Elektronkonfigurasies: Aufbau-volgorde, Hund se reël en ione

Doppe, subdoppe en orbitaalkapasiteit

Elke elektron in 'n atoom word deur vier kwantumgetalle beskryf. Die hoofkwantumgetal n (1, 2, 3, …) bepaal die dop. Die hoekmomentumkwantumgetal l loop van 0 tot n − 1 en bepaal die subdop: l = 0, 1, 2 en 3 word s, p, d en f genoem. Die magnetiese kwantumgetal mₗ loop van −l tot +l, dus bevat 'n subdop 2l + 1 orbitale. Die spinkwantumgetal mₛ is +½ of −½.

Omdat elke orbitaal hoogstens twee elektrone hou, hou 'n s-subdop 2, p hou 6, d hou 10 en f hou 14. 'n Volledige dop hou 2n² elektrone: 2 vir n = 1, 8 vir n = 2 en 18 vir n = 3. Hierdie kapasiteite is hoekom die blokke van die periodieke tabel 2, 6, 10 en 14 kolomme breed is.

Aufbau-vullingsvolgorde en die periodieke tabel

In die grondtoestand beset elektrone die laagste-energie-subdoppe wat beskikbaar is; dit is die Aufbau-beginsel. In 'n atoom met baie elektrone hang subdopenergie van l sowel as n af, omdat 'n s-elektron nader aan die kern indring as 'n p- of d-elektron met soortgelyke n en minder deur binneste elektrone afgeskerm word. Die resulterende volgorde vir neutrale atome is 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Die n + l-reël reproduseer hierdie volgorde: vul subdoppe in volgorde van toenemende n + l, en wanneer twee subdoppe gelyk is, vul die een met laer n eerste. So vul 4s (4 + 0 = 4) voor 3d (3 + 2 = 5). Jy kan die volgorde ook van die periodieke tabel aflees. Wanneer jy oor 'n periode beweeg, gaan jy deur die s-blok, dan die f-blok indien teenwoordig, dan die d-blok, dan die p-blok, met die d-subdop een dop agter die periodenommer en die f-subdop twee agter.

Die volgorde vertel jou watter subdop die volgende elektron van een element na die volgende ontvang. Dit beteken nie dat 4s altyd laer in energie as 3d is nie. Sodra 3d beset is, daal sy energie onder dié van 4s, wat is hoekom oorgangsmetaalkatione hul 4s-elektrone eerste verloor.

Pauli-uitsluiting, Hund se reël en orbitaaldiagramme

Die Pauli-uitsluitingsbeginsel bepaal dat geen twee elektrone in 'n atoom dieselfde vier kwantumgetalle deel nie. Twee elektrone in een orbitaal deel reeds n, l en mₗ, dus moet hulle teenoorgestelde spins hê, en geen orbitaal kan 'n derde hou nie.

Hund se reël geld vir ontaarde orbitale, dié van gelyke energie binne 'n subdop. Elektrone beset hulle enkel, met parallelle spins, voordat enige paring begin. Paring verhoog die energie omdat twee elektrone in een orbitaal sterker afstoot, terwyl parallelle spins in afsonderlike orbitale uitruilstabilisering wen. Stikstof se 2p³ het dus drie ongepaarde elektrone, en suurstof se 2p⁴ het een paar en twee ongepaarde elektrone.

Teken in 'n orbitaaldiagram een blokkie per orbitaal, vul subdoppe in Aufbau-volgorde, en plaas binne 'n subdop een pyltjie in elke blokkie voordat jy 'n tweede byvoeg. Atome met ongepaarde elektrone is paramagneties en word in 'n magneetveld ingetrek; atome met alle elektrone gepaar is diamagneties.

Uitgewerkte voorbeelde: selenium en sirkonium

Voorbeeld 1: selenium, Z = 34. Vul in Aufbau-volgorde totdat 34 elektrone geplaas is: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Kontroleer die totaal: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Vir edelgasnotasie, vervang die eerste 18 elektrone met [Ar], die edelgas wat die vorige periode eindig: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Om subdoppe volgens doppnommer te lys, soos hier, is 'n algemene konvensie; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ beskryf dieselfde konfigurasie in vullingsvolgorde.

Selenium se vier 4p-elektrone versprei oor drie orbitale. Hund se reël plaas een in elk en paar die vierde, wat twee ongepaarde elektrone laat. Sy ses valenselektrone, 4s² 4p⁴, stem ooreen met die buitepatroon van suurstof en swael in groep 16, wat is hoekom selenium die selenied-ioon, Se²⁻, vorm, isoelektronies met krypton.

