תצורות אלקטרונים: סדר המילוי, כלל הונד ויונים

קליפות, תת-קליפות וקיבולת אורביטלים

כל אלקטרון באטום מתואר על ידי ארבעה מספרים קוונטיים. המספר הקוונטי הראשי n (1, 2, 3, …) קובע את הקליפה. המספר הקוונטי של התנע הזוויתי l נע מ-0 עד n − 1 וקובע את תת-הקליפה: l = 0, 1, 2 ו-3 מסומנים s, p, d ו-f. המספר הקוונטי המגנטי mₗ נע מ-−l עד +l, ולכן תת-קליפה מכילה 2l + 1 אורביטלים. מספר הספין הקוונטי mₛ הוא +½ או −½.

מכיוון שכל אורביטל מכיל לכל היותר שני אלקטרונים, תת-קליפה s מכילה 2, p מכילה 6, d מכילה 10 ו-f מכילה 14. קליפה מלאה מכילה 2n² אלקטרונים: 2 עבור n = 1, 8 עבור n = 2 ו-18 עבור n = 3. הקיבולות האלה הן הסיבה לכך שהבלוקים בטבלה המחזורית רחבים 2, 6, 10 ו-14 עמודות.

סדר המילוי של עקרון הבנייה והטבלה המחזורית

במצב היסוד, אלקטרונים תופסים את תת-הקליפות הנמוכות ביותר באנרגיה הזמינות; זהו עקרון הבנייה. באטום רב-אלקטרוני, אנרגיית תת-קליפה תלויה ב-l וגם ב-n, כי אלקטרון s חודר קרוב יותר לגרעין מאלקטרון p או d בעל n דומה והוא מוסך פחות על ידי אלקטרונים פנימיים. הסדר המתקבל לאטומים ניטרליים הוא 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

כלל n + l משחזר את הסדר הזה: ממלאים תת-קליפות בסדר עולה של n + l, וכששתי תת-קליפות שוות, ממלאים קודם את זו עם n נמוך יותר. לכן 4s (4 + 0 = 4) מתמלאת לפני 3d (3 + 2 = 5). אפשר גם לקרוא את הסדר מהטבלה המחזורית. בתנועה לאורך מחזור עוברים דרך בלוק s, אחר כך בלוק f אם קיים, אחר כך בלוק d, אחר כך בלוק p, כאשר תת-הקליפה d נמצאת קליפה אחת מאחורי מספר המחזור ותת-הקליפה f שתיים מאחור.

הסדר אומר לכם איזו תת-קליפה מקבלת את האלקטרון הבא מיסוד ליסוד. הוא אינו אומר ש-4s תמיד נמוכה באנרגיה מ-3d. ברגע ש-3d תפוסה, האנרגיה שלה יורדת מתחת לזו של 4s, ולכן קטיונים של מתכות מעבר מאבדים קודם את אלקטרוני 4s שלהם.

איסור פאולי, כלל הונד ותרשימי אורביטלים

עקרון האיסור של פאולי קובע שאין שני אלקטרונים באטום שחולקים את אותם ארבעה מספרים קוונטיים. שני אלקטרונים באורביטל אחד כבר חולקים n, l ו-mₗ, ולכן חייבים להיות להם ספינים מנוגדים, ושום אורביטל אינו יכול להכיל שלישי.

כלל הונד חל על אורביטלים מנוונים, בעלי אנרגיה שווה בתוך תת-קליפה. אלקטרונים תופסים אותם בנפרד, עם ספינים מקבילים, לפני שמתחיל זיווג כלשהו. זיווג מעלה את האנרגיה כי שני אלקטרונים באורביטל אחד דוחים זה את זה חזק יותר, ואילו ספינים מקבילים באורביטלים נפרדים זוכים לייצוב חילופי. לכן ל-2p³ של חנקן יש שלושה אלקטרונים לא מזווגים, ול-2p⁴ של חמצן יש זוג אחד ושני אלקטרונים לא מזווגים.

בתרשים אורביטלים, ציירו תיבה אחת לכל אורביטל, מלאו תת-קליפות לפי סדר עקרון הבנייה, ובתוך תת-קליפה הציבו חץ אחד בכל תיבה לפני שמוסיפים שני. אטומים עם אלקטרונים לא מזווגים הם פרמגנטיים ונמשכים לשדה מגנטי; אטומים שכל אלקטרוניהם מזווגים הם דיאמגנטיים.

דוגמאות פתורות: סלניום וזירקוניום

דוגמה 1: סלניום, Z = 34. ממלאים לפי סדר עקרון הבנייה עד ש-34 אלקטרונים ממוקמים: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. בדקו את הסך הכול: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. בסימון גז אציל, מחליפים את 18 האלקטרונים הראשונים ב-[Ar], הגז האציל שמסיים את המחזור הקודם: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. רישום תת-קליפות לפי מספר הקליפה, כמו כאן, הוא מוסכמה נפוצה; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ מתאר את אותה תצורה בסדר המילוי.

