ელექტრონული კონფიგურაციები: აუფბაუს წესრიგი, ჰუნდის წესი და იონები

შრეები, ქვეშრეები და ორბიტალების ტევადობა

ატომში თითოეული ელექტრონი ოთხი კვანტური რიცხვით აღიწერება. მთავარი კვანტური რიცხვი n (1, 2, 3, …) შრეს განსაზღვრავს. ორბიტალური კვანტური რიცხვი l 0-დან n − 1-მდე იცვლება და ქვეშრეს განსაზღვრავს: l = 0, 1, 2 და 3 აღინიშნება როგორც s, p, d და f. მაგნიტური კვანტური რიცხვი mₗ −l-დან +l-მდე იცვლება, ამიტომ ქვეშრე შეიცავს 2l + 1 ორბიტალს. სპინური კვანტური რიცხვი mₛ არის +½ ან −½.

რადგან თითოეული ორბიტალი მაქსიმუმ ორ ელექტრონს იტევს, s ქვეშრეში 2 ეტევა, p-ში 6, d-ში 10, f-ში კი 14. სრული შრე იტევს 2n² ელექტრონს: 2 n = 1-ისთვის, 8 n = 2-ისთვის და 18 n = 3-ისთვის. სწორედ ამ ტევადობების გამოა პერიოდული სისტემის ბლოკები 2, 6, 10 და 14 სვეტის სიგანის.

აუფბაუს შევსების თანმიმდევრობა და პერიოდული სისტემა

ძირითად მდგომარეობაში ელექტრონები ყველაზე დაბალი ენერგიის ხელმისაწვდომ ქვეშრეებს იკავებენ; ეს აუფბაუს პრინციპია. მრავალელექტრონიან ატომში ქვეშრის ენერგია l-ზეც არის დამოკიდებული და არა მხოლოდ n-ზე, რადგან s ელექტრონი ბირთვთან უფრო ახლოს აღწევს, ვიდრე მსგავსი n-ის p ან d ელექტრონი, და შიდა ელექტრონების მიერ ნაკლებადაა ეკრანირებული. ნეიტრალური ატომებისთვის მიღებული თანმიმდევრობაა 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

n + l წესი ამ თანმიმდევრობას იმეორებს: შეავსეთ ქვეშრეები n + l-ის ზრდის მიხედვით, და როცა ორი ქვეშრე ტოლია, ჯერ ის შეავსეთ, რომელსაც n უფრო ნაკლები აქვს. ამიტომ 4s (4 + 0 = 4) 3d-მდე (3 + 2 = 5) ივსება. თანმიმდევრობის წაკითხვა პერიოდული სისტემიდანაც შეგიძლიათ. პერიოდში გადაადგილებისას გადიხართ s ბლოკს, შემდეგ f ბლოკს, თუ არსებობს, შემდეგ d ბლოკს, შემდეგ p ბლოკს, d ქვეშრე პერიოდის ნომერზე ერთი შრით ჩამორჩება, f ქვეშრე კი ორით.

თანმიმდევრობა გეუბნებათ, რომელი ქვეშრე იღებს შემდეგ ელექტრონს ერთი ელემენტიდან მეორეზე გადასვლისას. ეს არ ნიშნავს, რომ 4s ყოველთვის 3d-ზე დაბალი ენერგიისაა. როცა 3d დაკავებულია, მისი ენერგია 4s-ის ენერგიაზე დაბლა ეცემა, რის გამოც გარდამავალი ლითონების კატიონები ჯერ 4s ელექტრონებს კარგავენ.

პაულის გამორიცხვა, ჰუნდის წესი და ორბიტალური დიაგრამები

პაულის გამორიცხვის პრინციპი ამბობს, რომ ატომში არც ერთ ორ ელექტრონს ერთი და იგივე ოთხი კვანტური რიცხვი არ აქვს. ერთ ორბიტალში ორ ელექტრონს უკვე საერთო აქვს n, l და mₗ, ამიტომ მათ საპირისპირო სპინები უნდა ჰქონდეთ და არც ერთ ორბიტალს მესამე ელექტრონის დატევა არ შეუძლია.

