Elektronske konfiguracije: redoslijed izgradnje, Hundovo pravilo i ioni

Ljuske, podljuske i kapacitet orbitala

Svaki elektron u atomu opisuju četiri kvantna broja. Glavni kvantni broj n (1, 2, 3, …) određuje ljusku. Orbitalni kvantni broj l ide od 0 do n − 1 i određuje podljusku: l = 0, 1, 2 i 3 označavaju se s, p, d i f. Magnetski kvantni broj mₗ ide od −l do +l, pa podljuska sadrži 2l + 1 orbitala. Spinski kvantni broj mₛ iznosi +½ ili −½.

Budući da svaka orbitala prima najviše dva elektrona, s podljuska prima 2, p prima 6, d prima 10, a f prima 14. Potpuna ljuska prima 2n² elektrona: 2 za n = 1, 8 za n = 2 i 18 za n = 3. Zbog tih kapaciteta blokovi periodnog sustava imaju širinu od 2, 6, 10 i 14 stupaca.

Redoslijed popunjavanja prema izgradnji i periodni sustav

U osnovnom stanju elektroni zauzimaju podljuske najniže dostupne energije; to je princip izgradnje (aufbau). U atomu s mnogo elektrona energija podljuske ovisi o l kao i o n, jer s elektron prodire bliže jezgri od p ili d elektrona sličnog n i manje ga zasjenjuju unutarnji elektroni. Dobiveni redoslijed za neutralne atome je 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Pravilo n + l reproducira taj redoslijed: popunjavajte podljuske po rastućem n + l, a kad dvije podljuske imaju isti zbroj, prvo popunite onu s manjim n. Tako se 4s (4 + 0 = 4) popunjava prije 3d (3 + 2 = 5). Redoslijed možete očitati i iz periodnog sustava. Krećući se kroz period, prolazite kroz s blok, zatim f blok ako postoji, zatim d blok, pa p blok, pri čemu je d podljuska jednu ljusku iza broja perioda, a f podljuska dvije iza.

Redoslijed govori koja podljuska prima sljedeći elektron od jednog elementa do sljedećeg. To ne znači da je 4s uvijek niže energije od 3d. Kad je 3d zauzeta, njezina energija pada ispod energije 4s, zbog čega kationi prijelaznih metala prvo gube svoje 4s elektrone.

Paulijev princip isključenja, Hundovo pravilo i orbitalni dijagrami

Paulijev princip isključenja kaže da nikoja dva elektrona u atomu ne dijele sva četiri ista kvantna broja. Dva elektrona u jednoj orbitali već dijele n, l i mₗ, pa moraju imati suprotne spinove, a nijedna orbitala ne može primiti treći.

Hundovo pravilo vrijedi za degenerirane orbitale, one jednake energije unutar podljuske. Elektroni ih zauzimaju pojedinačno, s paralelnim spinovima, prije nego počne sparivanje. Sparivanje podiže energiju jer se dva elektrona u jednoj orbitali jače odbijaju, dok paralelni spinovi u odvojenim orbitalama dobivaju izmjensku stabilizaciju. Dušikov 2p³ stoga ima tri nesparena elektrona, a kisikov 2p⁴ jedan par i dva nesparena elektrona.

U orbitalnom dijagramu nacrtajte jedan kvadratić po orbitali, popunjavajte podljuske redoslijedom izgradnje i unutar podljuske stavite po jednu strelicu u svaki kvadratić prije dodavanja druge. Atomi s nesparenim elektronima su paramagnetski i privlači ih magnetsko polje; atomi sa svim sparenim elektronima su dijamagnetski.

Riješeni primjeri: selen i cirkonij

Primjer 1: selen, Z = 34. Popunjavajte redoslijedom izgradnje dok ne smjestite 34 elektrona: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Provjerite ukupni broj: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Za zapis plemenitim plinom zamijenite prvih 18 elektrona s [Ar], plemenitim plinom koji završava prethodni period: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Navođenje podljuski prema broju ljuske, kao ovdje, uobičajena je konvencija; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ opisuje istu konfiguraciju redoslijedom popunjavanja.

Četiri 4p elektrona selena raspoređena su na tri orbitale. Hundovo pravilo stavlja po jedan u svaku i sparuje četvrti, ostavljajući dva nesparena elektrona. Njegovih šest valentnih elektrona, 4s² 4p⁴, odgovara vanjskom obrascu kisika i sumpora u 16. skupini, zbog čega selen tvori selenidni ion, Se²⁻, izoelektronski s kriptonom.

