Rafeindaskipan: uppbyggingarröð, regla Hunds og jónir

Skel, undirskel og rýmd svigrúma

Hver rafeind í atómi er lýst með fjórum skammtatölum. Meginskammtatalan n (1, 2, 3, …) ákvarðar skelina. Hverfiþungaskammtatalan l fer frá 0 upp í n − 1 og ákvarðar undirskelina: l = 0, 1, 2 og 3 eru merkt s, p, d og f. Segulskammtatalan mₗ fer frá −l til +l, svo undirskel inniheldur 2l + 1 svigrúm. Spunaskammtatalan mₛ er +½ eða −½.

Þar sem hvert svigrúm rúmar í mesta lagi tvær rafeindir rúmar s-undirskel 2, p rúmar 6, d rúmar 10 og f rúmar 14. Full skel rúmar 2n² rafeindir: 2 fyrir n = 1, 8 fyrir n = 2 og 18 fyrir n = 3. Þessi rýmd eru ástæða þess að blokkir lotukerfisins eru 2, 6, 10 og 14 dálkar á breidd.

Uppbyggingarröð (aufbau) og lotukerfið

Í grunnástandi taka rafeindir upp undirskelin með lægstu orkuna sem í boði eru; þetta er uppbyggingarreglan (aufbau). Í atómi með margar rafeindir ræðst orka undirskels af l jafnt og n, því s-rafeind smýgur nær kjarnanum en p- eða d-rafeind með svipað n og er síður skermuð af innri rafeindum. Röðin sem af þessu leiðir fyrir hlutlaus atóm er 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

N + l reglan endurskapar þessa röð: fylltu undirskel í vaxandi röð n + l, og þegar tvö undirskel eru jöfn skaltu fylla það með lægra n fyrst. Þannig fyllist 4s (4 + 0 = 4) á undan 3d (3 + 2 = 5). Þú getur líka lesið röðina úr lotukerfinu. Þegar þú ferð yfir lotu ferðu í gegnum s-blokkina, síðan f-blokkina ef hún er til staðar, svo d-blokkina og loks p-blokkina, þar sem d-undirskelið er einni skel á eftir lotunúmerinu og f-undirskelið tveimur á eftir.

Röðin segir þér hvaða undirskel fær næstu rafeind frá einu frumefni til þess næsta. Hún þýðir ekki að 4s sé alltaf með lægri orku en 3d. Þegar 3d er orðið setið fellur orka þess niður fyrir orku 4s, og þess vegna missa katjónir hliðarmálma 4s-rafeindirnar fyrst.

Bannregla Paulis, regla Hunds og svigrúmsmyndir

Bannregla Paulis segir að engar tvær rafeindir í atómi deili sömu fjórum skammtatölunum. Tvær rafeindir í einu svigrúmi deila þegar n, l og mₗ, svo þær verða að hafa gagnstæðan spuna, og ekkert svigrúm rúmar þá þriðju.

Regla Hunds á við um jafnorkusvigrúm, þau sem hafa jafna orku innan undirskels. Rafeindir taka þau eitt og eitt, með samsíða spuna, áður en pörun hefst. Pörun hækkar orkuna því tvær rafeindir í einu svigrúmi hrinda hvor aðra sterkar frá sér, en samsíða spuni í aðskildum svigrúmum fær stöðugleika vegna víxlverkunar. 2p³ í köfnunarefni hefur því þrjár óparaðar rafeindir og 2p⁴ í súrefni hefur eitt par og tvær óparaðar rafeindir.

Í svigrúmsmynd teiknarðu einn reit fyrir hvert svigrúm, fyllir undirskel í uppbyggingarröð og setur innan undirskels eina ör í hvern reit áður en önnur er bætt við. Atóm með óparaðar rafeindir eru paramagnetísk og dragast inn í segulsvið; atóm þar sem allar rafeindir eru paraðar eru diamagnetísk.

Útreiknuð dæmi: selen og sirkon

Dæmi 1: selen, Z = 34. Fylltu í uppbyggingarröð þar til 34 rafeindir eru komnar: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Athugaðu heildarfjöldann: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Fyrir eðalgasritháttinn skaltu setja [Ar] í stað fyrstu 18 rafeindanna, eðalgassins sem lýkur fyrri lotu: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Að telja upp undirskel eftir skelnúmeri, eins og hér, er algeng venja; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ lýsir sömu rafeindaskipan í fyllingarröð.

Fjórar 4p-rafeindir selens dreifast á þrjú svigrúm. Regla Hunds setur eina í hvert og parar þá fjórðu, sem skilur eftir tvær óparaðar rafeindir. Sex gildisrafeindir þess, 4s² 4p⁴, passa við ytra mynstur súrefnis og brennisteins í 16. flokki, og þess vegna myndar selen selenjónina, Se²⁻, sem er jafnrafeinda við krypton.

