Электрондық конфигурациялар: Ауфбау реті, Хунд ережесі және иондар

Қабықтар, қосалқы қабықтар және орбитальдардың сыйымдылығы

Атомдағы әр электрон төрт кванттық санмен сипатталады. Бас кванттық сан n (1, 2, 3, …) қабықты анықтайды. Орбиталық (бұрыштық импульс) кванттық сан l 0-ден n − 1-ге дейін өзгереді және қосалқы қабықты анықтайды: l = 0, 1, 2 және 3 сәйкесінше s, p, d және f деп белгіленеді. Магниттік кванттық сан mₗ −l-ден +l-ге дейін өзгереді, сондықтан қосалқы қабықта 2l + 1 орбиталь болады. Спиндік кванттық сан mₛ +½ немесе −½.

Әр орбиталь ең көбі екі электрон сыйғызатындықтан, s қосалқы қабығы 2, p 6, d 10 және f 14 электрон сыйғызады. Толық қабық 2n² электрон сыйғызады: n = 1 үшін 2, n = 2 үшін 8 және n = 3 үшін 18. Периодтық жүйенің блоктарының неге 2, 6, 10 және 14 бағана енінде болатыны осы сыйымдылықтарға байланысты.

Ауфбау толтыру реті және периодтық жүйе

Негізгі күйде электрондар қолжетімді ең төмен энергиялы қосалқы қабықтарды алады; бұл Ауфбау принципі. Көп электронды атомда қосалқы қабық энергиясы n-ге де, l-ге де байланысты, өйткені s электроны ядроға ұқсас n-дегі p немесе d электронынан жақынырақ енеді және ішкі электрондармен аз экрандалады. Бейтарап атомдар үшін нәтиже болатын рет: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

n + l ережесі осы ретті береді: қосалқы қабықтарды n + l өсуі бойынша толтырыңыз, ал екеуі тең болғанда n кішісін бұрын толтырыңыз. Сонымен 4s (4 + 0 = 4) 3d-дан (3 + 2 = 5) бұрын толады. Ретті периодтық жүйеден де оқуға болады. Период бойымен жылжығанда s блоктан, содан кейін болса f блоктан, содан кейін d блоктан, содан кейін p блоктан өтесіз, d қосалқы қабығы период нөмірінен бір қабыққа, ал f екі қабыққа артта.

Рет бір элементтен екіншісіне өткенде келесі электронды қай қосалқы қабық қабылдайтынын көрсетеді. Бұл 4s әрқашан 3d-дан төмен энергиялы дегенді білдірмейді. 3d толған соң, оның энергиясы 4s-тен төмен түседі, сондықтан өтпелі металл катиондары алдымен 4s электрондарын жоғалтады.

Паули принципі, Хунд ережесі және орбиталь диаграммалары

Паули принципі атомдағы екі электронның төрт кванттық саны бірдей болмайтынын айтады. Бір орбитальдағы екі электрон n, l және mₗ мәндерін бөлісіп тұр, сондықтан олардың спиндері қарама-қарсы болуы керек, және бірде-бір орбиталь үшінші электронды сыйғыза алмайды.

Хунд ережесі азғындалған орбитальдарға, яғни қосалқы қабық ішінде энергиясы тең орбитальдарға қолданылады. Электрондар жұптасу басталмай тұрып оларды бір-бірден, параллель спиндермен алады. Жұптасу энергияны арттырады, өйткені бір орбитальдағы екі электрон күштірек тебіледі, ал бөлек орбитальдардағы параллель спиндер алмасу тұрақтануын алады. Сондықтан азоттың 2p³ күйінде үш жұптаспаған электрон бар, ал оттектің 2p⁴ күйінде бір жұп және екі жұптаспаған электрон бар.

Орбиталь диаграммасында әр орбитальға бір қорап сызыңыз, қосалқы қабықтарды Ауфбау ретімен толтырыңыз және қосалқы қабық ішінде екінші көрсеткіні қоспас бұрын әр қорапқа бір көрсеткіден қойыңыз. Жұптаспаған электрондары бар атомдар парамагнитті және магнит өрісіне тартылады; барлық электрондары жұптасқан атомдар диамагнитті.

Шешілген мысалдар: селен және цирконий

1-мысал: селен, Z = 34. 34 электрон орналасқанша Ауфбау ретімен толтырыңыз: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Жалпы санды тексеріңіз: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Асыл газ жазбасы үшін алғашқы 18 электронды алдыңғы периодты аяқтайтын асыл газ [Ar] деп ауыстырыңыз: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Қосалқы қабықтарды мұндағыдай қабық нөмірі бойынша тізу — жиі қабылданған келісім; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ сол конфигурацияны толтыру ретімен сипаттайды.

