Configuracions electròniques: ordre d'aufbau, regla de Hund i ions

Capes, subcapes i capacitat dels orbitals

Cada electró d'un àtom es descriu amb quatre nombres quàntics. El nombre quàntic principal n (1, 2, 3, …) determina la capa. El nombre quàntic de moment angular l va de 0 a n − 1 i determina la subcapa: l = 0, 1, 2 i 3 s'etiqueten s, p, d i f. El nombre quàntic magnètic mₗ va de −l a +l, de manera que una subcapa conté 2l + 1 orbitals. El nombre quàntic d'espín mₛ és +½ o −½.

Com que cada orbital conté com a màxim dos electrons, una subcapa s en conté 2, la p en conté 6, la d en conté 10 i la f en conté 14. Una capa completa conté 2n² electrons: 2 per a n = 1, 8 per a n = 2 i 18 per a n = 3. Aquestes capacitats expliquen per què els blocs de la taula periòdica tenen 2, 6, 10 i 14 columnes d'amplada.

Ordre d'ompliment d'aufbau i taula periòdica

En l'estat fonamental, els electrons ocupen les subcapes de menor energia disponibles; aquest és el principi d'aufbau. En un àtom amb molts electrons, l'energia d'una subcapa depèn de l així com de n, perquè un electró s penetra més a prop del nucli que un electró p o d de valor de n semblant i està menys apantallat pels electrons interns. L'ordre resultant per als àtoms neutres és 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

La regla n + l reprodueix aquest ordre: omple les subcapes per ordre creixent de n + l, i quan dues subcapes empaten, omple primer la de n menor. Així, la 4s (4 + 0 = 4) s'omple abans que la 3d (3 + 2 = 5). També pots llegir l'ordre a la taula periòdica. Quan avances al llarg d'un període, passes pel bloc s, després pel bloc f si n'hi ha, després pel bloc d i després pel bloc p, amb la subcapa d una capa per darrere del nombre del període i la subcapa f dues per darrere.

L'ordre indica quina subcapa rep el següent electró d'un element al següent. No vol dir que la 4s sempre tingui menys energia que la 3d. Quan la 3d està ocupada, la seva energia baixa per sota de la de la 4s, motiu pel qual els cations dels metalls de transició perden primer els electrons 4s.

Exclusió de Pauli, regla de Hund i diagrames d'orbitals

El principi d'exclusió de Pauli estableix que dos electrons d'un àtom no poden compartir els quatre nombres quàntics. Dos electrons en un mateix orbital ja comparteixen n, l i mₗ, de manera que han de tenir espíns oposats, i cap orbital no en pot contenir un tercer.

La regla de Hund s'aplica als orbitals degenerats, els que tenen la mateixa energia dins d'una subcapa. Els electrons els ocupen d'un en un, amb espíns paral·lels, abans que comenci cap aparellament. L'aparellament augmenta l'energia perquè dos electrons en un mateix orbital es repel·leixen més fortament, mentre que els espíns paral·lels en orbitals separats guanyen estabilització d'intercanvi. El 2p³ del nitrogen té, doncs, tres electrons desaparellats, i el 2p⁴ de l'oxigen té una parella i dos electrons desaparellats.

En un diagrama d'orbitals, dibuixa una caixa per orbital, omple les subcapes per ordre d'aufbau i, dins d'una subcapa, posa una fletxa a cada caixa abans d'afegir-ne una segona. Els àtoms amb electrons desaparellats són paramagnètics i són atrets cap a un camp magnètic; els àtoms amb tots els electrons aparellats són diamagnètics.

Exemples resolts: seleni i zirconi

Exemple 1: seleni, Z = 34. Omple per ordre d'aufbau fins a col·locar 34 electrons: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Comprova el total: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Per a la notació de gas noble, substitueix els primers 18 electrons per [Ar], el gas noble que acaba el període anterior: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Enumerar les subcapes pel nombre de capa, com aquí, és un conveni habitual; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ descriu la mateixa configuració en ordre d'ompliment.

Els quatre electrons 4p del seleni es distribueixen en tres orbitals. La regla de Hund en posa un a cadascun i aparella el quart, de manera que queden dos electrons desaparellats. Els seus sis electrons de valència, 4s² 4p⁴, coincideixen amb el patró extern de l'oxigen i el sofre del grup 16, motiu pel qual el seleni forma l'ió seleniür, Se²⁻, isoelectrònic amb el criptó.