Dæmi 2: sirkon, Z = 40. Eftir [Kr], sem gerir grein fyrir 36 rafeindum, eru fjórar eftir. Næstu undirskel eru 5s og síðan 4d, sem gefur [Kr] 4d² 5s², í samræmi við grunnástandsgögn NIST. Rafeindirnar tvær í 4d taka aðskilin svigrúm með samsíða spuna, svo sirkon hefur tvær óparaðar rafeindir.

Króm, kopar og undantekningar sem standast einfaldar reglur

Uppbyggingarröðin spáir [Ar] 3d⁴ 4s² fyrir króm og [Ar] 3d⁹ 4s² fyrir kopar. Litrófsmælingar sýna [Ar] 3d⁵ 4s¹ og [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Þar sem 4s og 3d eru nálægt hvort öðru í orku í þessum atómum lækkar heildarorkan þegar ein rafeind færist yfir í 3d, með aðstoð stöðugleika vegna víxlverkunar í hálffullu eða fullu d-undirskeli. Mólýbden, [Kr] 4d⁵ 5s¹, og silfur, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, fylgja sama mynstri og frumefnin fyrir ofan þau.

Skýringin með hálffullt undirskel er ekki almenn regla. Níóbíum er [Kr] 4d⁴ 5s¹ þótt 4d-undirskel þess endi hvorki hálffullt né fullt; palladíum er [Kr] 4d¹⁰ án 5s-rafeinda; og volfram, beint fyrir neðan mólýbden, er [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Lærðu undantekningarnar sem námskeiðið þitt krefst út frá gögnum frekar en að leiða þær af reglu sem nær ekki yfir þær allar.

Rafeindaskipan einatóma jóna

Fyrir anjón skaltu bæta rafeindum við næsta tiltæka undirskel: klór, [Ne] 3s² 3p⁵, verður Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, jafnrafeinda við argon. Fyrir katjón skaltu fjarlægja rafeindir fyrst úr undirskelinu með hæsta n, og innan þeirrar skeljar fyrst úr p áður en s. Fyrir hliðarmálm í fyrstu röð þýðir það að 4s-rafeindirnar fara á undan öllum 3d-rafeindum.

Dæmi 3: járnjónir. Járn er [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ missir báðar 4s-rafeindirnar og verður [Ar] 3d⁶, og Fe³⁺ missir eina í viðbót, úr 3d, og verður [Ar] 3d⁵. Athugaðu fjöldann: járn hefur 26 rafeindir, Fe²⁺ hefur 18 + 6 = 24 og Fe³⁺ hefur 18 + 5 = 23. Frjálsa Fe³⁺ jónin hefur fimm óparaðar rafeindir, eina í hverju 3d-svigrúmi.

Sömu rök gilda í p-blokkinni. Tin er [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p² og Sn²⁺ missir 5p-rafeindirnar tvær og verður [Kr] 4d¹⁰ 5s². Kopar(I) er [Ar] 3d¹⁰, því eina 4s-rafeind koparsins fer fyrst.

Algeng mistök við ritun rafeindaskipana

Flestar villur í rafeindaskipan falla í fá mynstur og hverja þeirra má finna með fljótlegri athugun áður en haldið er áfram.

Þegar spurt er um óparaðar rafeindir skaltu teikna svigrúmsmyndina fyrir hlutfyllta undirskelið frekar en að dæma út frá rafeindaskipanarstrengnum. Þegar spurt er um jón skaltu skrifa hlutlausa atómið fyrst og bæta síðan rafeindum við eða fjarlægja þær.

• Að fjarlægja 3d-rafeindir á undan 4s: Fe²⁺ er [Ar] 3d⁶, ekki [Ar] 3d⁴ 4s². Algengar katjónir í fyrstu röð hliðarmálma eins og Fe²⁺, Co²⁺ og Cu⁺ hafa engar 4s-rafeindir.
• Að nota rangan eðalgaskjarna: kjarninn er eðalgasið úr fyrri lotu, [Ar] fyrir frumefni 19 til 36.
• Að telja rafeindir rangt: veldisvísarnir verða að leggjast saman í Z fyrir atóm og í Z mínus hleðsluna fyrir jón.
• Að yfirfylla undirskel, til dæmis 2p⁷ eða 3d¹¹.
• Að para rafeindir í p- eða d-undirskeli áður en hvert svigrúm hefur eina.
• Að setja d-blokkina í ranga skel: í lotu 4 fyllist 3d, ekki 4d.
• Að beita mynstri Cr og Cu á öll frumefni fyrir neðan þau án þess að athuga gögn.