Mga Electron Configuration: Aufbau Order, Tuntunin ni Hund, at mga Ion

Mga shell, subshell, at kapasidad ng orbital

Ang bawat electron sa isang atom ay inilalarawan ng apat na quantum number. Ang principal quantum number na n (1, 2, 3, …) ang nagtatakda ng shell. Ang angular momentum quantum number na l ay mula 0 hanggang n − 1 at nagtatakda ng subshell: ang l = 0, 1, 2, at 3 ay may label na s, p, d, at f. Ang magnetic quantum number na mₗ ay mula −l hanggang +l, kaya ang isang subshell ay naglalaman ng 2l + 1 na orbital. Ang spin quantum number na mₛ ay +½ o −½.

Dahil bawat orbital ay may hawak na hanggang dalawang electron lang, ang s subshell ay may 2, ang p ay may 6, ang d ay may 10, at ang f ay may 14. Ang kumpletong shell ay may hawak na 2n² electron: 2 para sa n = 1, 8 para sa n = 2, at 18 para sa n = 3. Ito ang dahilan kung bakit ang mga block ng periodic table ay may lapad na 2, 6, 10, at 14 na column.

Pagkakasunod-sunod ng pagpuno ng aufbau at ang periodic table

Sa ground state, sinasakop ng mga electron ang mga subshell na may pinakamababang enerhiya na magagamit; ito ang aufbau principle. Sa atom na maraming electron, ang enerhiya ng subshell ay nakadepende sa l at sa n, dahil ang s electron ay mas lumalapit sa nucleus kaysa sa p o d electron na may kahawig na n at hindi gaanong nahaharangan (shielded) ng mga panloob na electron. Ang resultang pagkakasunod-sunod para sa mga neutral na atom ay 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Nagagawa muli ng tuntuning n + l ang pagkakasunod-sunod na ito: punuin ang mga subshell ayon sa pagtaas ng n + l, at kapag magkapantay ang dalawang subshell, punuin muna ang may mas mababang n. Kaya ang 4s (4 + 0 = 4) ay napupuno bago ang 3d (3 + 2 = 5). Mababasa mo rin ang pagkakasunod-sunod mula sa periodic table. Sa paglipat sa isang period, dadaan ka sa s block, saka sa f block kung mayroon, saka sa d block, saka sa p block, kung saan ang d subshell ay isang shell na nasa likod ng numero ng period at ang f subshell ay dalawang nasa likod.

Sinasabi ng pagkakasunod-sunod kung aling subshell ang tatanggap ng susunod na electron mula sa isang elemento hanggang sa susunod. Hindi nito ibig sabihin na laging mas mababa ang enerhiya ng 4s kaysa sa 3d. Kapag nasakop na ang 3d, bumababa ang enerhiya nito sa ibaba ng sa 4s, kaya unang nawawala sa mga transition-metal cation ang kanilang 4s electron.

Pauli exclusion, tuntunin ni Hund, at mga orbital diagram

Sinasabi ng Pauli exclusion principle na walang dalawang electron sa isang atom ang may parehong apat na quantum number. Ang dalawang electron sa isang orbital ay may parehong n, l, at mₗ na, kaya dapat magkasalungat ang kanilang spin, at walang orbital na makakahawak ng pangatlo.

Naaangkop ang tuntunin ni Hund sa mga degenerate na orbital, ang mga magkapareho ang enerhiya sa loob ng isang subshell. Sinasakop ng mga electron ang mga ito nang isa-isa, na magkaparehong spin, bago magsimula ang anumang pagpapares. Tumataas ang enerhiya sa pagpapares dahil mas malakas ang pagtataboy ng dalawang electron sa isang orbital, habang ang magkaparehong spin sa magkahiwalay na orbital ay nakakakuha ng exchange stabilization. Kaya ang 2p³ ng nitrogen ay may tatlong unpaired na electron, at ang 2p⁴ ng oxygen ay may isang pares at dalawang unpaired na electron.

Sa orbital diagram, gumuhit ng isang kahon bawat orbital, punuin ang mga subshell ayon sa aufbau order, at sa loob ng isang subshell maglagay ng isang arrow sa bawat kahon bago magdagdag ng ikalawa. Ang mga atom na may unpaired na electron ay paramagnetic at hinihila sa magnetic field; ang mga atom na lahat ng electron ay may kapares ay diamagnetic.

Mga halimbawang may solusyon: selenium at zirconium

Halimbawa 1: selenium, Z = 34. Punuin ayon sa aufbau order hanggang mailagay ang 34 na electron: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Suriin ang kabuuan: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Para sa noble-gas notation, palitan ang unang 18 electron ng [Ar], ang noble gas na nagtatapos sa nakaraang period: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Ang paglilista ng mga subshell ayon sa numero ng shell, tulad dito, ay karaniwang kumbensyon; ang [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ ay naglalarawan ng parehong configuration ayon sa pagkakasunod ng pagpuno.

