Elektrónové konfigurácie: poradie výstavby, Hundovo pravidlo a ióny

Vrstvy, podvrstvy a kapacita orbitálov

Každý elektrón v atóme je opísaný štyrmi kvantovými číslami. Hlavné kvantové číslo n (1, 2, 3, …) určuje vrstvu. Vedľajšie kvantové číslo l prebieha od 0 do n − 1 a určuje podvrstvu: l = 0, 1, 2 a 3 sa označujú s, p, d a f. Magnetické kvantové číslo mₗ prebieha od −l do +l, takže podvrstva obsahuje 2l + 1 orbitálov. Spinové kvantové číslo mₛ je +½ alebo −½.

Keďže každý orbitál pojme najviac dva elektróny, podvrstva s pojme 2, p pojme 6, d pojme 10 a f pojme 14. Úplná vrstva pojme 2n² elektrónov: 2 pre n = 1, 8 pre n = 2 a 18 pre n = 3. Tieto kapacity sú dôvodom, prečo majú bloky periodickej tabuľky šírku 2, 6, 10 a 14 stĺpcov.

Poradie zapĺňania podľa princípu výstavby a periodická tabuľka

V základnom stave elektróny obsadzujú podvrstvy s najnižšou dostupnou energiou; je to princíp výstavby (aufbau). V atóme s mnohými elektrónmi závisí energia podvrstvy od l aj od n, pretože elektrón s preniká bližšie k jadru než elektrón p alebo d s podobným n a je menej tienený vnútornými elektrónmi. Výsledné poradie pre neutrálne atómy je 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Pravidlo n + l toto poradie reprodukuje: podvrstvy zapĺňajte v poradí rastúceho n + l a pri zhode dvoch podvrstiev zapĺňajte najprv tú s nižším n. Takže 4s (4 + 0 = 4) sa zapĺňa pred 3d (3 + 2 = 5). Poradie môžete vyčítať aj z periodickej tabuľky. Pri prechode periódou prejdete blokom s, potom blokom f, ak je prítomný, potom blokom d a potom blokom p, pričom podvrstva d je o jednu vrstvu za číslom periódy a podvrstva f o dve.

Poradie hovorí, ktorá podvrstva dostane ďalší elektrón pri prechode od prvku k prvku. Neznamená to, že 4s má vždy nižšiu energiu než 3d. Keď je 3d obsadená, jej energia klesne pod energiu 4s, a preto katióny prechodných kovov strácajú elektróny 4s ako prvé.

Pauliho vylučovací princíp, Hundovo pravidlo a orbitálne diagramy

Pauliho vylučovací princíp hovorí, že žiadne dva elektróny v atóme nezdieľajú rovnaké štyri kvantové čísla. Dva elektróny v jednom orbitáli už zdieľajú n, l a mₗ, takže musia mať opačné spiny a žiadny orbitál nemôže pojať tretí.

Hundovo pravidlo sa vzťahuje na degenerované orbitály, teda orbitály s rovnakou energiou v rámci podvrstvy. Elektróny ich obsadzujú po jednom, s rovnobežnými spinmi, kým sa začne párovanie. Párovanie zvyšuje energiu, pretože dva elektróny v jednom orbitáli sa silnejšie odpudzujú, zatiaľ čo rovnobežné spiny v oddelených orbitáloch získavajú výmennú stabilizáciu. Dusík so 2p³ má preto tri nespárované elektróny a kyslík so 2p⁴ má jeden pár a dva nespárované elektróny.

V orbitálnom diagrame nakreslite jedno políčko na orbitál, podvrstvy zapĺňajte v poradí výstavby a v rámci podvrstvy dajte jednu šípku do každého políčka skôr, než pridáte druhú. Atómy s nespárovanými elektrónmi sú paramagnetické a magnetické pole ich priťahuje; atómy so všetkými elektrónmi spárovanými sú diamagnetické.

Riešené príklady: selén a zirkónium

Príklad 1: selén, Z = 34. Zapĺňajte v poradí výstavby, kým nie je umiestnených 34 elektrónov: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Skontrolujte súčet: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Pri zápise so vzácnym plynom nahraďte prvých 18 elektrónov symbolom [Ar], vzácnym plynom, ktorý ukončuje predchádzajúcu periódu: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Uvádzanie podvrstiev podľa čísla vrstvy, ako tu, je bežná konvencia; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ opisuje tú istú konfiguráciu v poradí zapĺňania.

Štyri elektróny 4p selénu sa rozložia do troch orbitálov. Hundovo pravidlo dá po jednom do každého a štvrtý spáruje, takže ostanú dva nespárované elektróny. Jeho šesť valenčných elektrónov, 4s² 4p⁴, zodpovedá vonkajšiemu vzoru kyslíka a síry v 16. skupine, a preto selén tvorí selenidový anión Se²⁻, izoelektrónový s kryptónom.

