Elektronkonfigurationer: opbygningsrækkefølge, Hunds regel og ioner

Skaller, underskaller og orbitalers kapacitet

Hvert elektron i et atom beskrives af fire kvantetal. Hovedkvantetallet n (1, 2, 3, …) fastlægger skallen. Impulsmomentkvantetallet l løber fra 0 til n − 1 og fastlægger underskallen: l = 0, 1, 2 og 3 betegnes s, p, d og f. Det magnetiske kvantetal mₗ løber fra −l til +l, så en underskal indeholder 2l + 1 orbitaler. Spinkvantetallet mₛ er +½ eller −½.

Fordi hver orbital højst rummer to elektroner, rummer en s-underskal 2, p rummer 6, d rummer 10, og f rummer 14. En fuld skal rummer 2n² elektroner: 2 for n = 1, 8 for n = 2 og 18 for n = 3. Disse kapaciteter er grunden til, at det periodiske systems blokke er 2, 6, 10 og 14 kolonner brede.

Opbygningsrækkefølgen (aufbau) og det periodiske system

I grundtilstanden besætter elektronerne de tilgængelige underskaller med lavest energi; det er opbygningsprincippet (aufbau). I et atom med mange elektroner afhænger underskallens energi af l såvel som n, fordi et s-elektron trænger tættere ind mod kernen end et p- eller d-elektron med omtrent samme n og er mindre afskærmet af de indre elektroner. Den resulterende rækkefølge for neutrale atomer er 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

N + l-reglen gengiver denne rækkefølge: fyld underskaller i rækkefølge efter stigende n + l, og når to underskaller står lige, så fyld den med lavest n først. Så 4s (4 + 0 = 4) fyldes før 3d (3 + 2 = 5). Du kan også aflæse rækkefølgen i det periodiske system. Når du bevæger dig hen over en periode, passerer du s-blokken, derefter f-blokken, hvis den findes, så d-blokken og så p-blokken, hvor d-underskallen ligger én skal bag periodenummeret og f-underskallen to bag.

Rækkefølgen fortæller, hvilken underskal der får det næste elektron fra ét grundstof til det næste. Det betyder ikke, at 4s altid ligger lavere i energi end 3d. Når 3d er besat, falder dens energi under 4s, og det er grunden til, at kationer af overgangsmetaller mister deres 4s-elektroner først.

Paulis udelukkelsesprincip, Hunds regel og orbitaldiagrammer

Paulis udelukkelsesprincip siger, at ingen to elektroner i et atom har de samme fire kvantetal. To elektroner i én orbital har allerede n, l og mₗ til fælles, så de må have modsatrettede spin, og ingen orbital kan rumme et tredje.

Hunds regel gælder for degenererede orbitaler, altså orbitaler med samme energi inden for en underskal. Elektronerne besætter dem enkeltvis med parallelle spin, før nogen parring begynder. Parring hæver energien, fordi to elektroner i én orbital frastøder hinanden stærkere, mens parallelle spin i separate orbitaler vinder udvekslingsstabilisering. Nitrogens 2p³ har derfor tre uparrede elektroner, og oxygens 2p⁴ har ét par og to uparrede elektroner.

I et orbitaldiagram tegner du ét felt pr. orbital, fylder underskaller i opbygningsrækkefølge, og inden for en underskal sætter du én pil i hvert felt, før du tilføjer en anden. Atomer med uparrede elektroner er paramagnetiske og trækkes ind i et magnetfelt; atomer, hvor alle elektroner er parret, er diamagnetiske.

Gennemregnede eksempler: selen og zirconium

Eksempel 1: selen, Z = 34. Fyld i opbygningsrækkefølge, indtil 34 elektroner er placeret: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Kontrollér summen: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Til ædelgasnotation erstatter du de første 18 elektroner med [Ar], den ædelgas, der afslutter den foregående periode: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. At opstille underskaller efter skalnummer, som her, er en almindelig konvention; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ beskriver den samme konfiguration i opfyldningsrækkefølge.

Selens fire 4p-elektroner fordeler sig på tre orbitaler. Hunds regel sætter ét i hver og parrer det fjerde, så der er to uparrede elektroner. De seks valenselektroner, 4s² 4p⁴, svarer til det ydre mønster hos oxygen og svovl i gruppe 16, og derfor danner selen selenidionen, Se²⁻, som er isoelektronisk med krypton.