Voorbeeld 2: sirkonium, Z = 40. Na [Kr], wat 36 elektrone verreken, bly vier oor. Die volgende subdoppe is 5s en dan 4d, wat [Kr] 4d² 5s² gee, wat met die NIST-grondtoestanddata ooreenstem. Die twee 4d-elektrone beset afsonderlike orbitale met parallelle spins, dus het sirkonium twee ongepaarde elektrone.

Chroom, koper en uitsonderings wat eenvoudige reëls weerstaan

Die Aufbau-volgorde voorspel [Ar] 3d⁴ 4s² vir chroom en [Ar] 3d⁹ 4s² vir koper. Spektroskopie wys [Ar] 3d⁵ 4s¹ en [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Omdat 4s en 3d in hierdie atome naby aan mekaar in energie is, verlaag die skuif van een elektron na 3d die totale energie, gehelp deur die uitruilstabilisering van 'n halfgevulde of gevulde d-subdop. Molibdeen, [Kr] 4d⁵ 5s¹, en silwer, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, volg dieselfde patroon as die elemente bo hulle.

Die halfgevulde-subdop-verduideliking is nie 'n algemene reël nie. Niobium is [Kr] 4d⁴ 5s¹ al is sy 4d-subdop uiteindelik nóg half gevul nóg gevul; palladium is [Kr] 4d¹⁰ sonder 5s-elektrone; en wolfram, direk onder molibdeen, is [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Leer die uitsonderings wat jou kursus vereis uit data eerder as om hulle af te lei uit 'n reël wat nie veralgemeen nie.

Konfigurasies van monoatomiese ione

Vir 'n anioon, voeg elektrone by die volgende beskikbare subdop: chloor, [Ne] 3s² 3p⁵, word Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, isoelektronies met argon. Vir 'n katioon, verwyder elektrone eerste uit die subdop met die hoogste n, en binne daardie dop uit p voor s. Vir 'n eerste-ry-oorgangsmetaal beteken dit die 4s-elektrone voor enige 3d-elektrone.

Voorbeeld 3: ysterione. Yster is [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ verloor beide 4s-elektrone om [Ar] 3d⁶ te gee, en Fe³⁺ verloor nog een, uit 3d, om [Ar] 3d⁵ te gee. Kontroleer die tellings: yster het 26 elektrone, Fe²⁺ het 18 + 6 = 24, en Fe³⁺ het 18 + 5 = 23. Die vrye Fe³⁺-ioon het vyf ongepaarde elektrone, een in elke 3d-orbitaal.

Dieselfde logika geld in die p-blok. Tin is [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², en Sn²⁺ verloor sy twee 5p-elektrone om [Kr] 4d¹⁰ 5s² te word. Koper(I) is [Ar] 3d¹⁰, omdat koper se enkele 4s-elektron eerste vertrek.

Algemene foute wanneer konfigurasies geskryf word

Die meeste konfigurasiefoute val in 'n paar patrone, en elkeen kan met 'n vinnige kontrole gevang word voordat jy aangaan.

Wanneer 'n vraag ongepaarde elektrone vra, teken die orbitaaldiagram vir die gedeeltelik gevulde subdop eerder as om uit die konfigurasiereeks te oordeel. Wanneer dit oor 'n ioon vra, skryf eers die neutrale atoom, voeg dan elektrone by of verwyder hulle.

• 3d-elektrone voor 4s verwyder: Fe²⁺ is [Ar] 3d⁶, nie [Ar] 3d⁴ 4s² nie. Algemene eerste-ry-katione soos Fe²⁺, Co²⁺ en Cu⁺ het geen 4s-elektrone nie.
• Die verkeerde edelgaskern gebruik: die kern is die edelgas van die vorige periode, [Ar] vir elemente 19 tot 36.
• Elektrone verkeerd tel: die boskrifte moet optel tot Z vir 'n atoom en tot Z minus die lading vir 'n ioon.
• 'n Subdop oorvul, soos 2p⁷ of 3d¹¹.
• Elektrone in 'n p- of d-subdop paar voordat elke orbitaal een hou.
• Die d-blok in die verkeerde dop plaas: periode 4 vul 3d, nie 4d nie.
• Die Cr- en Cu-patroon op elke element daaronder toepas sonder om data na te gaan.