Príklad 2: zirkónium, Z = 40. Po [Kr], ktoré zodpovedá 36 elektrónom, ostávajú štyri. Ďalšie podvrstvy sú 5s a potom 4d, čo dáva [Kr] 4d² 5s², a to súhlasí s údajmi NIST o základnom stave. Dva elektróny 4d obsadzujú oddelené orbitály s rovnobežnými spinmi, takže zirkónium má dva nespárované elektróny.

Chróm, meď a výnimky, ktoré sa jednoduchým pravidlám vzpierajú

Poradie výstavby predpovedá [Ar] 3d⁴ 4s² pre chróm a [Ar] 3d⁹ 4s² pre meď. Spektroskopia ukazuje [Ar] 3d⁵ 4s¹ a [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Keďže 4s a 3d sú v týchto atómoch blízko v energii, presunutie jedného elektrónu do 3d znižuje celkovú energiu, čomu pomáha výmenná stabilizácia z polovične zaplnenej alebo zaplnenej podvrstvy d. Molybdén, [Kr] 4d⁵ 5s¹, a striebro, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, sledujú rovnaký vzor ako prvky nad nimi.

Vysvetlenie polovične zaplnenou podvrstvou nie je všeobecné pravidlo. Nióbium je [Kr] 4d⁴ 5s¹, hoci jeho podvrstva 4d nakoniec nie je ani polovične zaplnená, ani zaplnená; paládium je [Kr] 4d¹⁰ bez elektrónov 5s; a volfrám, priamo pod molybdénom, je [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Výnimky, ktoré váš kurz vyžaduje, sa naučte z údajov namiesto odvodzovania z pravidla, ktoré sa nedá zovšeobecniť.

Konfigurácie jednoatómových iónov

Pri anióne pridávajte elektróny do ďalšej dostupnej podvrstvy: chlór, [Ne] 3s² 3p⁵, sa stane Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, izoelektrónový s argónom. Pri katióne odoberajte elektróny najprv z podvrstvy s najvyšším n a v rámci tejto vrstvy skôr z p než z s. Pri prechodnom kove prvej rady to znamená odobrať elektróny 4s pred akýmikoľvek elektrónmi 3d.

Príklad 3: ióny železa. Železo je [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ stratí oba elektróny 4s a dá [Ar] 3d⁶ a Fe³⁺ stratí ešte jeden, z 3d, a dá [Ar] 3d⁵. Skontrolujte počty: železo má 26 elektrónov, Fe²⁺ má 18 + 6 = 24 a Fe³⁺ má 18 + 5 = 23. Voľný ión Fe³⁺ má päť nespárovaných elektrónov, po jednom v každom orbitáli 3d.

Rovnaká logika platí v bloku p. Cín je [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p² a Sn²⁺ stratí svoje dva elektróny 5p a stane sa [Kr] 4d¹⁰ 5s². Meď(I) je [Ar] 3d¹⁰, pretože jediný elektrón 4s medi odchádza prvý.

Časté chyby pri písaní konfigurácií

Väčšina chýb v konfiguráciách spadá do niekoľkých vzorov a každú možno zachytiť rýchlou kontrolou skôr, než pôjdete ďalej.

Keď sa otázka pýta na nespárované elektróny, nakreslite orbitálny diagram čiastočne zaplnenej podvrstvy, namiesto úsudku z reťazca konfigurácie. Keď sa pýta na ión, napíšte najprv neutrálny atóm a potom elektróny pridajte alebo odoberte.

• Odoberanie elektrónov 3d pred 4s: Fe²⁺ je [Ar] 3d⁶, nie [Ar] 3d⁴ 4s². Bežné katióny prvej rady, ako Fe²⁺, Co²⁺ a Cu⁺, nemajú elektróny 4s.
• Použitie nesprávneho jadra vzácneho plynu: jadro tvorí vzácny plyn z predchádzajúcej periódy, [Ar] pre prvky 19 až 36.
• Nesprávne spočítanie elektrónov: horné indexy sa musia sčítať na Z pre atóm a na Z mínus náboj pre ión.
• Preplnenie podvrstvy, napríklad 2p⁷ alebo 3d¹¹.
• Párovanie elektrónov v podvrstve p alebo d skôr, než každý orbitál obsahuje jeden.
• Umiestnenie bloku d do nesprávnej vrstvy: 4. perióda zapĺňa 3d, nie 4d.
• Uplatnenie vzoru Cr a Cu na každý prvok pod nimi bez kontroly údajov.