آرایش الکترونی: ترتیب آفبا، قاعده هوند و یون‌ها

لایه‌ها، زیرلایه‌ها و ظرفیت اوربیتال

هر الکترون در اتم با چهار عدد کوانتومی توصیف می‌شود. عدد کوانتومی اصلی n (1, 2, 3, …) لایه را تعیین می‌کند. عدد کوانتومی تکانه زاویه‌ای l از 0 تا n − 1 است و زیرلایه را تعیین می‌کند: l = 0، 1، 2 و 3 با s، p، d و f نامیده می‌شوند. عدد کوانتومی مغناطیسی mₗ از −l تا +l است، پس یک زیرلایه 2l + 1 اوربیتال دارد. عدد کوانتومی اسپین mₛ برابر +½ یا −½ است.

چون هر اوربیتال حداکثر دو الکترون می‌گیرد، زیرلایه s ظرفیت 2، p ظرفیت 6، d ظرفیت 10 و f ظرفیت 14 دارد. یک لایه کامل 2n² الکترون می‌گیرد: 2 برای n = 1، 8 برای n = 2 و 18 برای n = 3. به همین دلیل بلوک‌های جدول تناوبی 2، 6، 10 و 14 ستون پهنا دارند.

ترتیب پرشدن آفبا و جدول تناوبی

در حالت پایه، الکترون‌ها کم‌انرژی‌ترین زیرلایه‌های در دسترس را اشغال می‌کنند؛ این اصل آفبا است. در اتم چندالکترونی، انرژی زیرلایه علاوه بر n به l هم بستگی دارد، چون الکترون s نسبت به الکترون p یا d با n مشابه عمیق‌تر به هسته نفوذ می‌کند و کمتر توسط الکترون‌های درونی پوشانده می‌شود. ترتیب حاصل برای اتم‌های خنثی 1s، 2s، 2p، 3s، 3p، 4s، 3d، 4p، 5s، 4d، 5p، 6s، 4f، 5d، 6p، 7s، 5f، 6d، 7p است.

قاعده n + l این ترتیب را بازتولید می‌کند: زیرلایه‌ها را به ترتیب افزایش n + l پر کنید، و وقتی دو زیرلایه برابر بودند، آن را که n کمتری دارد زودتر پر کنید. پس 4s (4 + 0 = 4) پیش از 3d (3 + 2 = 5) پر می‌شود. ترتیب را از جدول تناوبی هم می‌توان خواند. با حرکت در طول یک دوره، از بلوک s می‌گذرید، سپس بلوک f اگر باشد، سپس بلوک d و بعد بلوک p، با زیرلایه d که یک لایه عقب‌تر از شماره دوره است و زیرلایه f که دو لایه عقب‌تر است.

ترتیب به شما می‌گوید الکترون بعدی از یک عنصر به عنصر بعدی به کدام زیرلایه می‌رود. این به آن معنا نیست که 4s همیشه انرژی کمتری از 3d دارد. پس از اشغال 3d، انرژی آن زیر انرژی 4s می‌رود، و به همین دلیل کاتیون‌های فلزهای واسطه نخست الکترون‌های 4s خود را از دست می‌دهند.

طرد پائولی، قاعده هوند و نمودارهای اوربیتال

اصل طرد پائولی می‌گوید هیچ دو الکترونی در اتم هر چهار عدد کوانتومی یکسان ندارند. دو الکترون در یک اوربیتال پیش‌تر n، l و mₗ مشترک دارند، پس باید اسپین مخالف داشته باشند و هیچ اوربیتالی نمی‌تواند الکترون سومی بگیرد.

قاعده هوند درباره اوربیتال‌های تبهگن است، یعنی اوربیتال‌های هم‌انرژی درون یک زیرلایه. الکترون‌ها پیش از آغاز هر جفت‌شدنی، آن‌ها را تک‌تک و با اسپین‌های موازی اشغال می‌کنند. جفت‌شدن انرژی را بالا می‌برد چون دو الکترون در یک اوربیتال بیشتر یکدیگر را می‌رانند، در حالی که اسپین‌های موازی در اوربیتال‌های جدا پایداری تبادلی کسب می‌کنند. بنابراین 2p³ نیتروژن سه الکترون جفت‌نشده دارد و 2p⁴ اکسیژن یک جفت و دو الکترون جفت‌نشده.

در نمودار اوربیتال، برای هر اوربیتال یک جعبه بکشید، زیرلایه‌ها را به ترتیب آفبا پر کنید و درون یک زیرلایه، پیش از افزودن پیکان دوم، در هر جعبه یک پیکان بگذارید. اتم‌های دارای الکترون جفت‌نشده پارامغناطیس‌اند و به میدان مغناطیسی کشیده می‌شوند؛ اتم‌هایی که همه الکترون‌هایشان جفت است دیامغناطیس‌اند.

مثال‌های حل‌شده: سلنیم و زیرکونیم

مثال 1: سلنیم، Z = 34. به ترتیب آفبا پر کنید تا 34 الکترون جای بگیرد: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. مجموع را بررسی کنید: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. برای نمادگذاری گاز نجیب، 18 الکترون اول را با [Ar]، گاز نجیبی که دوره پیشین را به پایان می‌رساند، جایگزین کنید: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. فهرست‌کردن زیرلایه‌ها بر اساس شماره لایه، مانند اینجا، قراردادی رایج است؛ [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ همان آرایش را به ترتیب پرشدن توصیف می‌کند.

