Elektronkonfigurációk: Aufbau-sorrend, Hund-szabály és ionok

Héjak, alhéjak és az orbitálok kapacitása

Az atom minden elektronját négy kvantumszám írja le. A főkvantumszám, n (1, 2, 3, …) határozza meg a héjat. A mellékkvantumszám (impulzusmomentum-kvantumszám), l, 0-tól n − 1-ig fut, és az alhéjat határozza meg: l = 0, 1, 2 és 3 jele s, p, d és f. A mágneses kvantumszám, mₗ, −l-től +l-ig fut, így egy alhéj 2l + 1 orbitált tartalmaz. A spinkvantumszám, mₛ, +½ vagy −½.

Mivel minden orbitál legfeljebb két elektront tartalmaz, egy s alhéj 2-t, a p 6-ot, a d 10-et, az f pedig 14-et tartalmaz. Egy teljes héj 2n² elektront tartalmaz: n = 1-nél 2-t, n = 2-nél 8-at, n = 3-nál 18-at. Ezek a kapacitások az oka annak, hogy a periódusos rendszer blokkjai 2, 6, 10 és 14 oszlop szélesek.

Az Aufbau-féle betöltési sorrend és a periódusos rendszer

Alapállapotban az elektronok a legalacsonyabb energiájú elérhető alhéjakat foglalják el; ez az Aufbau-elv (felépítési elv). Többelektronos atomban az alhéj energiája az n mellett az l-től is függ, mert egy s elektron közelebb hatol a maghoz, mint egy hasonló n-ű p vagy d elektron, és a belső elektronok kevésbé árnyékolják. A semleges atomok esetén kapott sorrend: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Az n + l szabály megadja ezt a sorrendet: az alhéjakat növekvő n + l szerint töltse be, és ha két alhéj döntetlen, először az alacsonyabb n-ű töltődik. Így a 4s (4 + 0 = 4) a 3d (3 + 2 = 5) előtt töltődik. A sorrendet a periódusos rendszerből is kiolvashatja. Egy periódus mentén haladva az s blokkon, majd ha van, az f blokkon, azután a d blokkon, majd a p blokkon halad át, a d alhéj a periódusszámnál eggyel, az f alhéj kettővel kisebb héjszámú.

A sorrend megmondja, melyik alhéj kapja a következő elektront egyik elemről a másikra. Nem azt jelenti, hogy a 4s mindig alacsonyabb energiájú, mint a 3d. Amint a 3d betöltődik, energiája a 4s alá esik, ezért veszítik el az átmenetifém-kationok először a 4s elektronjaikat.

A Pauli-elv, a Hund-szabály és az orbitáldiagramok

A Pauli-féle kizárási elv szerint az atomban nincs két elektron, amely mind a négy kvantumszámában megegyezne. Az egy orbitálban lévő két elektron már megegyezik az n, l és mₗ értékében, ezért ellentétes spinűnek kell lenniük, és egyetlen orbitál sem tarthat harmadikat.

A Hund-szabály a degenerált orbitálokra, az alhéjon belüli azonos energiájúakra vonatkozik. Az elektronok egyenként, párhuzamos spinnel foglalják el őket, mielőtt bármilyen párosodás kezdődne. A párosodás növeli az energiát, mert az egy orbitálban lévő két elektron erősebben taszítja egymást, míg a külön orbitálokban lévő párhuzamos spinek cserestabilizációt nyernek. A nitrogén 2p³ konfigurációjában ezért három párosítatlan elektron van, az oxigén 2p⁴ konfigurációjában pedig egy pár és két párosítatlan elektron.

Az orbitáldiagramban rajzoljon egy dobozt orbitálonként, töltse az alhéjakat Aufbau-sorrendben, és az alhéjon belül minden dobozba tegyen egy nyilat, mielőtt a másodikat hozzáadja. A párosítatlan elektronokat tartalmazó atomok paramágnesesek, és a mágneses tér behúzza őket; azok az atomok, amelyekben minden elektron párosított, diamágnesesek.

Megoldott példák: szelén és cirkónium

1. példa: szelén, Z = 34. Töltse Aufbau-sorrendben, amíg 34 elektront el nem helyezett: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Ellenőrizze az összeget: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. A nemesgáz-jelöléshez cserélje le az első 18 elektront az [Ar]-ra, az előző periódust záró nemesgázra: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Az alhéjak héjszám szerinti felsorolása, mint itt, gyakori megállapodás; az [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ ugyanazt a konfigurációt írja le betöltési sorrendben.

A szelén négy 4p elektronja három orbitálon oszlik el. A Hund-szabály mindegyikbe egyet tesz, a negyediket párosítja, így két párosítatlan elektron marad. A hat vegyértékelektronja, 4s² 4p⁴, megfelel a 16. csoportbeli oxigén és kén külső mintázatának, ezért képez a szelén szelenidiont, Se²⁻-t, amely izoelektronos a kriptonnal.

