Електронни конфигурации: ред на построяване, правило на Хунд и йони

Обвивки, подобвивки и капацитет на орбиталите

Всеки електрон в атома се описва с четири квантови числа. Главното квантово число n (1, 2, 3, …) определя обвивката. Орбиталното квантово число l пробягва от 0 до n − 1 и определя подобвивката: l = 0, 1, 2 и 3 се означават с s, p, d и f. Магнитното квантово число mₗ пробягва от −l до +l, така че подобвивката съдържа 2l + 1 орбитали. Спиновото квантово число mₛ е +½ или −½.

Тъй като всяка орбитала събира най-много два електрона, s подобвивка събира 2, p – 6, d – 10 и f – 14. Пълната обвивка събира 2n² електрона: 2 за n = 1, 8 за n = 2 и 18 за n = 3. Тези капацитети обясняват защо блоковете на периодичната таблица са широки 2, 6, 10 и 14 колони.

Ред на запълване (ауфбау) и периодична таблица

В основно състояние електроните заемат подобвивките с най-ниска енергия, които са налични; това е принципът на построяването (ауфбау). При многоелектронен атом енергията на подобвивката зависи както от l, така и от n, защото s електрон прониква по-близо до ядрото от p или d електрон с подобно n и е по-малко екраниран от вътрешните електрони. Получилият се ред за неутрални атоми е 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Правилото n + l възпроизвежда този ред: запълвайте подобвивките по нарастване на n + l, а при равенство първо запълвайте тази с по-малко n. Така 4s (4 + 0 = 4) се запълва преди 3d (3 + 2 = 5). Можете да прочетете реда и от периодичната таблица. Като се движите по един период, минавате през s блока, после през f блока, ако го има, после през d блока и накрая през p блока, като d подобвивката е с една обвивка зад номера на периода, а f – с две.

Редът ви казва коя подобвивка получава следващия електрон при преминаване от един елемент към следващия. Той не означава, че 4s винаги има по-ниска енергия от 3d. Щом 3d се заеме, енергията ѝ пада под тази на 4s, затова катионите на преходните метали губят първо 4s електроните си.

Принцип на Паули, правило на Хунд и орбитални диаграми

Принципът на изключването на Паули гласи, че в един атом няма два електрона с едни и същи четири квантови числа. Два електрона в една орбитала вече споделят n, l и mₗ, така че трябва да имат противоположни спинове и никоя орбитала не може да побере трети.

Правилото на Хунд се прилага за изродените орбитали – тези с равна енергия в рамките на една подобвивка. Електроните ги заемат по един, с успоредни спинове, преди да започне каквото и да е сдвояване. Сдвояването повишава енергията, защото два електрона в една орбитала се отблъскват по-силно, докато успоредните спинове в отделни орбитали печелят обменна стабилизация. Затова 2p³ на азота има три несдвоени електрона, а 2p⁴ на кислорода има една двойка и два несдвоени електрона.

В орбиталната диаграма начертайте по една клетка за орбитала, запълвайте подобвивките по реда на построяването и в рамките на подобвивка поставяйте по една стрелка във всяка клетка, преди да добавите втора. Атомите с несдвоени електрони са парамагнитни и се привличат в магнитно поле; атомите, чиито електрони са всички сдвоени, са диамагнитни.

Решени примери: селен и цирконий

Пример 1: селен, Z = 34. Запълвайте по реда на построяването, докато се поставят 34 електрона: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Проверете общия брой: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. За запис с благороден газ заменете първите 18 електрона с [Ar], благородния газ, който завършва предишния период: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Подреждането на подобвивките по номер на обвивката, както тук, е обичайна конвенция; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ описва същата конфигурация в реда на запълване.

Четирите 4p електрона на селена се разпределят по три орбитали. Правилото на Хунд поставя по един във всяка и сдвоява четвъртия, което оставя два несдвоени електрона. Шестте му валентни електрона, 4s² 4p⁴, съответстват на външния модел на кислорода и сярата от група 16, затова селенът образува селенидния йон, Se²⁻, изоелектронен с криптона.

