Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիաներ՝ լցման կարգ, Հունդի կանոն և իոններ

Էլեկտրոնային շերտեր, ենթաշերտեր և օրբիտալների տարողությունը

Ատոմի յուրաքանչյուր էլեկտրոն նկարագրվում է չորս քվանտային թվերով։ Գլխավոր քվանտային թիվը n (1, 2, 3, …) որոշում է շերտը։ Օրբիտալային (իմպուլսի մոմենտի) քվանտային թիվը l ընդունում է արժեքներ 0-ից մինչև n − 1 և որոշում է ենթաշերտը. l = 0, 1, 2 և 3 նշվում են s, p, d և f։ Մագնիսական քվանտային թիվը mₗ ընդունում է արժեքներ −l-ից մինչև +l, ուստի ենթաշերտը պարունակում է 2l + 1 օրբիտալ։ Սպինային քվանտային թիվը mₛ +½ է կամ −½։

Քանի որ յուրաքանչյուր օրբիտալ պարունակում է առավելագույնը երկու էլեկտրոն, s ենթաշերտը պարունակում է 2, p-ն՝ 6, d-ն՝ 10, իսկ f-ը՝ 14։ Լրիվ շերտը պարունակում է 2n² էլեկտրոն. 2՝ n = 1-ի համար, 8՝ n = 2-ի, իսկ 18՝ n = 3-ի համար։ Այս տարողությունների պատճառով է, որ պարբերական աղյուսակի բլոկները 2, 6, 10 և 14 սյունակ լայն են։

Լցման կարգը և պարբերական աղյուսակը

Հիմնական վիճակում էլեկտրոնները զբաղեցնում են առկա ամենացածր էներգիայով ենթաշերտերը. սա ամենացածր էներգիայի սկզբունքն է։ Բազմաէլեկտրոն ատոմում ենթաշերտի էներգիան կախված է և՛ l-ից, և՛ n-ից, քանի որ s էլեկտրոնը ավելի մոտ է թափանցում կորիզին, քան նման n ունեցող p կամ d էլեկտրոնը, և ավելի քիչ է պաշտպանված ներքին էլեկտրոններով։ Չեզոք ատոմների համար ստացվող կարգն է՝ 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p։

n + l կանոնը վերարտադրում է այս կարգը. լրացրեք ենթաշերտերը n + l-ի աճման կարգով, և երբ երկու ենթաշերտ հավասար են, նախ լրացրեք ավելի փոքր n ունեցողը։ Այսպես՝ 4s-ը (4 + 0 = 4) լրացվում է 3d-ից (3 + 2 = 5) առաջ։ Կարգը կարող եք կարդալ նաև պարբերական աղյուսակից։ Պարբերությամբ առաջ շարժվելիս անցնում եք s բլոկով, ապա f բլոկով, եթե առկա է, ապա d բլոկով, ապա p բլոկով, ընդ որում d ենթաշերտը պարբերության համարից մեկ շերտ հետ է, իսկ f ենթաշերտը՝ երկու։

Կարգը ցույց է տալիս, թե որ ենթաշերտն է ստանում հաջորդ էլեկտրոնը մի տարրից մյուսին անցնելիս։ Դա չի նշանակում, որ 4s-ը միշտ ավելի ցածր էներգիա ունի, քան 3d-ը։ Երբ 3d-ը զբաղեցված է, նրա էներգիան իջնում է 4s-ի էներգիայից ցածր, ինչի պատճառով անցումային մետաղների կատիոնները նախ կորցնում են իրենց 4s էլեկտրոնները։

Պաուլիի արգելքի սկզբունքը, Հունդի կանոնը և օրբիտալային դիագրամները

Պաուլիի արգելքի սկզբունքն ասում է, որ ատոմում ոչ մի երկու էլեկտրոն չեն կարող ունենալ նույն չորս քվանտային թվերը։ Մեկ օրբիտալում երկու էլեկտրոն արդեն կիսում են n, l և mₗ, ուստի պետք է ունենան հակադիր սպիններ, և ոչ մի օրբիտալ չի կարող պարունակել երրորդը։

