Elektronkonfigurasjoner: oppbyggingsrekkefølge, Hunds regel og ioner

Skall, underskall og orbitalkapasitet

Hvert elektron i et atom beskrives av fire kvantetall. Hovedkvantetallet n (1, 2, 3, …) bestemmer skallet. Banekvantetallet l går fra 0 til n − 1 og bestemmer underskallet: l = 0, 1, 2 og 3 betegnes s, p, d og f. Det magnetiske kvantetallet mₗ går fra −l til +l, så et underskall inneholder 2l + 1 orbitaler. Spinnkvantetallet mₛ er +½ eller −½.

Siden hver orbital rommer høyst to elektroner, rommer et s-underskall 2, p rommer 6, d rommer 10 og f rommer 14. Et fullt skall rommer 2n² elektroner: 2 for n = 1, 8 for n = 2 og 18 for n = 3. Disse kapasitetene er grunnen til at blokkene i periodesystemet er 2, 6, 10 og 14 kolonner brede.

Oppbyggingsrekkefølgen og periodesystemet

I grunntilstanden okkuperer elektronene underskallene med lavest energi som er tilgjengelige; dette er oppbyggingsprinsippet (aufbau-prinsippet). I et atom med mange elektroner avhenger energien til et underskall av l så vel som n, fordi et s-elektron trenger inn nærmere kjernen enn et p- eller d-elektron med omtrent samme n og er mindre skjermet av indre elektroner. Den resulterende rekkefølgen for nøytrale atomer er 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

N + l-regelen gjengir denne rekkefølgen: fyll underskall i rekkefølge etter økende n + l, og når to underskall står likt, fyller du det med lavest n først. Dermed fylles 4s (4 + 0 = 4) før 3d (3 + 2 = 5). Du kan også lese rekkefølgen av periodesystemet. Når du går gjennom en periode, passerer du s-blokken, deretter f-blokken hvis den finnes, så d-blokken og så p-blokken, der d-underskallet ligger ett skall bak periodenummeret og f-underskallet to bak.

Rekkefølgen forteller hvilket underskall som får det neste elektronet fra ett grunnstoff til det neste. Den betyr ikke at 4s alltid har lavere energi enn 3d. Når 3d er besatt, faller energien under energien til 4s, og det er grunnen til at kationer av overgangsmetaller mister 4s-elektronene først.

Paulis eksklusjonsprinsipp, Hunds regel og orbitaldiagrammer

Paulis eksklusjonsprinsipp sier at ikke to elektroner i et atom har de samme fire kvantetallene. To elektroner i én orbital har allerede felles n, l og mₗ, så de må ha motsatt spinn, og ingen orbital kan rumme et tredje.

Hunds regel gjelder for degenererte orbitaler, de med lik energi innenfor et underskall. Elektronene besetter dem enkeltvis, med parallelle spinn, før noen paring begynner. Paring øker energien fordi to elektroner i én orbital frastøter hverandre sterkere, mens parallelle spinn i separate orbitaler vinner utvekslingsstabilisering. Nitrogens 2p³ har derfor tre uparede elektroner, og oksygens 2p⁴ har ett par og to uparede elektroner.

I et orbitaldiagram tegner du én boks per orbital, fyller underskall i oppbyggingsrekkefølge, og setter innenfor et underskall én pil i hver boks før du legger til en andre. Atomer med uparede elektroner er paramagnetiske og trekkes inn i et magnetfelt; atomer der alle elektroner er parret, er diamagnetiske.

Regneeksempler: selen og zirkonium

Eksempel 1: selen, Z = 34. Fyll i oppbyggingsrekkefølge til 34 elektroner er plassert: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Kontroller summen: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. For edelgassnotasjon erstatter du de første 18 elektronene med [Ar], edelgassen som avslutter forrige periode: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Å liste underskall etter skallnummer, som her, er en vanlig konvensjon; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ beskriver den samme konfigurasjonen i fyllingsrekkefølge.

Selens fire 4p-elektroner fordeler seg på tre orbitaler. Hunds regel setter ett i hver og parer det fjerde, slik at to elektroner blir uparet. De seks valenselektronene, 4s² 4p⁴, tilsvarer det ytre mønsteret til oksygen og svovel i gruppe 16, og det er grunnen til at selen danner selenidionet, Se²⁻, som er isoelektronisk med krypton.