Primjer 2: cirkonij, Z = 40. Nakon [Kr], koji obuhvaća 36 elektrona, preostaju četiri. Sljedeće podljuske su 5s pa 4d, što daje [Kr] 4d² 5s², u skladu s NIST-ovim podacima o osnovnom stanju. Dva 4d elektrona zauzimaju odvojene orbitale s paralelnim spinovima, pa cirkonij ima dva nesparena elektrona.

Krom, bakar i iznimke koje se opiru jednostavnim pravilima

Redoslijed izgradnje predviđa [Ar] 3d⁴ 4s² za krom i [Ar] 3d⁹ 4s² za bakar. Spektroskopija pokazuje [Ar] 3d⁵ 4s¹ i [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Budući da su 4s i 3d u tim atomima bliske energije, premještanje jednog elektrona u 3d snižava ukupnu energiju, uz pomoć izmjenske stabilizacije napola popunjene ili popunjene d podljuske. Molibden, [Kr] 4d⁵ 5s¹, i srebro, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, slijede isti obrazac kao elementi iznad njih.

Objašnjenje napola popunjenom podljuskom nije opće pravilo. Niobij je [Kr] 4d⁴ 5s¹ iako njegova 4d podljuska na kraju nije ni napola popunjena ni popunjena; paladij je [Kr] 4d¹⁰ bez 5s elektrona; a volfram, neposredno ispod molibdena, je [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Iznimke koje vaš tečaj zahtijeva naučite iz podataka umjesto da ih izvodite iz pravila koje se ne može poopćiti.

Konfiguracije jednoatomnih iona

Za anion dodajte elektrone u sljedeću dostupnu podljusku: klor, [Ne] 3s² 3p⁵, postaje Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, izoelektronski s argonom. Za kation uklanjajte elektrone prvo iz podljuske s najvećim n, a unutar te ljuske prije iz p nego iz s. Za prijelazni metal prvog reda to uzima 4s elektrone prije bilo kojeg 3d elektrona.

Primjer 3: ioni željeza. Željezo je [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ gubi oba 4s elektrona i daje [Ar] 3d⁶, a Fe³⁺ gubi još jedan, iz 3d, i daje [Ar] 3d⁵. Provjerite brojeve: željezo ima 26 elektrona, Fe²⁺ ima 18 + 6 = 24, a Fe³⁺ ima 18 + 5 = 23. Slobodni ion Fe³⁺ ima pet nesparenih elektrona, po jedan u svakoj 3d orbitali.

Ista logika vrijedi u p bloku. Kositar je [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², a Sn²⁺ gubi svoja dva 5p elektrona i postaje [Kr] 4d¹⁰ 5s². Bakar(I) je [Ar] 3d¹⁰, jer bakrov jedini 4s elektron odlazi prvi.

Česte pogreške pri pisanju konfiguracija

Većina pogrešaka u konfiguracijama spada u nekoliko obrazaca, a svaki se može uhvatiti brzom provjerom prije nego krenete dalje.

Kad zadatak traži nesparene elektrone, nacrtajte orbitalni dijagram djelomično popunjene podljuske umjesto da prosuđujete iz niza konfiguracije. Kad se pita o ionu, prvo napišite neutralni atom, a zatim dodajte ili uklonite elektrone.

• Uklanjanje 3d elektrona prije 4s: Fe²⁺ je [Ar] 3d⁶, a ne [Ar] 3d⁴ 4s². Uobičajeni kationi prvog reda poput Fe²⁺, Co²⁺ i Cu⁺ nemaju 4s elektrone.
• Upotreba krive jezgre plemenitog plina: jezgra je plemeniti plin prethodnog perioda, [Ar] za elemente od 19 do 36.
• Krivo brojanje elektrona: eksponenti se moraju zbrajati u Z za atom i u Z minus naboj za ion.
• Prepunjavanje podljuske, primjerice 2p⁷ ili 3d¹¹.
• Sparivanje elektrona u p ili d podljusci prije nego svaka orbitala dobije jedan.
• Smještanje d bloka u krivu ljusku: period 4 popunjava 3d, a ne 4d.
• Primjena obrasca Cr i Cu na svaki element ispod njih bez provjere podataka.