Հունդի կանոնը վերաբերում է այլասերված օրբիտալներին՝ ենթաշերտի ներսում հավասար էներգիա ունեցողներին։ Էլեկտրոնները դրանք զբաղեցնում են առանձին-առանձին, զուգահեռ սպիններով, նախքան զույգավորումը սկսվելը։ Զույգավորումը բարձրացնում է էներգիան, քանի որ մեկ օրբիտալում երկու էլեկտրոն ավելի ուժեղ են վանում իրար, իսկ առանձին օրբիտալներում զուգահեռ սպինները ստանում են փոխանակային կայունացում։ Ուստի ազոտի 2p³-ն ունի երեք չզույգված էլեկտրոն, իսկ թթվածնի 2p⁴-ը՝ մեկ զույգ և երկու չզույգված էլեկտրոն։

Օրբիտալային դիագրամում յուրաքանչյուր օրբիտալի համար գծեք մեկ վանդակ, ենթաշերտերը լրացրեք լցման կարգով, և ենթաշերտի ներսում յուրաքանչյուր վանդակում դրեք մեկ սլաք, նախքան երկրորդն ավելացնելը։ Չզույգված էլեկտրոններով ատոմները պարամագնիսական են և ձգվում են մագնիսական դաշտի մեջ. բոլոր էլեկտրոնները զույգված ատոմները դիամագնիսական են։

Լուծված օրինակներ՝ սելեն և ցիրկոնիում

Օրինակ 1՝ սելեն, Z = 34։ Լրացրեք լցման կարգով, մինչև տեղավորվի 34 էլեկտրոն. 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴։ Ստուգեք ընդհանուր քանակը. 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34։ Ազնիվ գազի գրառման համար առաջին 18 էլեկտրոնը փոխարինեք [Ar]-ով՝ նախորդ պարբերությունն ավարտող ազնիվ գազով. [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴։ Ենթաշերտերը ըստ շերտի համարի թվարկելը, ինչպես այստեղ, տարածված պայմանականություն է. [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴-ը նկարագրում է նույն կոնֆիգուրացիան լցման կարգով։

Սելենի չորս 4p էլեկտրոնները բաշխվում են երեք օրբիտալներում։ Հունդի կանոնը մեկ-մեկ դնում է յուրաքանչյուրում և զույգավորում չորրորդը՝ թողնելով երկու չզույգված էլեկտրոն։ Նրա վեց վալենտային էլեկտրոնները՝ 4s² 4p⁴, համընկնում են 16-րդ խմբի թթվածնի և ծծմբի արտաքին օրինաչափության հետ, ինչի պատճառով սելենը առաջացնում է սելենիդ իոնը՝ Se²⁻-ը, իզոէլեկտրոնային կրիպտոնի հետ։

Օրինակ 2՝ ցիրկոնիում, Z = 40։ [Kr]-ից հետո, որը կազմում է 36 էլեկտրոն, մնում են չորսը։ Հաջորդ ենթաշերտերն են 5s-ը, ապա 4d-ը, ինչը տալիս է [Kr] 4d² 5s², որը համընկնում է NIST-ի հիմնական վիճակի տվյալների հետ։ Երկու 4d էլեկտրոնները զբաղեցնում են առանձին օրբիտալներ՝ զուգահեռ սպիններով, ուստի ցիրկոնիումն ունի երկու չզույգված էլեկտրոն։

Քրոմ, պղինձ և բացառություններ, որոնք դիմադրում են պարզ կանոններին

Լցման կարգը քրոմի համար կանխատեսում է [Ar] 3d⁴ 4s², իսկ պղնձի համար՝ [Ar] 3d⁹ 4s²։ Սպեկտրոսկոպիան ցույց է տալիս [Ar] 3d⁵ 4s¹ և [Ar] 3d¹⁰ 4s¹։ Քանի որ 4s-ը և 3d-ը այս ատոմներում էներգիայով մոտ են, մեկ էլեկտրոնը 3d տեղափոխելը իջեցնում է ընդհանուր էներգիան՝ օգնելով կիսալրացված կամ լրացված d ենթաշերտի փոխանակային կայունացմանը։ Մոլիբդենը՝ [Kr] 4d⁵ 5s¹, և արծաթը՝ [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, հետևում են իրենց վերևի տարրերի նույն օրինակին։