ჰუნდის წესი გადაგვარებულ ორბიტალებს ეხება, ანუ ქვეშრეში ტოლი ენერგიის ორბიტალებს. ელექტრონები მათ თითო-თითოდ იკავებენ, პარალელური სპინებით, ვიდრე რაიმე დაწყვილება დაიწყება. დაწყვილება ენერგიას ზრდის, რადგან ერთ ორბიტალში ორი ელექტრონი უფრო ძლიერად განიზიდება, ხოლო პარალელური სპინები ცალკეულ ორბიტალებში გაცვლით სტაბილიზაციას იძენს. ამიტომ აზოტის 2p³-ს სამი დაუწყვილებელი ელექტრონი აქვს, ჟანგბადის 2p⁴-ს კი ერთი წყვილი და ორი დაუწყვილებელი ელექტრონი.

ორბიტალურ დიაგრამაში დახაზეთ თითო უჯრა თითო ორბიტალზე, შეავსეთ ქვეშრეები აუფბაუს თანმიმდევრობით და ქვეშრეში მეორე ისრის დამატებამდე ყოველ უჯრაში ერთი ისარი ჩასვით. ატომები დაუწყვილებელი ელექტრონებით პარამაგნიტურია და მაგნიტურ ველში იზიდება; ატომები, რომლებშიც ყველა ელექტრონი დაწყვილებულია, დიამაგნიტურია.

გადაწყვეტილი მაგალითები: სელენი და ცირკონიუმი

მაგალითი 1: სელენი, Z = 34. შეავსეთ აუფბაუს თანმიმდევრობით, სანამ 34 ელექტრონი არ განთავსდება: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. შეამოწმეთ ჯამი: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. კეთილშობილი აირის აღნიშვნისთვის პირველი 18 ელექტრონი ჩაანაცვლეთ [Ar]-ით, კეთილშობილი აირით, რომელიც წინა პერიოდს ამთავრებს: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. ქვეშრეების შრის ნომრით ჩამოთვლა, როგორც აქ, გავრცელებული შეთანხმებაა; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ იმავე კონფიგურაციას აღწერს შევსების თანმიმდევრობით.

სელენის ოთხი 4p ელექტრონი სამ ორბიტალზე ნაწილდება. ჰუნდის წესი თითოეულში ერთს ათავსებს და მეოთხეს აწყვილებს, რის შედეგადაც ორი დაუწყვილებელი ელექტრონი რჩება. მისი ექვსი ვალენტური ელექტრონი, 4s² 4p⁴, ემთხვევა ჟანგბადისა და გოგირდის გარე სურათს მე-16 ჯგუფში, რის გამოც სელენი ქმნის სელენიდის იონს, Se²⁻, კრიპტონის იზოელექტრონულს.

მაგალითი 2: ცირკონიუმი, Z = 40. [Kr]-ის შემდეგ, რომელიც 36 ელექტრონს შეადგენს, ოთხი რჩება. შემდეგი ქვეშრეებია 5s და შემდეგ 4d, რაც გვაძლევს [Kr] 4d² 5s²-ს, და ეს NIST-ის ძირითადი მდგომარეობის მონაცემებს ეთანხმება. ორი 4d ელექტრონი ცალკეულ ორბიტალებს იკავებს პარალელური სპინებით, ამიტომ ცირკონიუმს ორი დაუწყვილებელი ელექტრონი აქვს.

ქრომი, სპილენძი და გამონაკლისები, რომლებიც მარტივ წესებს ეწინააღმდეგება

აუფბაუს თანმიმდევრობა ქრომისთვის [Ar] 3d⁴ 4s²-ს წინასწარმეტყველებს, სპილენძისთვის კი [Ar] 3d⁹ 4s²-ს. სპექტროსკოპია აჩვენებს [Ar] 3d⁵ 4s¹-სა და [Ar] 3d¹⁰ 4s¹-ს. რადგან ამ ატომებში 4s და 3d ენერგიით ახლოსაა, ერთი ელექტრონის 3d-ში გადაყვანა მთლიან ენერგიას ამცირებს, რასაც ეხმარება ნახევრად შევსებული ან სრულად შევსებული d ქვეშრის გაცვლითი სტაბილიზაცია. მოლიბდენი, [Kr] 4d⁵ 5s¹, და ვერცხლი, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, მათ ზემოთ არსებული ელემენტების იმავე კანონზომიერებას მიჰყვება.

