ইলেকট্রন বিন্যাস: আউফবাউ ক্রম, হুন্ডের নিয়ম ও আয়ন

শক্তিস্তর, উপস্তর ও অরবিটালের ধারণক্ষমতা

একটি পরমাণুর প্রতিটি ইলেকট্রন চারটি কোয়ান্টাম সংখ্যা দিয়ে বর্ণিত। মুখ্য কোয়ান্টাম সংখ্যা n (1, 2, 3, …) শক্তিস্তর ঠিক করে। কৌণিক ভরবেগ কোয়ান্টাম সংখ্যা l 0 থেকে n − 1 পর্যন্ত চলে এবং উপস্তর ঠিক করে: l = 0, 1, 2 ও 3-কে বলা হয় s, p, d ও f। চৌম্বক কোয়ান্টাম সংখ্যা mₗ −l থেকে +l পর্যন্ত চলে, তাই একটি উপস্তরে 2l + 1টি অরবিটাল থাকে। স্পিন কোয়ান্টাম সংখ্যা mₛ হলো +½ বা −½।

প্রতিটি অরবিটালে সর্বাধিক দুটি ইলেকট্রন থাকতে পারে বলে s উপস্তরে 2, p-তে 6, d-তে 10 এবং f-এ 14টি ইলেকট্রন থাকে। একটি পূর্ণ শক্তিস্তরে 2n² ইলেকট্রন থাকে: n = 1-এর জন্য 2, n = 2-এর জন্য 8 এবং n = 3-এর জন্য 18। এই ধারণক্ষমতার কারণেই পর্যায় সারণির ব্লকগুলো 2, 6, 10 ও 14টি কলাম চওড়া।

আউফবাউ পূরণ ক্রম ও পর্যায় সারণি

ভূমিস্তরে ইলেকট্রন সর্বনিম্ন শক্তির উপলব্ধ উপস্তরগুলো দখল করে; এটি আউফবাউ নীতি। বহু-ইলেকট্রন পরমাণুতে উপস্তরের শক্তি n-এর পাশাপাশি l-এর ওপরও নির্ভর করে, কারণ একটি s ইলেকট্রন সমান n-এর p বা d ইলেকট্রনের চেয়ে নিউক্লিয়াসের কাছে বেশি প্রবেশ করে এবং ভেতরের ইলেকট্রন দ্বারা কম আবৃত হয়। নিরপেক্ষ পরমাণুর জন্য ফলাফল ক্রমটি 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p।

n + l নিয়ম এই ক্রম পুনরুৎপাদন করে: n + l বাড়ার ক্রমে উপস্তর পূরণ করুন, এবং দুটি উপস্তরের মান সমান হলে কম n-এর উপস্তরটি আগে পূরণ করুন। তাই 4s (4 + 0 = 4) পূর্ণ হয় 3d-এর (3 + 2 = 5) আগে। ক্রমটি পর্যায় সারণি থেকেও পড়া যায়। একটি পর্যায় ধরে এগোলে আপনি s ব্লক, তারপর থাকলে f ব্লক, তারপর d ব্লক, তারপর p ব্লক পার হন, যেখানে d উপস্তর পর্যায় সংখ্যার চেয়ে এক শক্তিস্তর পেছনে এবং f উপস্তর দুই শক্তিস্তর পেছনে।

ক্রমটি বলে এক মৌল থেকে পরের মৌলে কোন উপস্তর পরের ইলেকট্রনটি পায়। এর মানে এই নয় যে 4s সবসময় 3d-এর চেয়ে কম শক্তির। 3d অধিকৃত হয়ে গেলে তার শক্তি 4s-এর নিচে নেমে যায়, আর এ কারণেই ট্রানজিশন ধাতুর ক্যাটায়ন প্রথমে 4s ইলেকট্রন হারায়।

পাউলির বর্জন নীতি, হুন্ডের নিয়ম ও অরবিটাল চিত্র

পাউলির বর্জন নীতি বলে, একটি পরমাণুতে কোনো দুটি ইলেকট্রনের চারটি কোয়ান্টাম সংখ্যা একই হতে পারে না। একই অরবিটালের দুটি ইলেকট্রন ইতিমধ্যে n, l ও mₗ ভাগ করে, তাই তাদের স্পিন বিপরীত হতে হবে, এবং কোনো অরবিটাল তৃতীয়টি ধারণ করতে পারে না।