Селеннің төрт 4p электроны үш орбитальға таралады. Хунд ережесі әрқайсысына біреуден қояды және төртіншісін жұптайды, сонда екі жұптаспаған электрон қалады. Оның алты валенттік электроны, 4s² 4p⁴, 16-топтағы оттек пен күкірттің сыртқы үлгісіне сәйкес келеді, сондықтан селен криптонмен изоэлектронды селенид ионын, Se²⁻, түзеді.

2-мысал: цирконий, Z = 40. 36 электронды құрайтын [Kr]-дан кейін төрт электрон қалады. Келесі қосалқы қабықтар 5s, содан кейін 4d, бұл [Kr] 4d² 5s² береді, ол NIST негізгі күй деректеріне сәйкес келеді. Екі 4d электроны параллель спиндермен бөлек орбитальдарды алады, сондықтан цирконийде екі жұптаспаған электрон бар.

Хром, мыс және қарапайым ережелерге көнбейтін ерекшеліктер

Ауфбау реті хром үшін [Ar] 3d⁴ 4s² және мыс үшін [Ar] 3d⁹ 4s² болжайды. Спектроскопия [Ar] 3d⁵ 4s¹ және [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ көрсетеді. Бұл атомдарда 4s және 3d энергиясы жақын болғандықтан, бір электронды 3d-ға жылжыту жалпы энергияны төмендетеді, оған жартылай толған немесе толған d қосалқы қабығының алмасу тұрақтануы көмектеседі. Молибден, [Kr] 4d⁵ 5s¹, және күміс, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, өздерінің үстіндегі элементтермен бірдей заңдылықты ұстанады.

Жартылай толған қосалқы қабық түсіндірмесі жалпы ереже емес. Ниобий [Kr] 4d⁴ 5s¹, оның 4d қосалқы қабығы жартылай толмаса да, толмаса да; палладий [Kr] 4d¹⁰, 5s электрондары жоқ; ал молибденнің дәл астындағы вольфрам [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Курсыңыз талап ететін ерекшеліктерді жалпыланбайтын ережеден шығарудың орнына деректерден үйреніңіз.

Бір атомды иондардың конфигурациялары

Анион үшін электрондарды келесі қолжетімді қосалқы қабыққа қосыңыз: хлор, [Ne] 3s² 3p⁵, аргонмен изоэлектронды Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, болады. Катион үшін электрондарды n ең жоғары қосалқы қабықтан алдымен алыңыз, ал сол қабық ішінде s-тен бұрын p-дан. Бірінші қатардағы өтпелі металл үшін бұл кез келген 3d электронынан бұрын 4s электрондарын алуды білдіреді.

3-мысал: темір иондары. Темір [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ екі 4s электронын да жоғалтып [Ar] 3d⁶ береді, ал Fe³⁺ 3d-дан тағы біреуін жоғалтып [Ar] 3d⁵ береді. Санды тексеріңіз: темірде 26 электрон бар, Fe²⁺-те 18 + 6 = 24, ал Fe³⁺-те 18 + 5 = 23. Бос Fe³⁺ ионында бес жұптаспаған электрон бар, әр 3d орбитальда біреуден.

Дәл сол логика p блокта да қолданылады. Қалайы [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², ал Sn²⁺ екі 5p электронын жоғалтып, [Kr] 4d¹⁰ 5s² болады. Мыс(I) [Ar] 3d¹⁰, өйткені мыстың жалғыз 4s электроны бірінші кетеді.

Конфигурацияларды жазудағы жиі қателер

Конфигурация қателерінің көбі бірнеше үлгіге түседі, және әрқайсысын алға жылжымас бұрын жылдам тексеру арқылы ұстауға болады.

Сұрақ жұптаспаған электрондарды сұрағанда, конфигурация жолынан бағалаудың орнына ішінара толған қосалқы қабықтың орбиталь диаграммасын сызыңыз. Ион туралы сұралғанда алдымен бейтарап атомды жазып, содан кейін электрондарды қосыңыз немесе алыңыз.

• 3d электрондарын 4s-тен бұрын алу: Fe²⁺ — [Ar] 3d⁶, [Ar] 3d⁴ 4s² емес. Fe²⁺, Co²⁺ және Cu⁺ сияқты кең таралған бірінші қатар катиондарында 4s электрондары жоқ.
• Қате асыл газ өзегін қолдану: өзек — алдыңғы периодтағы асыл газ, 19-дан 36-ға дейінгі элементтер үшін [Ar].
• Электрондарды қате санау: индекс-дәрежелердің қосындысы атом үшін Z-ке, ион үшін Z минус зарядқа тең болуы керек.
• Қосалқы қабықты шектен тыс толтыру, мысалы 2p⁷ немесе 3d¹¹.
• Әр орбитальда біреуден болмай тұрып p немесе d қосалқы қабығындағы электрондарды жұптау.
• d блокты қате қабыққа қою: 4-период 4d емес, 3d толтырады.
• Cr және Cu заңдылығын деректерді тексермей, олардың астындағы әр элементке қолдану.