Elektronikonfiguraatiot: rakentumisjärjestys, Hundin sääntö ja ionit

Kuoret, alakuoret ja orbitaalien kapasiteetti

Jokaista atomin elektronia kuvaavat neljä kvanttilukua. Pääkvanttiluku n (1, 2, 3, …) määrää kuoren. Sivukvanttiluku l saa arvot 0:sta arvoon n − 1 ja määrää alakuoren: l = 0, 1, 2 ja 3 merkitään s, p, d ja f. Magneettinen kvanttiluku mₗ saa arvot −l:stä +l:ään, joten alakuori sisältää 2l + 1 orbitaalia. Spinkvanttiluku mₛ on +½ tai −½.

Koska kukin orbitaali mahtuu korkeintaan kaksi elektronia, s-alakuoreen mahtuu 2, p-alakuoreen 6, d-alakuoreen 10 ja f-alakuoreen 14. Täyteen kuoreen mahtuu 2n² elektronia: 2, kun n = 1, 8, kun n = 2, ja 18, kun n = 3. Näiden kapasiteettien vuoksi jaksollisen järjestelmän lohkot ovat 2, 6, 10 ja 14 saraketta leveitä.

Rakentumisjärjestys ja jaksollinen järjestelmä

Perustilassa elektronit miehittävät alimman energian alakuoret, jotka ovat käytettävissä; tämä on rakentumisperiaate (aufbau). Monielektronisessa atomissa alakuoren energia riippuu l:stä n:n lisäksi, koska s-elektroni tunkeutuu lähemmäs ydintä kuin samankaltaisen n:n p- tai d-elektroni ja sisemmät elektronit suojaavat sitä vähemmän. Tuloksena oleva järjestys neutraaleille atomeille on 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

n + l -sääntö tuottaa saman järjestyksen: täytä alakuoret n + l:n kasvavassa järjestyksessä, ja kun kahdella alakuorella on sama arvo, täytä ensin pienemmän n:n alakuori. Siksi 4s (4 + 0 = 4) täyttyy ennen 3d:tä (3 + 2 = 5). Järjestyksen voi lukea myös jaksollisesta järjestelmästä. Jaksoa pitkin edetessäsi kuljet s-lohkon läpi, sitten f-lohkon, jos sellainen on, sitten d-lohkon ja lopuksi p-lohkon; d-alakuori on yhden kuoren jaksonumeroa jäljessä ja f-alakuori kaksi.

Järjestys kertoo, mikä alakuori saa seuraavan elektronin alkuaineesta toiseen siirryttäessä. Se ei tarkoita, että 4s olisi aina energialtaan alempi kuin 3d. Kun 3d on miehitetty, sen energia laskee 4s:n alapuolelle, minkä vuoksi siirtymämetallien kationit luovuttavat ensin 4s-elektroninsa.

Paulin kieltosääntö, Hundin sääntö ja orbitaalikaaviot

Paulin kieltosäännön mukaan atomissa ei ole kahta elektronia, joilla olisi samat neljä kvanttilukua. Kahdella samassa orbitaalissa olevalla elektronilla on jo samat n, l ja mₗ, joten niillä täytyy olla vastakkaiset spinit, eikä mihinkään orbitaaliin mahdu kolmatta.

Hundin sääntö koskee degeneroituneita orbitaaleja, joilla on sama energia alakuoren sisällä. Elektronit miehittävät ne yksitellen, yhdensuuntaisin spinein, ennen kuin pariutuminen alkaa. Pariutuminen nostaa energiaa, koska kaksi samassa orbitaalissa olevaa elektronia hylkii toisiaan voimakkaammin, kun taas yhdensuuntaiset spinit eri orbitaaleissa saavat vaihtovuorovaikutuksesta vakautusta. Typen 2p³:ssa on siksi kolme paritonta elektronia, ja hapen 2p⁴:ssä on yksi pari ja kaksi paritonta elektronia.

Piirrä orbitaalikaavioon yksi ruutu orbitaalia kohti, täytä alakuoret rakentumisjärjestyksessä ja aseta alakuoren sisällä yksi nuoli jokaiseen ruutuun ennen toisen lisäämistä. Atomit, joissa on parittomia elektroneja, ovat paramagneettisia ja vetäytyvät magneettikenttään; atomit, joissa kaikki elektronit ovat paritettuja, ovat diamagneettisia.

Läpikäydyt esimerkit: seleeni ja zirkonium

Esimerkki 1: seleeni, Z = 34. Täytä rakentumisjärjestyksessä, kunnes 34 elektronia on sijoitettu: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Tarkista kokonaismäärä: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Jalokaasumerkintää varten korvaa ensimmäiset 18 elektronia merkinnällä [Ar], edellisen jakson päättävällä jalokaasulla: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Alakuorten luetteleminen kuorinumeron mukaan, kuten tässä, on yleinen käytäntö; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ kuvaa saman konfiguraation täyttöjärjestyksessä.