হুন্ডের নিয়ম সমশক্তির অরবিটালের জন্য প্রযোজ্য, অর্থাৎ একটি উপস্তরের সমান শক্তির অরবিটাল। যুগ্ম হওয়া শুরুর আগে ইলেকট্রনগুলো সমান্তরাল স্পিনসহ একটি একটি করে সেগুলো দখল করে। যুগ্ম হলে শক্তি বাড়ে, কারণ এক অরবিটালের দুটি ইলেকট্রন বেশি বিকর্ষণ করে, আর আলাদা অরবিটালে সমান্তরাল স্পিন বিনিময় সুস্থিতি পায়। তাই নাইট্রোজেনের 2p³-এ তিনটি অযুগ্ম ইলেকট্রন, এবং অক্সিজেনের 2p⁴-এ একটি যুগল ও দুটি অযুগ্ম ইলেকট্রন।

অরবিটাল চিত্রে প্রতিটি অরবিটালের জন্য একটি বাক্স আঁকুন, আউফবাউ ক্রমে উপস্তর পূরণ করুন, এবং একটি উপস্তরে দ্বিতীয় তীর যোগ করার আগে প্রতিটি বাক্সে একটি করে তীর বসান। অযুগ্ম ইলেকট্রনযুক্ত পরমাণু প্যারাম্যাগনেটিক এবং চৌম্বক ক্ষেত্রে আকৃষ্ট হয়; যেসব পরমাণুর সব ইলেকট্রন যুগ্ম সেগুলো ডায়াম্যাগনেটিক।

সমাধান করা উদাহরণ: সেলেনিয়াম ও জিরকোনিয়াম

উদাহরণ 1: সেলেনিয়াম, Z = 34। 34টি ইলেকট্রন বসানো পর্যন্ত আউফবাউ ক্রমে পূরণ করুন: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴। মোট যাচাই করুন: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34। অভিজাত গ্যাস সংকেতের জন্য প্রথম 18টি ইলেকট্রনকে [Ar] দিয়ে প্রতিস্থাপন করুন, যা আগের পর্যায় শেষ করা অভিজাত গ্যাস: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴। এখানকার মতো শক্তিস্তর সংখ্যা অনুযায়ী উপস্তর সাজানো একটি প্রচলিত রীতি; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ পূরণ ক্রমে একই বিন্যাস বর্ণনা করে।

সেলেনিয়ামের চারটি 4p ইলেকট্রন তিনটি অরবিটালে ছড়িয়ে থাকে। হুন্ডের নিয়ম প্রতিটিতে একটি করে বসায় এবং চতুর্থটিকে যুগ্ম করে, ফলে দুটি অযুগ্ম ইলেকট্রন থাকে। এর ছয়টি যোজ্যতা ইলেকট্রন, 4s² 4p⁴, গ্রুপ 16-এর অক্সিজেন ও সালফারের বাইরের প্যাটার্নের সঙ্গে মেলে, আর এ কারণেই সেলেনিয়াম সেলেনাইড আয়ন, Se²⁻, গঠন করে, যা ক্রিপটনের সঙ্গে আইসোইলেকট্রনীয়।

উদাহরণ 2: জিরকোনিয়াম, Z = 40। [Kr]-এর পর, যা 36টি ইলেকট্রনের হিসাব দেয়, চারটি বাকি থাকে। পরবর্তী উপস্তর 5s এবং তারপর 4d, যা দেয় [Kr] 4d² 5s², আর এটি NIST-এর ভূমিস্তরের উপাত্তের সঙ্গে মেলে। দুটি 4d ইলেকট্রন সমান্তরাল স্পিনসহ আলাদা অরবিটালে থাকে, তাই জিরকোনিয়ামের দুটি অযুগ্ম ইলেকট্রন।

ক্রোমিয়াম, কপার এবং সরল নিয়মকে হার মানানো ব্যতিক্রম

আউফবাউ ক্রম ক্রোমিয়ামের জন্য [Ar] 3d⁴ 4s² এবং কপারের জন্য [Ar] 3d⁹ 4s² পূর্বানুমান করে। বর্ণালীবিক্ষণ দেখায় [Ar] 3d⁵ 4s¹ এবং [Ar] 3d¹⁰ 4s¹। এই পরমাণুগুলোতে 4s ও 3d শক্তিতে কাছাকাছি বলে একটি ইলেকট্রন 3d-তে সরলে মোট শক্তি কমে, যাতে সাহায্য করে অর্ধপূর্ণ বা পূর্ণ d উপস্তরের বিনিময় সুস্থিতি। মলিবডেনাম, [Kr] 4d⁵ 5s¹, এবং সিলভার, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, তাদের ওপরের মৌলগুলোর একই প্যাটার্ন অনুসরণ করে।

