Електронски конфигурации: редослед на Ауфбау, Хундово правило и јони

Обвивки, потподнивоа и капацитет на орбиталите

Секој електрон во атомот се опишува со четири квантни броеви. Главниот квантен број n (1, 2, 3, …) ја определува обвивката. Орбиталниот квантен број l се движи од 0 до n − 1 и го определува потподнивото: l = 0, 1, 2 и 3 се означуваат s, p, d и f. Магнетниот квантен број mₗ се движи од −l до +l, па потподнивото содржи 2l + 1 орбитали. Спинскиот квантен број mₛ е +½ или −½.

Бидејќи секоја орбитала собира најмногу два електрони, потподнивото s собира 2, p собира 6, d собира 10, а f собира 14. Комплетна обвивка собира 2n² електрони: 2 за n = 1, 8 за n = 2 и 18 за n = 3. Овие капацитети се причината зошто блоковите на периодниот систем се широки 2, 6, 10 и 14 колони.

Редослед на пополнување според Ауфбау и периодниот систем

Во основната состојба, електроните ги заземаат расположливите потподнивоа со најниска енергија; тоа е принципот на Ауфбау. Кај атом со многу електрони, енергијата на потподнивото зависи и од l, не само од n, бидејќи s-електронот продира поблиску до јадрото од p- или d-електронот со сличен n и е помалку засенчен од внатрешните електрони. Добиениот редослед за неутрални атоми е 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Правилото n + l го репродуцира овој редослед: пополнувајте ги потподнивоата по редослед на растечко n + l, а кога две потподнивоа се изедначат, прво пополнете го она со помало n. Така 4s (4 + 0 = 4) се пополнува пред 3d (3 + 2 = 5). Редоследот можете да го прочитате и од периодниот систем. Движејќи се низ периодата, минувате низ s-блокот, потоа f-блокот ако го има, потоа d-блокот, па p-блокот, при што d-потподнивото е за една обвивка зад бројот на периодата, а f-потподнивото за две.

Редоследот ви кажува кое потподниво го прима следниот електрон од еден елемент до следниот. Не значи дека 4s е секогаш пониско по енергија од 3d. Штом 3d е зафатено, неговата енергија паѓа под онаа на 4s, затоа катјоните на преодните метали први ги губат своите 4s електрони.

Паулиев принцип на исклучување, Хундово правило и орбитални дијаграми

Паулиевиот принцип на исклучување вели дека два електрони во атомот не можат да ги делат истите четири квантни броеви. Два електрони во една орбитала веќе ги делат n, l и mₗ, па мора да имаат спротивни спинови, и ниту една орбитала не може да собере трет.

Хундовото правило важи за дегенерирани орбитали, оние со еднаква енергија во рамките на потподниво. Електроните ги заземаат поединечно, со паралелни спинови, пред да започне кое било спарување. Спарувањето ја зголемува енергијата бидејќи два електрони во една орбитала се одбиваат посилно, додека паралелните спинови во одделни орбитали добиваат стабилизација од размена. Затоа 2p³ на азотот има три неспарени електрони, а 2p⁴ на кислородот има еден пар и два неспарени електрони.

Во орбиталниот дијаграм нацртајте по една кутија за секоја орбитала, пополнувајте ги потподнивоата по редоследот на Ауфбау и во рамките на потподнивото ставете по една стрелка во секоја кутија пред да додадете втора. Атомите со неспарени електрони се парамагнетни и се привлекуваат во магнетно поле; атомите со сите спарени електрони се дијамагнетни.

Решени примери: селен и циркониум

Пример 1: селен, Z = 34. Пополнувајте по редоследот на Ауфбау додека не се сместат 34 електрони: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Проверете го збирот: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. За запис со благороден гас, заменете ги првите 18 електрони со [Ar], благородниот гас што ја завршува претходната периода: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Наведувањето на потподнивоата по број на обвивката, како овде, е вообичаена конвенција; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ ја опишува истата конфигурација по редослед на пополнување.