Ang apat na 4p electron ng selenium ay kumakalat sa tatlong orbital. Naglalagay ang tuntunin ni Hund ng isa sa bawat isa at ipinapares ang ikaapat, na nag-iiwan ng dalawang unpaired na electron. Ang anim nitong valence electron, 4s² 4p⁴, ay tumutugma sa panlabas na pattern ng oxygen at sulfur sa group 16, kaya ang selenium ay bumubuo ng selenide ion, Se²⁻, na isoelectronic sa krypton.

Halimbawa 2: zirconium, Z = 40. Pagkatapos ng [Kr], na bumubuo sa 36 na electron, apat ang natitira. Ang susunod na mga subshell ay 5s at saka 4d, na nagbibigay ng [Kr] 4d² 5s², na tugma sa ground-state na datos ng NIST. Ang dalawang 4d electron ay sumasakop sa magkahiwalay na orbital na magkaparehong spin, kaya ang zirconium ay may dalawang unpaired na electron.

Chromium, copper, at mga eksepsyong hindi sumusunod sa simpleng tuntunin

Hinuhulaan ng aufbau order ang [Ar] 3d⁴ 4s² para sa chromium at [Ar] 3d⁹ 4s² para sa copper. Ipinapakita ng spectroscopy ang [Ar] 3d⁵ 4s¹ at [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Dahil magkalapit ang enerhiya ng 4s at 3d sa mga atom na ito, ang paglipat ng isang electron sa 3d ay nagpapababa sa kabuuang enerhiya, na tinutulungan ng exchange stabilization ng kalahating puno o ganap na punong d subshell. Ang molybdenum, [Kr] 4d⁵ 5s¹, at silver, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, ay sumusunod sa parehong pattern ng mga elemento sa itaas nila.

Hindi pangkalahatang tuntunin ang paliwanag ng kalahating punong subshell. Ang niobium ay [Kr] 4d⁴ 5s¹ kahit hindi kalahating puno ni ganap na puno ang 4d subshell nito; ang palladium ay [Kr] 4d¹⁰ na walang 5s electron; at ang tungsten, direktang nasa ilalim ng molybdenum, ay [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Alamin ang mga eksepsyong kinakailangan ng iyong kurso mula sa datos sa halip na hanguin ang mga ito mula sa tuntuning hindi naglalahat.

Mga configuration ng monatomic na ion

Para sa anion, magdagdag ng mga electron sa susunod na magagamit na subshell: ang chlorine, [Ne] 3s² 3p⁵, ay nagiging Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, isoelectronic sa argon. Para sa cation, alisin muna ang mga electron mula sa subshell na may pinakamataas na n, at sa loob ng shell na iyon ay mula sa p bago sa s. Para sa transition metal sa unang hanay, inaalis nito ang mga 4s electron bago ang anumang 3d electron.

Halimbawa 3: mga ion ng iron. Ang iron ay [Ar] 3d⁶ 4s². Ang Fe²⁺ ay nawawalan ng parehong 4s electron para maging [Ar] 3d⁶, at ang Fe³⁺ ay nawawalan pa ng isa, mula sa 3d, para maging [Ar] 3d⁵. Suriin ang mga bilang: ang iron ay may 26 na electron, ang Fe²⁺ ay may 18 + 6 = 24, at ang Fe³⁺ ay may 18 + 5 = 23. Ang malayang Fe³⁺ ion ay may limang unpaired na electron, isa sa bawat 3d orbital.

Naaangkop din ang parehong lohika sa p block. Ang tin ay [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², at ang Sn²⁺ ay nawawalan ng dalawang 5p electron para maging [Kr] 4d¹⁰ 5s². Ang copper(I) ay [Ar] 3d¹⁰, dahil ang nag-iisang 4s electron ng copper ang unang umaalis.

Karaniwang pagkakamali sa pagsulat ng mga configuration

Karamihan sa mga error sa configuration ay nabibilang sa ilang pattern, at bawat isa ay mahuhuli sa mabilis na pagsusuri bago magpatuloy.

Kapag hinihingi ng tanong ang mga unpaired na electron, iguhit ang orbital diagram para sa bahagyang punong subshell sa halip na manghusga mula sa string ng configuration. Kapag tungkol sa ion ang tanong, isulat muna ang neutral na atom, saka magdagdag o mag-alis ng mga electron.

• Pag-alis ng 3d electron bago ang 4s: ang Fe²⁺ ay [Ar] 3d⁶, hindi [Ar] 3d⁴ 4s². Ang karaniwang cation sa unang hanay tulad ng Fe²⁺, Co²⁺, at Cu⁺ ay walang 4s electron.
• Paggamit ng maling noble-gas core: ang core ay ang noble gas mula sa nakaraang period, [Ar] para sa mga elementong 19 hanggang 36.
• Maling pagbibilang ng mga electron: ang mga superscript ay dapat magsama sa Z para sa atom at sa Z binawasan ng karga para sa ion.
• Sobrang pagpuno sa subshell, tulad ng 2p⁷ o 3d¹¹.
• Pagpapares ng mga electron sa p o d subshell bago magkaroon ng isa ang bawat orbital.
• Paglalagay ng d block sa maling shell: pinupuno ng period 4 ang 3d, hindi ang 4d.
• Paglalapat ng pattern ng Cr at Cu sa bawat elementong nasa ilalim ng mga ito nang hindi sinusuri ang datos.