چهار الکترون 4p سلنیم میان سه اوربیتال پخش می‌شوند. قاعده هوند در هر اوربیتال یکی می‌گذارد و چهارمی را جفت می‌کند و دو الکترون جفت‌نشده باقی می‌ماند. شش الکترون ظرفیت آن، 4s² 4p⁴، با الگوی بیرونی اکسیژن و گوگرد در گروه 16 می‌خواند، و به همین دلیل سلنیم یون سلنید، Se²⁻، را می‌سازد که با کریپتون هم‌الکترون است.

مثال 2: زیرکونیم، Z = 40. پس از [Kr] که 36 الکترون را در بر می‌گیرد، چهار الکترون باقی می‌ماند. زیرلایه‌های بعدی 5s و سپس 4d هستند که [Kr] 4d² 5s² را می‌دهد و با داده‌های حالت پایه NIST می‌خواند. دو الکترون 4d در اوربیتال‌های جدا با اسپین موازی قرار می‌گیرند، پس زیرکونیم دو الکترون جفت‌نشده دارد.

کروم، مس و استثناهایی که در برابر قواعد ساده مقاومت می‌کنند

ترتیب آفبا برای کروم [Ar] 3d⁴ 4s² و برای مس [Ar] 3d⁹ 4s² را پیش‌بینی می‌کند. طیف‌سنجی [Ar] 3d⁵ 4s¹ و [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ را نشان می‌دهد. چون 4s و 3d در این اتم‌ها انرژی نزدیکی دارند، منتقل‌کردن یک الکترون به 3d انرژی کل را کاهش می‌دهد، با کمک پایداری تبادلی زیرلایه d نیمه‌پر یا پر. مولیبدن، [Kr] 4d⁵ 5s¹، و نقره، [Kr] 4d¹⁰ 5s¹، از همان الگوی عنصرهای بالای خود پیروی می‌کنند.

توضیح زیرلایه نیمه‌پر قاعده‌ای عمومی نیست. نیوبیم [Kr] 4d⁴ 5s¹ است، هرچند زیرلایه 4d آن نه نیمه‌پر است و نه پر؛ پالادیم [Kr] 4d¹⁰ است بدون الکترون 5s؛ و تنگستن، که درست زیر مولیبدن است، [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s² است. استثناهایی را که درستان لازم دارد از روی داده‌ها بیاموزید، نه با استخراج از قاعده‌ای که تعمیم‌پذیر نیست.

آرایش یون‌های تک‌اتمی

برای آنیون، الکترون‌ها را به زیرلایه در دسترس بعدی اضافه کنید: کلر، [Ne] 3s² 3p⁵، به Cl⁻، [Ne] 3s² 3p⁶، تبدیل می‌شود که با آرگون هم‌الکترون است. برای کاتیون، الکترون‌ها را ابتدا از زیرلایه‌ای با بیشترین n بردارید، و درون آن لایه از p پیش از s. برای فلز واسطه ردیف اول، این یعنی الکترون‌های 4s پیش از هر الکترون 3d برداشته می‌شوند.

مثال 3: یون‌های آهن. آهن [Ar] 3d⁶ 4s² است. Fe²⁺ هر دو الکترون 4s را از دست می‌دهد و [Ar] 3d⁶ می‌شود، و Fe³⁺ یکی دیگر، از 3d، از دست می‌دهد و [Ar] 3d⁵ می‌شود. شمارش‌ها را بررسی کنید: آهن 26 الکترون دارد، Fe²⁺ برابر 18 + 6 = 24 و Fe³⁺ برابر 18 + 5 = 23 الکترون دارد. یون آزاد Fe³⁺ پنج الکترون جفت‌نشده دارد، یکی در هر اوربیتال 3d.

همین منطق در بلوک p هم صدق می‌کند. قلع [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p² است و Sn²⁺ دو الکترون 5p خود را از دست می‌دهد و [Kr] 4d¹⁰ 5s² می‌شود. مس(I) برابر [Ar] 3d¹⁰ است، چون تک‌الکترون 4s مس زودتر می‌رود.

اشتباه‌های رایج هنگام نوشتن آرایش

بیشتر خطاهای آرایش در چند الگو می‌گنجند و هر کدام را می‌توان پیش از ادامه با بررسی سریعی گرفت.

وقتی پرسشی الکترون‌های جفت‌نشده می‌خواهد، نمودار اوربیتال زیرلایه نیمه‌پر را بکشید، نه آنکه از روی رشته آرایش قضاوت کنید. وقتی درباره یون می‌پرسد، ابتدا اتم خنثی را بنویسید، سپس الکترون اضافه یا کم کنید.

• برداشتن الکترون‌های 3d پیش از 4s: Fe²⁺ برابر [Ar] 3d⁶ است، نه [Ar] 3d⁴ 4s². کاتیون‌های رایج ردیف اول مانند Fe²⁺، Co²⁺ و Cu⁺ الکترون 4s ندارند.
• استفاده از مغز گاز نجیب نادرست: مغز، گاز نجیب دوره پیشین است، [Ar] برای عنصرهای 19 تا 36.
• اشتباه شمردن الکترون‌ها: بالانویس‌ها باید برای اتم به Z و برای یون به Z منهای بار برسند.
• پُرکردن بیش از حد زیرلایه، مانند 2p⁷ یا 3d¹¹.
• جفت‌کردن الکترون‌ها در زیرلایه p یا d پیش از آنکه هر اوربیتال یکی داشته باشد.
• گذاشتن بلوک d در لایه نادرست: دوره 4، 3d را پر می‌کند، نه 4d را.
• به‌کاربردن الگوی Cr و Cu برای هر عنصر زیر آن‌ها بدون بررسی داده‌ها.