов, однако химики распространили электронные конфигурации на большие и тяжелые элементы, такие как свинец или ртуть. Итак, у нас есть правило Ауфбау, правило Маделунга и так далее для оценки заполнения орбиталей. Малликен ввел термин «орбитали» как краткую форму одноэлектронных волновых функций, но очевидно, что все элементы периодической таблицы не являются атомами с одним электроном после водорода. Тем не менее, орбитальная концепция была распространена на более крупные атомы даже с сотнями электронов.

Вопрос с точки зрения физики заключается в том, если вы видите электронную конфигурацию Pb как [Xe]4f 14 5д 10 6 с 2 6р 2 , каковы экспериментальные доказательства того, что электронная конфигурация свинца такая, и это правильный орбитальный порядок. Обратите внимание, что Бор придумал электронные конфигурации на основе химических свойств элементов.

Я никогда не видел ни одного учебника по химии или физике, в котором бы демонстрировались или обсуждались экспериментальные доказательства электронных конфигураций. Оболочечная структура атомов действительно упоминается с помощью рентгеновских исследований. Каковы экспериментальные доказательства существования орбиталей и орбитальных порядков у более тяжелых элементов помимо водорода?

Мое понимание заключалось в том, что основой для электронных оболочек на дискретных энергетических уровнях в модели Бора является то, что электроны вращаются вокруг атома в виде дискретного количества волн от деброльских волн материи, чтобы иметь конструктивную самоинтерференцию ??
Эл Браун, это была другая картина. Мой вопрос конкретно относится к уравнению Шредингера.
есть эксперимент с 2013 года nature.com/articles/498009d.pdf для водородных орбиталей
@annav ОП спрашивает об экспериментальных доказательствах существования орбиталей в более тяжелых элементах, помимо водорода. Дополнительное замечание состоит в том, что они измерили не непосредственно орбиталь, а связанную с ней плотность вероятности.

Ответы (2)

Меня также удивляло, что уравнение Шредингера разрешимо для одноэлектронных атомов, однако химики распространили электронные конфигурации на большие и тяжелые элементы.

Я абсолютно согласен с вами. Уравнение Шредингера может описывать только возбужденные состояния в атоме водорода и в водородоподобных ионах. Использование этого уравнения для описания электронного расположения других элементов не отражает реальности химических соединений.

Связанные электроны занимают в атоме определенный объем и могут считаться неподвижными. При соединении с другим атомом форма объемов меняется, и электроны могут немного смещать свое положение. Это вытекает из эмпиризма в химии. (См. этот ответ .)

Итак, у нас есть правило Ауфбау, правило Маделунга и так далее для оценки заполнения орбиталей.

Абсолютно фундаментальным является принцип запрета Паули. В нем говорится, что электроны в атоме отличаются по крайней мере одним квантовым числом.

Гораздо менее доказательными являются области оболочки, которые определяются с помощью специальной Сферической гармоники . Развитие этих гармоник было следующим.

  1. Периодичность спектральных линий водорода.

Получить формулу для периодичности эмиссионных линий водорода несложно. Бальмер был первым, кто добился успеха в 1885 году, и Ридберг вывел из этого расширенную формулу. Все для водорода, заметьте.

  1. Оболочечная модель атомов Бора

Важным элементом головоломки атомной модели Бора было применение формулы Ридберга. Однако в действительности по формуле Ридберга можно рассчитать только водород и водородоподобные элементы. (См. ответ на вопрос Почему во 2-й оболочке может быть 8 электронов? .)

Для хорошего обзора см. ответ на вопрос В химических соединениях, откуда берется «магия» в атомных «магических числах»? . Это начинается с

Было и остается до сегодняшнего дня эмпирическим фактом, что элементы с 2, 8 и снова 8 электронами заполняют оболочки таким образом, что эти оболочки особенно химически стабильны.

Вы не представляете, сколько мусора об орбиталях содержится в учебниках по химии в наши дни. Они представляют эти конфигурации тяжелее как реальность и заставляют студентов также запоминать их наизусть. Вас может заинтересовать другой вопрос, связанный с моей физикой.stackexchange.com/questions /656189/…
@ M.Farooq Извините, я занят в ближайшее время, и я вернусь к вашей деятельности на PSE завтра, может быть, через несколько часов. Mya вы хотите прочитать другие ответы и вопросы ?
@HolgerFielder, Обязательно прочитаю ваши ссылки.

В эксперименте здесь исследуются водородные орбитали.

гидорб

Атомные структуры были смоделированы с помощью различных приближений уравнения Шредингера, потому что оно очень успешно воспроизводило спектры везде, где его проверяли. Это означает, что математическая модель прошла валидацию. Замена термина «орбита» полуклассической модели Бора на «орбитали» произошла потому, что математика может предсказывать только вероятное местоположение электрона, а орбитали начали использоваться для передачи вероятностного характера предсказаний.

Ты спрашиваешь:

. Каковы экспериментальные доказательства существования орбиталей и орбитальных порядков у более тяжелых элементов помимо водорода?

Тот факт, что орбитали были обнаружены экспериментально для водорода, и факт успеха теории в аппроксимации спектров многоэлектронных атомов, если мы действительно признаем, что математика строга, подтверждает правильность орбитального языка для многоэлектронных атомов. Нет необходимости в чрезвычайно сложных экспериментах, как показано выше. Именно для этого используется математика. Должны ли мы постоянно подтверждать предсказания гравитации для каждого спутника? Мы используем их, потому что верим, что математика работает.

От водородных орбиталей до орбитального языка для многоэлектронных атомов существует довольно большой скачок. Это можно обосновать, но требует довольно много дополнительной теории.
@GiorgioP Если кто-то идентифицирует спектры многоэлектронных атомов с определенными квантовыми числами, этого достаточно, поскольку решения уравнения S связаны с вероятностями, а это и есть орбитали, вероятность нахождения электрона в (r, тета, фи) имхо конечно.
@annav Спасибо за ваш ответ, но многоэлектронные конфигурации фигурируют в текстах по химии уже более 5-6 десятилетий. Никто не ждал этой статьи Nature в 2013 году (она слишком свежая). Также вспомните, что кто-то в Nature утверждал, что видел d-орбитали, что было ничем иным, как вымыслом. Это означает, что у людей были другие способы узнать электронные конфигурации более тяжелых элементов. Насколько мне известно, уравнение Шредингера не имеет решения, кроме простых элементов, возможно, помимо гелия.
Разве Малликен не определил орбиталь как короткое название от «волновой функции одного электрона»?
Электронные конфигурации за пределами водорода
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v