Eksempel 2: zirconium, Z = 40. Efter [Kr], der står for 36 elektroner, er der fire tilbage. De næste underskaller er 5s og derefter 4d, hvilket giver [Kr] 4d² 5s², i overensstemmelse med NIST's data for grundtilstanden. De to 4d-elektroner besætter separate orbitaler med parallelle spin, så zirconium har to uparrede elektroner.

Chrom, kobber og undtagelser, der trodser simple regler

Opbygningsrækkefølgen forudsiger [Ar] 3d⁴ 4s² for chrom og [Ar] 3d⁹ 4s² for kobber. Spektroskopi viser [Ar] 3d⁵ 4s¹ og [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Fordi 4s og 3d ligger tæt på hinanden i energi i disse atomer, sænker det den samlede energi at flytte ét elektron over i 3d, hjulpet af udvekslingsstabiliseringen i en halvt fyldt eller fyldt d-underskal. Molybdæn, [Kr] 4d⁵ 5s¹, og sølv, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, følger det samme mønster som grundstofferne over dem.

Forklaringen med den halvt fyldte underskal er ikke en generel regel. Niobium er [Kr] 4d⁴ 5s¹, selvom dets 4d-underskal ender med hverken at være halvt fyldt eller fyldt; palladium er [Kr] 4d¹⁰ uden 5s-elektroner; og wolfram, lige under molybdæn, er [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Lær de undtagelser, dit kursus kræver, ud fra data frem for at udlede dem af en regel, der ikke kan generaliseres.

Konfigurationer af monoatomare ioner

For en anion tilføjer du elektroner til den næste tilgængelige underskal: chlor, [Ne] 3s² 3p⁵, bliver til Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, isoelektronisk med argon. For en kation fjerner du først elektroner fra underskallen med højest n, og inden for den skal fra p før s. For et overgangsmetal i første række tages 4s-elektronerne før nogen 3d-elektroner.

Eksempel 3: jernioner. Jern er [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ mister begge 4s-elektroner og bliver til [Ar] 3d⁶, og Fe³⁺ mister endnu et, fra 3d, og bliver til [Ar] 3d⁵. Kontrollér optællingen: jern har 26 elektroner, Fe²⁺ har 18 + 6 = 24, og Fe³⁺ har 18 + 5 = 23. Den frie Fe³⁺-ion har fem uparrede elektroner, ét i hver 3d-orbital.

Den samme logik gælder i p-blokken. Tin er [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², og Sn²⁺ mister sine to 5p-elektroner og bliver til [Kr] 4d¹⁰ 5s². Kobber(I) er [Ar] 3d¹⁰, fordi kobbers enlige 4s-elektron forlader atomet først.

Almindelige fejl, når man skriver konfigurationer

De fleste konfigurationsfejl falder i nogle få mønstre, og hver kan fanges med en hurtig kontrol, før du går videre.

Når et spørgsmål beder om uparrede elektroner, så tegn orbitaldiagrammet for den delvist fyldte underskal i stedet for at gå ud fra konfigurationsstrengen. Når det handler om en ion, så skriv først det neutrale atom og tilføj eller fjern derefter elektroner.

• At fjerne 3d-elektroner før 4s: Fe²⁺ er [Ar] 3d⁶, ikke [Ar] 3d⁴ 4s². Almindelige kationer i første række som Fe²⁺, Co²⁺ og Cu⁺ har ingen 4s-elektroner.
• At bruge den forkerte ædelgaskerne: kernen er ædelgassen fra den foregående periode, [Ar] for grundstofferne 19 til 36.
• At tælle elektroner forkert: eksponenterne skal summere til Z for et atom og til Z minus ladningen for en ion.
• At overfylde en underskal, som 2p⁷ eller 3d¹¹.
• At parre elektroner i en p- eller d-underskal, før hver orbital har ét.
• At placere d-blokken i den forkerte skal: periode 4 fylder 3d, ikke 4d.
• At anvende Cr- og Cu-mønsteret på hvert grundstof under dem uden at tjekke data.