Exemple 2: zirconi, Z = 40. Després de [Kr], que conté 36 electrons, en queden quatre. Les subcapes següents són la 5s i després la 4d, cosa que dona [Kr] 4d² 5s², que concorda amb les dades de l'estat fonamental del NIST. Els dos electrons 4d ocupen orbitals separats amb espíns paral·lels, de manera que el zirconi té dos electrons desaparellats.

El crom, el coure i les excepcions que resisteixen les regles senzilles

L'ordre d'aufbau prediu [Ar] 3d⁴ 4s² per al crom i [Ar] 3d⁹ 4s² per al coure. L'espectroscòpia mostra [Ar] 3d⁵ 4s¹ i [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Com que la 4s i la 3d tenen energies properes en aquests àtoms, passar un electró a la 3d redueix l'energia total, ajudat per l'estabilització d'intercanvi d'una subcapa d mig plena o plena. El molibdè, [Kr] 4d⁵ 5s¹, i la plata, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, segueixen el mateix patró que els elements que tenen a sobre.

L'explicació de la subcapa mig plena no és una regla general. El niobi és [Kr] 4d⁴ 5s¹ tot i que la seva subcapa 4d no acaba ni mig plena ni plena; el pal·ladi és [Kr] 4d¹⁰ sense electrons 5s; i el tungstè, just sota el molibdè, és [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Aprèn les excepcions que exigeix el teu curs a partir de dades i no derivant-les d'una regla que no es generalitza.

Configuracions d'ions monoatòmics

Per a un anió, afegeix electrons a la subcapa disponible següent: el clor, [Ne] 3s² 3p⁵, es converteix en Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, isoelectrònic amb l'argó. Per a un catió, treu primer els electrons de la subcapa amb la n més alta, i dins d'aquesta capa primer els p abans que els s. En un metall de transició de la primera sèrie, això vol dir treure els electrons 4s abans que qualsevol electró 3d.

Exemple 3: ions de ferro. El ferro és [Ar] 3d⁶ 4s². El Fe²⁺ perd els dos electrons 4s i dona [Ar] 3d⁶, i el Fe³⁺ en perd un més, de la 3d, i dona [Ar] 3d⁵. Comprova els recomptes: el ferro té 26 electrons, el Fe²⁺ en té 18 + 6 = 24 i el Fe³⁺ en té 18 + 5 = 23. L'ió Fe³⁺ lliure té cinc electrons desaparellats, un a cada orbital 3d.

La mateixa lògica s'aplica al bloc p. L'estany és [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², i l'Sn²⁺ perd els seus dos electrons 5p i es converteix en [Kr] 4d¹⁰ 5s². El coure(I) és [Ar] 3d¹⁰, perquè l'únic electró 4s del coure és el primer a marxar.

Errors habituals en escriure configuracions

La majoria dels errors de configuració segueixen uns quants patrons, i cadascun es pot detectar amb una comprovació ràpida abans de continuar.

Quan una pregunta demana electrons desaparellats, dibuixa el diagrama d'orbitals de la subcapa parcialment plena en lloc de jutjar a partir de la cadena de la configuració. Quan pregunta per un ió, escriu primer l'àtom neutre i després afegeix o treu electrons.

• Treure electrons 3d abans que 4s: el Fe²⁺ és [Ar] 3d⁶, no [Ar] 3d⁴ 4s². Els cations habituals de la primera sèrie, com el Fe²⁺, el Co²⁺ i el Cu⁺, no tenen electrons 4s.
• Fer servir el nucli de gas noble equivocat: el nucli és el gas noble del període anterior, [Ar] per als elements del 19 al 36.
• Comptar malament els electrons: els superíndexs han de sumar Z per a un àtom i Z menys la càrrega per a un ió.
• Omplir en excés una subcapa, com 2p⁷ o 3d¹¹.
• Aparellar electrons en una subcapa p o d abans que cada orbital en tingui un.
• Situar el bloc d a la capa equivocada: el període 4 omple la 3d, no la 4d.
• Aplicar el patró del Cr i el Cu a tots els elements que hi ha a sota sense comprovar les dades.