2. példa: cirkónium, Z = 40. Az [Kr] után, amely 36 elektront ad ki, négy marad. A következő alhéjak az 5s, majd a 4d, így [Kr] 4d² 5s², ami egyezik a NIST alapállapotú adataival. A két 4d elektron külön orbitálokat foglal el párhuzamos spinnel, így a cirkóniumnak két párosítatlan elektronja van.

Króm, réz és az egyszerű szabályoknak ellenálló kivételek

Az Aufbau-sorrend krómra [Ar] 3d⁴ 4s²-t, rézre [Ar] 3d⁹ 4s²-t jósol. A spektroszkópia [Ar] 3d⁵ 4s¹-et és [Ar] 3d¹⁰ 4s¹-et mutat. Mivel a 4s és a 3d energiája ezekben az atomokban közel van, az egyik elektron 3d-be mozgatása csökkenti az összenergiát, amit a félig telt vagy telt d alhéj cserestabilizációja segít. A molibdén, [Kr] 4d⁵ 5s¹, és az ezüst, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, ugyanazt a mintát követi, mint a fölöttük lévő elemek.

A félig telt alhéjról szóló magyarázat nem általános szabály. A nióbium [Kr] 4d⁴ 5s¹, noha a 4d alhéja végül sem félig telt, sem telt; a palládium [Kr] 4d¹⁰, 5s elektronok nélkül; a volfrám pedig, közvetlenül a molibdén alatt, [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². A kurzusa által megkövetelt kivételeket adatokból tanulja meg, ne vezesse le egy olyan szabályból, amely nem általánosítható.

Az egyatomos ionok konfigurációi

Anion esetén adjon elektronokat a következő elérhető alhéjhoz: a klór, [Ne] 3s² 3p⁵, Cl⁻-ná válik, [Ne] 3s² 3p⁶, izoelektronosan az argonnal. Kation esetén először a legnagyobb n-ű alhéjról távolítson el elektronokat, és ezen a héjon belül előbb a p-ről, mint az s-ről. Az első sor átmenetifémeinél ez a 4s elektronokat veszi el minden 3d elektron előtt.

3. példa: vasionok. A vas [Ar] 3d⁶ 4s². Az Fe²⁺ mindkét 4s elektronját elveszíti, így [Ar] 3d⁶ lesz, az Fe³⁺ pedig még egyet veszít, a 3d-ből, így [Ar] 3d⁵ lesz. Ellenőrizze a darabszámokat: a vasnak 26 elektronja van, az Fe²⁺-nak 18 + 6 = 24, az Fe³⁺-nak 18 + 5 = 23. A szabad Fe³⁺-ionnak öt párosítatlan elektronja van, mindegyik 3d orbitálban egy.

Ugyanez a logika érvényes a p blokkban. Az ón [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², és az Sn²⁺ elveszíti két 5p elektronját, így [Kr] 4d¹⁰ 5s² lesz. A réz(I) [Ar] 3d¹⁰, mert a réz egyetlen 4s elektronja távozik először.

Gyakori hibák a konfigurációk felírásakor

A legtöbb konfigurációs hiba néhány mintába sorolható, és mindegyiket ki lehet szűrni egy gyors ellenőrzéssel, mielőtt továbblép.

Ha a kérdés párosítatlan elektronokat kér, a részben betöltött alhéjra rajzolja meg az orbitáldiagramot ahelyett, hogy a konfigurációs sorból ítélne. Ha ionról kérdez, először írja fel a semleges atomot, majd adjon hozzá vagy távolítson el elektronokat.

• A 3d elektronok eltávolítása a 4s előtt: az Fe²⁺ [Ar] 3d⁶, nem [Ar] 3d⁴ 4s². Az olyan gyakori első sori kationoknak, mint az Fe²⁺, Co²⁺ és Cu⁺, nincs 4s elektronjuk.
• Rossz nemesgáz-törzs használata: a törzs az előző periódus nemesgáza, a 19–36. elemeknél az [Ar].
• Az elektronok félreszámolása: a felső indexeknek atomnál Z-t, ionnál Z mínusz a töltést kell kiadniuk.
• Egy alhéj túltöltése, például 2p⁷ vagy 3d¹¹.
• Az elektronok párosítása egy p vagy d alhéjban, mielőtt minden orbitálban lenne egy.
• A d blokk rossz héjba helyezése: a 4. periódus a 3d-t tölti, nem a 4d-t.
• A Cr- és Cu-minta alkalmazása minden alattuk lévő elemre az adatok ellenőrzése nélkül.