Seleenin neljä 4p-elektronia jakautuvat kolmelle orbitaalille. Hundin sääntö sijoittaa yhden kuhunkin ja paritaa neljännen, jolloin jäljelle jää kaksi paritonta elektronia. Sen kuusi valenssielektronia, 4s² 4p⁴, vastaavat ryhmän 16 hapen ja rikin uloimpaa rakennetta, minkä vuoksi seleeni muodostaa selenidi-ionin, Se²⁻, joka on isoelektroninen kryptonin kanssa.

Esimerkki 2: zirkonium, Z = 40. Kun [Kr] kattaa 36 elektronia, neljä jää jäljelle. Seuraavat alakuoret ovat 5s ja sitten 4d, jolloin saadaan [Kr] 4d² 5s², mikä vastaa NISTin perustilan dataa. Kaksi 4d-elektronia miehittävät erilliset orbitaalit yhdensuuntaisin spinein, joten zirkoniumilla on kaksi paritonta elektronia.

Kromi, kupari ja poikkeukset, jotka vastustavat yksinkertaisia sääntöjä

Rakentumisjärjestys ennustaa kromille [Ar] 3d⁴ 4s² ja kuparille [Ar] 3d⁹ 4s². Spektroskopia osoittaa [Ar] 3d⁵ 4s¹ ja [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Koska 4s ja 3d ovat näissä atomeissa energialtaan lähellä toisiaan, yhden elektronin siirtäminen 3d:hen laskee kokonaisenergiaa, mitä auttaa puoliksi täyden tai täyden d-alakuoren vaihtovuorovaikutusvakautus. Molybdeeni, [Kr] 4d⁵ 5s¹, ja hopea, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, noudattavat samaa kaavaa kuin niiden yläpuolella olevat alkuaineet.

Puoliksi täyden alakuoren selitys ei ole yleinen sääntö. Niobi on [Kr] 4d⁴ 5s¹, vaikka sen 4d-alakuori ei lopulta ole puoliksi täysi eikä täysi; palladium on [Kr] 4d¹⁰ ilman 5s-elektroneja; ja volframi, suoraan molybdeenin alapuolella, on [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Opettele kurssisi vaatimat poikkeukset datasta sen sijaan, että johtaisit ne säännöstä, joka ei yleisty.

Yksiatomisten ionien konfiguraatiot

Anionille lisää elektroneja seuraavalle vapaalle alakuorelle: kloori, [Ne] 3s² 3p⁵, muuttuu Cl⁻:ksi, [Ne] 3s² 3p⁶, joka on isoelektroninen argonin kanssa. Kationille poista elektroneja ensin alakuorelta, jolla on suurin n, ja sen kuoren sisällä ensin p:ltä ennen s:ää. Ensimmäisen rivin siirtymämetallilla se vie 4s-elektronit ennen yhtäkään 3d-elektronia.

Esimerkki 3: rautaionit. Rauta on [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ luovuttaa molemmat 4s-elektronit ja saa konfiguraation [Ar] 3d⁶, ja Fe³⁺ luovuttaa vielä yhden, 3d:stä, ja saa konfiguraation [Ar] 3d⁵. Tarkista lukumäärät: raudalla on 26 elektronia, Fe²⁺:lla 18 + 6 = 24 ja Fe³⁺:lla 18 + 5 = 23. Vapaassa Fe³⁺-ionissa on viisi paritonta elektronia, yksi kussakin 3d-orbitaalissa.

Sama logiikka pätee p-lohkossa. Tina on [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², ja Sn²⁺ luovuttaa kaksi 5p-elektroniaan ja muuttuu muotoon [Kr] 4d¹⁰ 5s². Kupari(I) on [Ar] 3d¹⁰, koska kuparin ainoa 4s-elektroni lähtee ensin.

Yleiset virheet konfiguraatioita kirjoitettaessa

Useimmat konfiguraatiovirheet noudattavat muutamaa kaavaa, ja jokaisen voi havaita nopealla tarkistuksella ennen etenemistä.

Kun kysymys koskee parittomia elektroneja, piirrä osittain täytetyn alakuoren orbitaalikaavio sen sijaan, että arvioisit konfiguraatiojonosta. Kun kysymys koskee ionia, kirjoita ensin neutraali atomi ja lisää tai poista sitten elektroneja.

• 3d-elektronien poistaminen ennen 4s:ää: Fe²⁺ on [Ar] 3d⁶, ei [Ar] 3d⁴ 4s². Yleisillä ensimmäisen rivin kationeilla, kuten Fe²⁺, Co²⁺ ja Cu⁺, ei ole 4s-elektroneja.
• Väärän jalokaasuytimen käyttö: ydin on edellisen jakson jalokaasu, [Ar] alkuaineille 19–36.
• Elektronien väärin laskeminen: yläindeksien summan täytyy olla Z atomille ja Z miinus varaus ionille.
• Alakuoren ylitäyttö, kuten 2p⁷ tai 3d¹¹.
• Elektronien paritus p- tai d-alakuorella ennen kuin jokaisessa orbitaalissa on yksi.
• d-lohkon sijoittaminen väärään kuoreen: jaksossa 4 täyttyy 3d, ei 4d.
• Cr- ja Cu-kaavan soveltaminen jokaiseen niiden alapuolella olevaan alkuaineeseen tarkistamatta dataa.