Пример 2: цирконий, Z = 40. След [Kr], който обхваща 36 електрона, остават четири. Следващите подобвивки са 5s и после 4d, което дава [Kr] 4d² 5s², в съответствие с данните на NIST за основно състояние. Двата 4d електрона заемат отделни орбитали с успоредни спинове, така че цирконият има два несдвоени електрона.

Хром, мед и изключения, които се противопоставят на простите правила

Редът на построяване предсказва [Ar] 3d⁴ 4s² за хрома и [Ar] 3d⁹ 4s² за медта. Спектроскопията показва [Ar] 3d⁵ 4s¹ и [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Тъй като 4s и 3d са близки по енергия в тези атоми, преместването на един електрон в 3d понижава общата енергия, подпомогнато от обменната стабилизация на наполовина запълнена или запълнена d подобвивка. Молибденът, [Kr] 4d⁵ 5s¹, и среброто, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, следват същия модел като елементите над тях.

Обяснението с наполовина запълнената подобвивка не е общо правило. Ниобият е [Kr] 4d⁴ 5s¹, макар че 4d подобвивката му не е нито наполовина запълнена, нито запълнена; паладият е [Kr] 4d¹⁰ без 5s електрони; а волфрамът, директно под молибдена, е [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Научете изключенията, които изисква вашият курс, от данните, вместо да ги извеждате от правило, което не се обобщава.

Конфигурации на едноатомни йони

При анион добавяйте електрони към следващата налична подобвивка: хлорът, [Ne] 3s² 3p⁵, става Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, изоелектронен с аргона. При катион отнемайте електрони първо от подобвивката с най-голямо n, а в рамките на тази обвивка – първо от p преди s. За преходен метал от първия ред това означава отнемане на 4s електроните преди всякакви 3d електрони.

Пример 3: железни йони. Желязото е [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ губи и двата 4s електрона и дава [Ar] 3d⁶, а Fe³⁺ губи още един, от 3d, и дава [Ar] 3d⁵. Проверете броя: желязото има 26 електрона, Fe²⁺ има 18 + 6 = 24, а Fe³⁺ има 18 + 5 = 23. Свободният йон Fe³⁺ има пет несдвоени електрона, по един във всяка 3d орбитала.

Същата логика важи в p блока. Калайът е [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², а Sn²⁺ губи двата си 5p електрона и става [Kr] 4d¹⁰ 5s². Медта(I) е [Ar] 3d¹⁰, защото единственият 4s електрон на медта си отива първи.

Чести грешки при записване на конфигурации

Повечето грешки в конфигурациите се свеждат до няколко модела и всеки може да се улови с бърза проверка, преди да продължите.

Когато въпросът пита за несдвоените електрони, начертайте орбиталната диаграма на частично запълнената подобвивка, вместо да преценявате по низа на конфигурацията. Когато пита за йон, първо запишете неутралния атом, после добавете или отнемете електрони.

• Отнемане на 3d електрони преди 4s: Fe²⁺ е [Ar] 3d⁶, а не [Ar] 3d⁴ 4s². Обичайните катиони от първия ред като Fe²⁺, Co²⁺ и Cu⁺ нямат 4s електрони.
• Използване на грешно ядро от благороден газ: ядрото е благородният газ от предишния период, [Ar] за елементите от 19 до 36.
• Грешно броене на електрони: горните индекси трябва да се сумират до Z за атом и до Z минус заряда за йон.
• Препълване на подобвивка, като 2p⁷ или 3d¹¹.
• Сдвояване на електрони в p или d подобвивка, преди всяка орбитала да съдържа по един.
• Поставяне на d блока в грешна обвивка: период 4 запълва 3d, а не 4d.
• Прилагане на модела на Cr и Cu към всеки елемент под тях без проверка на данните.