ნახევრად შევსებული ქვეშრის ახსნა ზოგადი წესი არ არის. ნიობიუმი არის [Kr] 4d⁴ 5s¹, თუმცა მისი 4d ქვეშრე არც ნახევრადაა შევსებული და არც სრულად; პალადიუმი არის [Kr] 4d¹⁰ 5s ელექტრონების გარეშე; ხოლო ვოლფრამი, მოლიბდენის უშუალოდ ქვემოთ, არის [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². გამონაკლისები, რომლებსაც თქვენი კურსი მოითხოვს, მონაცემებიდან ისწავლეთ და არა წესიდან გამოიყვანეთ, რომელიც არ ვრცელდება.

ერთატომიანი იონების კონფიგურაციები

ანიონისთვის დაამატეთ ელექტრონები შემდეგ ხელმისაწვდომ ქვეშრეში: ქლორი, [Ne] 3s² 3p⁵, ხდება Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, არგონის იზოელექტრონული. კატიონისთვის ჯერ ამოიღეთ ელექტრონები ყველაზე მაღალი n-ის ქვეშრიდან, ამ შრეში კი p-დან s-ზე ადრე. პირველი რიგის გარდამავალი ლითონისთვის ეს 4s ელექტრონებს ნებისმიერ 3d ელექტრონზე ადრე იღებს.

მაგალითი 3: რკინის იონები. რკინა არის [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ ორივე 4s ელექტრონს კარგავს და იძლევა [Ar] 3d⁶-ს, ხოლო Fe³⁺ კარგავს კიდევ ერთს, 3d-დან, და იძლევა [Ar] 3d⁵-ს. შეამოწმეთ რაოდენობები: რკინას 26 ელექტრონი აქვს, Fe²⁺-ს 18 + 6 = 24, Fe³⁺-ს კი 18 + 5 = 23. თავისუფალ Fe³⁺ იონს ხუთი დაუწყვილებელი ელექტრონი აქვს, თითო ყოველ 3d ორბიტალში.

იგივე ლოგიკა p ბლოკშიც მოქმედებს. კალა არის [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², ხოლო Sn²⁺ ორ 5p ელექტრონს კარგავს და ხდება [Kr] 4d¹⁰ 5s². სპილენძი(I) არის [Ar] 3d¹⁰, რადგან სპილენძის ერთადერთი 4s ელექტრონი პირველი მიდის.

გავრცელებული შეცდომები კონფიგურაციების დაწერისას

კონფიგურაციის შეცდომების უმეტესობა რამდენიმე კანონზომიერებას მიეკუთვნება და თითოეული სწრაფი შემოწმებით ვლინდება, სანამ შემდეგზე გადახვალთ.

როცა კითხვა დაუწყვილებელ ელექტრონებს ითხოვს, ნაწილობრივ შევსებული ქვეშრისთვის დახაზეთ ორბიტალური დიაგრამა და არ განსაჯოთ კონფიგურაციის სტრიქონით. როცა ის იონს ეხება, ჯერ ნეიტრალური ატომი დაწერეთ, შემდეგ დაამატეთ ან ამოიღეთ ელექტრონები.

• 3d ელექტრონების 4s-მდე ამოღება: Fe²⁺ არის [Ar] 3d⁶ და არა [Ar] 3d⁴ 4s². გავრცელებულ პირველი რიგის კატიონებს, როგორიცაა Fe²⁺, Co²⁺ და Cu⁺, 4s ელექტრონები არ აქვთ.
• არასწორი კეთილშობილი აირის გულის გამოყენება: გული არის წინა პერიოდის კეთილშობილი აირი, 19-დან 36-მდე ელემენტებისთვის [Ar].
• ელექტრონების არასწორი დათვლა: ზედა ინდექსები ატომისთვის Z-ს უნდა უდრიდეს, იონისთვის კი Z გამოკლებული მუხტი.
• ქვეშრის გადავსება, მაგალითად 2p⁷ ან 3d¹¹.
• ელექტრონების დაწყვილება p ან d ქვეშრეში, სანამ ყოველ ორბიტალს ერთი არ აქვს.
• d ბლოკის არასწორ შრეში განთავსება: მე-4 პერიოდი ავსებს 3d-ს და არა 4d-ს.
• Cr-ისა და Cu-ს კანონზომიერების მათ ქვემოთ მდგარ ყველა ელემენტზე გავრცელება მონაცემების შემოწმების გარეშე.