ארבעת אלקטרוני 4p של סלניום מתפזרים על שלושה אורביטלים. כלל הונד מציב אחד בכל אורביטל ומזווג את הרביעי, ומשאיר שני אלקטרונים לא מזווגים. ששת אלקטרוני הערכיות שלו, 4s² 4p⁴, תואמים את התבנית החיצונית של חמצן וגופרית בקבוצה 16, ולכן סלניום יוצר את יון הסלניד, Se²⁻, איזואלקטרוני עם קריפטון.

דוגמה 2: זירקוניום, Z = 40. אחרי [Kr], שמהווה 36 אלקטרונים, נותרו ארבעה. תת-הקליפות הבאות הן 5s ואז 4d, ומתקבל [Kr] 4d² 5s², בהתאמה לנתוני מצב היסוד של NIST. שני אלקטרוני 4d תופסים אורביטלים נפרדים עם ספינים מקבילים, ולכן לזירקוניום שני אלקטרונים לא מזווגים.

כרום, נחושת ויוצאים מן הכלל שמתנגדים לכללים פשוטים

סדר עקרון הבנייה מנבא [Ar] 3d⁴ 4s² לכרום ו-[Ar] 3d⁹ 4s² לנחושת. ספקטרוסקופיה מראה [Ar] 3d⁵ 4s¹ ו-[Ar] 3d¹⁰ 4s¹. מכיוון ש-4s ו-3d קרובות באנרגיה באטומים האלה, העברת אלקטרון אחד ל-3d מורידה את האנרגיה הכוללת, בסיוע ייצוב חילופי של תת-קליפת d חצי מלאה או מלאה. מוליבדן, [Kr] 4d⁵ 5s¹, וכסף, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, פועלים באותו דפוס כמו היסודות שמעליהם.

ההסבר של תת-קליפה חצי מלאה אינו כלל כללי. ניוביום הוא [Kr] 4d⁴ 5s¹ אף על פי שתת-הקליפה 4d שלו מסתיימת לא חצי מלאה ולא מלאה; פלדיום הוא [Kr] 4d¹⁰ ללא אלקטרוני 5s; וטונגסטן, ישירות מתחת למוליבדן, הוא [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². למדו את היוצאים מן הכלל שהקורס שלכם דורש מתוך נתונים ולא על ידי גזירתם מכלל שאינו מכליל.

תצורות של יונים חד-אטומיים

באניון, מוסיפים אלקטרונים לתת-הקליפה הזמינה הבאה: כלור, [Ne] 3s² 3p⁵, הופך ל-Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, איזואלקטרוני עם ארגון. בקטיון, מסירים אלקטרונים קודם מתת-הקליפה עם n הגבוה ביותר, ובתוך אותה קליפה מ-p לפני s. במתכת מעבר מהשורה הראשונה, זה לוקח את אלקטרוני 4s לפני אלקטרוני 3d כלשהם.

דוגמה 3: יוני ברזל. ברזל הוא [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ מאבד את שני אלקטרוני 4s ונותן [Ar] 3d⁶, ו-Fe³⁺ מאבד עוד אחד, מ-3d, ונותן [Ar] 3d⁵. בדקו את הספירות: לברזל 26 אלקטרונים, ל-Fe²⁺ יש 18 + 6 = 24, ול-Fe³⁺ יש 18 + 5 = 23. ליון Fe³⁺ החופשי חמישה אלקטרונים לא מזווגים, אחד בכל אורביטל 3d.

אותו היגיון חל בבלוק p. בדיל הוא [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², ו-Sn²⁺ מאבד את שני אלקטרוני 5p שלו והופך ל-[Kr] 4d¹⁰ 5s². נחושת(I) היא [Ar] 3d¹⁰, כי אלקטרון 4s היחיד של הנחושת עוזב ראשון.

טעויות נפוצות בכתיבת תצורות

רוב שגיאות התצורה נופלות למספר דפוסים, וכל אחת נתפסת בבדיקה מהירה לפני שממשיכים.

כששאלה מבקשת אלקטרונים לא מזווגים, ציירו את תרשים האורביטלים של תת-הקליפה החלקית במקום לשפוט לפי מחרוזת התצורה. כשהיא שואלת על יון, כתבו קודם את האטום הניטרלי, ואז הוסיפו או הסירו אלקטרונים.

• הסרת אלקטרוני 3d לפני 4s: Fe²⁺ הוא [Ar] 3d⁶, לא [Ar] 3d⁴ 4s². לקטיונים נפוצים בשורה הראשונה, כמו Fe²⁺, Co²⁺ ו-Cu⁺, אין אלקטרוני 4s.
• שימוש בליבת גז אציל שגויה: הליבה היא הגז האציל מהמחזור הקודם, [Ar] ליסודות 19 עד 36.
• טעות בספירת אלקטרונים: החזקות חייבות להסתכם ב-Z לאטום וב-Z פחות המטען ליון.
• מילוי יתר של תת-קליפה, כמו 2p⁷ או 3d¹¹.
• זיווג אלקטרונים בתת-קליפה p או d לפני שכל אורביטל מחזיק אחד.
• הצבת בלוק d בקליפה הלא נכונה: מחזור 4 ממלא 3d, לא 4d.
• החלת דפוס Cr ו-Cu על כל יסוד מתחתיהם בלי לבדוק נתונים.