অর্ধপূর্ণ উপস্তরের ব্যাখ্যা কোনো সাধারণ নিয়ম নয়। নায়োবিয়াম [Kr] 4d⁴ 5s¹, যদিও এর 4d উপস্তর শেষে অর্ধপূর্ণও নয়, পূর্ণও নয়; প্যালাডিয়াম [Kr] 4d¹⁰, কোনো 5s ইলেকট্রন ছাড়া; এবং টাংস্টেন, মলিবডেনামের ঠিক নিচে, [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s²। আপনার কোর্সে যে ব্যতিক্রমগুলো লাগে সেগুলো এমন নিয়ম থেকে নির্ণয় না করে উপাত্ত থেকে শিখুন যা সাধারণীকরণ হয় না।

একপরমাণুক আয়নের বিন্যাস

অ্যানায়নের জন্য পরবর্তী উপলব্ধ উপস্তরে ইলেকট্রন যোগ করুন: ক্লোরিন, [Ne] 3s² 3p⁵, হয়ে যায় Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, আর্গনের সঙ্গে আইসোইলেকট্রনীয়। ক্যাটায়নের জন্য সবচেয়ে বড় n-এর উপস্তর থেকে আগে ইলেকট্রন সরান, এবং সেই শক্তিস্তরের মধ্যে s-এর আগে p থেকে। প্রথম সারির ট্রানজিশন ধাতুর ক্ষেত্রে এর অর্থ কোনো 3d ইলেকট্রনের আগে 4s ইলেকট্রন সরানো।

উদাহরণ 3: আয়রনের আয়ন। আয়রন [Ar] 3d⁶ 4s²। Fe²⁺ দুটি 4s ইলেকট্রনই হারিয়ে [Ar] 3d⁶ দেয়, এবং Fe³⁺ আরও একটি, 3d থেকে, হারিয়ে [Ar] 3d⁵ দেয়। সংখ্যা যাচাই করুন: আয়রনে 26টি ইলেকট্রন, Fe²⁺-এ 18 + 6 = 24 এবং Fe³⁺-এ 18 + 5 = 23। মুক্ত Fe³⁺ আয়নে পাঁচটি অযুগ্ম ইলেকট্রন, প্রতিটি 3d অরবিটালে একটি করে।

p ব্লকেও একই যুক্তি খাটে। টিন [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², এবং Sn²⁺ তার দুটি 5p ইলেকট্রন হারিয়ে [Kr] 4d¹⁰ 5s² হয়। কপার(I) হলো [Ar] 3d¹⁰, কারণ কপারের একক 4s ইলেকট্রনটি প্রথমে যায়।

বিন্যাস লেখার সাধারণ ভুল

বেশিরভাগ বিন্যাসের ভুল কয়েকটি প্যাটার্নে পড়ে, এবং এগিয়ে যাওয়ার আগে প্রতিটি একটি দ্রুত যাচাইয়ে ধরা যায়।

কোনো প্রশ্নে অযুগ্ম ইলেকট্রন চাইলে বিন্যাসের স্ট্রিং দেখে বিচার না করে আংশিক পূর্ণ উপস্তরের অরবিটাল চিত্র আঁকুন। প্রশ্নে আয়ন চাইলে আগে নিরপেক্ষ পরমাণু লিখুন, তারপর ইলেকট্রন যোগ বা বিয়োগ করুন।

• 4s-এর আগে 3d ইলেকট্রন সরানো: Fe²⁺ হলো [Ar] 3d⁶, [Ar] 3d⁴ 4s² নয়। Fe²⁺, Co²⁺ ও Cu⁺-এর মতো প্রচলিত প্রথম সারির ক্যাটায়নে কোনো 4s ইলেকট্রন থাকে না।
• ভুল অভিজাত গ্যাস কোর ব্যবহার করা: কোর হলো আগের পর্যায়ের অভিজাত গ্যাস, 19 থেকে 36 পরমাণু ক্রমাঙ্কের মৌলের জন্য [Ar]।
• ইলেকট্রন ভুল গোনা: সুপারস্ক্রিপ্টগুলোর যোগফল পরমাণুর জন্য Z এবং আয়নের জন্য Z বিয়োগ চার্জের সমান হতে হবে।
• 2p⁷ বা 3d¹¹-এর মতো কোনো উপস্তর ছাপিয়ে পূরণ করা।
• প্রতিটি অরবিটালে একটি করে ইলেকট্রন বসার আগেই p বা d উপস্তরে ইলেকট্রন যুগ্ম করা।
• d ব্লককে ভুল শক্তিস্তরে বসানো: পর্যায় 4-এ পূর্ণ হয় 3d, 4d নয়।
• উপাত্ত না দেখে Cr ও Cu-এর প্যাটার্ন তাদের নিচের প্রতিটি মৌলে প্রয়োগ করা।