Կիսալրացված ենթաշերտի բացատրությունը ընդհանուր կանոն չէ։ Նիոբիումը [Kr] 4d⁴ 5s¹ է, թեև նրա 4d ենթաշերտը ո՛չ կիսալրացված է, ո՛չ լրացված. պալադիումը [Kr] 4d¹⁰ է՝ առանց 5s էլեկտրոնի. իսկ վոլֆրամը, որը ուղիղ մոլիբդենի տակ է, [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s² է։ Ձեր դասընթացի պահանջած բացառությունները սովորեք տվյալներից, այլ ոչ թե դուրս բերեք դրանք մի կանոնից, որը չի ընդհանրացվում։

Միատոմ իոնների կոնֆիգուրացիաները

Անիոնի համար էլեկտրոններ ավելացրեք հաջորդ առկա ենթաշերտին. քլորը՝ [Ne] 3s² 3p⁵, դառնում է Cl⁻՝ [Ne] 3s² 3p⁶, իզոէլեկտրոնային արգոնի հետ։ Կատիոնի համար էլեկտրոնները հեռացրեք ամենաբարձր n ունեցող ենթաշերտից նախ, և այդ շերտի ներսում՝ p-ից s-ից առաջ։ Առաջին շարքի անցումային մետաղի համար դա 4s էլեկտրոնները վերցնում է ցանկացած 3d էլեկտրոնից առաջ։

Օրինակ 3՝ երկաթի իոններ։ Երկաթը [Ar] 3d⁶ 4s² է։ Fe²⁺-ը կորցնում է երկու 4s էլեկտրոնները՝ տալով [Ar] 3d⁶, իսկ Fe³⁺-ը կորցնում է ևս մեկը՝ 3d-ից, տալով [Ar] 3d⁵։ Ստուգեք քանակները. երկաթն ունի 26 էլեկտրոն, Fe²⁺-ը՝ 18 + 6 = 24, իսկ Fe³⁺-ը՝ 18 + 5 = 23։ Ազատ Fe³⁺ իոնն ունի հինգ չզույգված էլեկտրոն՝ մեկական յուրաքանչյուր 3d օրբիտալում։

Նույն տրամաբանությունը կիրառվում է p բլոկում։ Անագը [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p² է, և Sn²⁺-ը կորցնում է իր երկու 5p էլեկտրոնները՝ դառնալով [Kr] 4d¹⁰ 5s²։ Պղինձ(I)-ը [Ar] 3d¹⁰ է, քանի որ պղնձի միակ 4s էլեկտրոնը հեռանում է առաջինը։

Կոնֆիգուրացիաներ գրելիս հաճախակի սխալներ

Կոնֆիգուրացիաների սխալների մեծ մասը մի քանի օրինաչափության է պատկանում, և յուրաքանչյուրը կարելի է բռնել արագ ստուգմամբ՝ առաջ շարժվելուց առաջ։

Երբ հարցը չզույգված էլեկտրոններ է պահանջում, կոնֆիգուրացիայի տողից դատելու փոխարեն գծեք մասամբ լրացված ենթաշերտի օրբիտալային դիագրամը։ Երբ հարցը իոնի մասին է, նախ գրեք չեզոք ատոմը, ապա ավելացրեք կամ հեռացրեք էլեկտրոններ։

• 3d էլեկտրոնները 4s-ից առաջ հեռացնելը. Fe²⁺-ը [Ar] 3d⁶ է, ոչ թե [Ar] 3d⁴ 4s²։ Առաջին շարքի տարածված կատիոնները, ինչպես Fe²⁺, Co²⁺ և Cu⁺, 4s էլեկտրոններ չունեն։
• Սխալ ազնիվ գազի միջուկ օգտագործելը. միջուկը նախորդ պարբերության ազնիվ գազն է, 19-ից 36 տարրերի համար՝ [Ar]։
• Էլեկտրոնների սխալ հաշվումը. վերին ինդեքսների գումարը պետք է հավասար լինի ատոմի համար Z-ի, իսկ իոնի համար՝ Z մինուս լիցքի։
• Ենթաշերտի գերլցումը, ինչպես 2p⁷ կամ 3d¹¹։
• p կամ d ենթաշերտում էլեկտրոնների զույգավորումը, նախքան յուրաքանչյուր օրբիտալում մեկը լինելը։
• d բլոկը սխալ շերտում դնելը. 4-րդ պարբերությունը լրացնում է 3d-ը, ոչ թե 4d-ը։
• Cr-ի և Cu-ի օրինակը կիրառել նրանց տակ գտնվող յուրաքանչյուր տարրի նկատմամբ՝ առանց տվյալները ստուգելու։