Четирите 4p електрони на селенот се распоредуваат по три орбитали. Хундовото правило става по еден во секоја и го спарува четвртиот, оставајќи два неспарени електрони. Неговите шест валентни електрони, 4s² 4p⁴, одговараат на надворешниот образец на кислородот и сулфурот во група 16, затоа селенот го формира селенидниот јон, Se²⁻, изоелектронски со криптонот.

Пример 2: циркониум, Z = 40. По [Kr], што опфаќа 36 електрони, остануваат четири. Следните потподнивоа се 5s и потоа 4d, што дава [Kr] 4d² 5s², во согласност со податоците на NIST за основната состојба. Двата 4d електрони заземаат одделни орбитали со паралелни спинови, па циркониумот има два неспарени електрони.

Хром, бакар и исклучоци што се спротивставуваат на едноставните правила

Редоследот на Ауфбау предвидува [Ar] 3d⁴ 4s² за хромот и [Ar] 3d⁹ 4s² за бакарот. Спектроскопијата покажува [Ar] 3d⁵ 4s¹ и [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Бидејќи 4s и 3d се блиски по енергија кај овие атоми, преместувањето на еден електрон во 3d ја намалува вкупната енергија, потпомогнато од стабилизацијата од размена на полупополнето или пополнето d-потподниво. Молибденот, [Kr] 4d⁵ 5s¹, и среброто, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, го следат истиот образец како елементите над нив.

Објаснувањето со полупополнето потподниво не е општо правило. Ниобиумот е [Kr] 4d⁴ 5s¹ иако неговото 4d потподниво на крајот не е ниту полупополнето ниту пополнето; паладиумот е [Kr] 4d¹⁰ без 5s електрони; а волфрамот, директно под молибденот, е [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Исклучоците што ги бара вашиот курс научете ги од податоци, а не изведувајте ги од правило што не се генерализира.

Конфигурации на едноатомни јони

За анјон, додадете електрони на следното расположливо потподниво: хлорот, [Ne] 3s² 3p⁵, станува Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, изоелектронски со аргонот. За катјон, отстранувајте електрони прво од потподнивото со највисоко n, а во таа обвивка од p пред s. Кај преоден метал од првиот ред, тоа ги зема 4s електроните пред која било 3d електрони.

Пример 3: јони на железо. Железото е [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ ги губи двата 4s електрони и дава [Ar] 3d⁶, а Fe³⁺ губи уште еден, од 3d, и дава [Ar] 3d⁵. Проверете го бројот: железото има 26 електрони, Fe²⁺ има 18 + 6 = 24, а Fe³⁺ има 18 + 5 = 23. Слободниот јон Fe³⁺ има пет неспарени електрони, по еден во секоја 3d орбитала.

Истата логика важи и во p-блокот. Калајот е [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², а Sn²⁺ ги губи своите два 5p електрони и станува [Kr] 4d¹⁰ 5s². Бакарот(I) е [Ar] 3d¹⁰, бидејќи единствениот 4s електрон на бакарот си оди први.

Вообичаени грешки при пишување конфигурации

Повеќето грешки во конфигурациите спаѓаат во неколку образци, а секоја може да се фати со брза проверка пред да продолжите.

Кога прашањето бара неспарени електрони, нацртајте го орбиталниот дијаграм за делумно пополнетото потподниво наместо да судите по низата на конфигурацијата. Кога прашува за јон, напишете го прво неутралниот атом, па додајте или отстранете електрони.

• Отстранување на 3d електрони пред 4s: Fe²⁺ е [Ar] 3d⁶, а не [Ar] 3d⁴ 4s². Вообичаените катјони од првиот ред како Fe²⁺, Co²⁺ и Cu⁺ немаат 4s електрони.
• Користење на погрешно јадро од благороден гас: јадрото е благородниот гас од претходната периода, [Ar] за елементите од 19 до 36.
• Погрешно броење на електроните: степените мора да се собираат во Z за атом и во Z минус полнежот за јон.
• Преполнување на потподниво, како 2p⁷ или 3d¹¹.
• Спарување на електрони во p или d потподниво пред секоја орбитала да држи по еден.
• Ставање на d-блокот во погрешна обвивка: периодата 4 го пополнува 3d, а не 4d.
• Примена на образецот на Cr и Cu врз секој елемент под нив без проверка на податоците.