Eksempel 2: zirkonium, Z = 40. Etter [Kr], som står for 36 elektroner, er fire igjen. De neste underskallene er 5s og deretter 4d, noe som gir [Kr] 4d² 5s², i samsvar med NISTs data for grunntilstanden. De to 4d-elektronene okkuperer separate orbitaler med parallelle spinn, så zirkonium har to uparede elektroner.

Krom, kobber og unntak som trosser enkle regler

Oppbyggingsrekkefølgen forutsier [Ar] 3d⁴ 4s² for krom og [Ar] 3d⁹ 4s² for kobber. Spektroskopi viser [Ar] 3d⁵ 4s¹ og [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Fordi 4s og 3d ligger nær hverandre i energi i disse atomene, senker det den totale energien å flytte ett elektron til 3d, hjulpet av utvekslingsstabiliseringen i et halvfylt eller fullt d-underskall. Molybden, [Kr] 4d⁵ 5s¹, og sølv, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, følger det samme mønsteret som grunnstoffene over dem.

Forklaringen med halvfylt underskall er ikke en generell regel. Niob er [Kr] 4d⁴ 5s¹ selv om 4d-underskallet ender opp verken halvfylt eller fullt; palladium er [Kr] 4d¹⁰ uten 5s-elektroner; og wolfram, rett under molybden, er [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Lær de unntakene kurset ditt krever fra data i stedet for å utlede dem fra en regel som ikke lar seg generalisere.

Konfigurasjoner for enatomige ioner

For et anion legger du elektroner til i det neste tilgjengelige underskallet: klor, [Ne] 3s² 3p⁵, blir Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, isoelektronisk med argon. For et kation fjerner du elektroner fra underskallet med høyest n først, og innenfor det skallet fra p før s. For et overgangsmetall i første rad betyr det at 4s-elektronene fjernes før noen 3d-elektroner.

Eksempel 3: jernioner. Jern er [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ mister begge 4s-elektronene og får [Ar] 3d⁶, og Fe³⁺ mister ett til, fra 3d, og får [Ar] 3d⁵. Kontroller tellingen: jern har 26 elektroner, Fe²⁺ har 18 + 6 = 24, og Fe³⁺ har 18 + 5 = 23. Det frie Fe³⁺-ionet har fem uparede elektroner, ett i hver 3d-orbital.

Den samme logikken gjelder i p-blokken. Tinn er [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², og Sn²⁺ mister de to 5p-elektronene og blir [Kr] 4d¹⁰ 5s². Kobber(I) er [Ar] 3d¹⁰, fordi kobbers eneste 4s-elektron går først.

Vanlige feil når man skriver konfigurasjoner

De fleste konfigurasjonsfeil faller i noen få mønstre, og hver kan fanges med en rask kontroll før du går videre.

Når et spørsmål gjelder uparede elektroner, tegner du orbitaldiagrammet for det delvis fylte underskallet i stedet for å vurdere ut fra konfigurasjonsstrengen. Når det gjelder et ion, skriver du først det nøytrale atomet og legger deretter til eller fjerner elektroner.

• Å fjerne 3d-elektroner før 4s: Fe²⁺ er [Ar] 3d⁶, ikke [Ar] 3d⁴ 4s². Vanlige kationer i første rad, som Fe²⁺, Co²⁺ og Cu⁺, har ingen 4s-elektroner.
• Å bruke feil edelgasskjerne: kjernen er edelgassen fra forrige periode, [Ar] for grunnstoff 19 til 36.
• Å telle elektroner feil: hevede tall må summere seg til Z for et atom og til Z minus ladningen for et ion.
• Å overfylle et underskall, som 2p⁷ eller 3d¹¹.
• Å pare elektroner i et p- eller d-underskall før hver orbital har ett.
• Å plassere d-blokken i feil skall: periode 4 fyller 3d, ikke 4d.
• Å bruke Cr- og Cu-mønsteret på alle grunnstoffer under dem uten å sjekke data.