Elektronske konfiguracije: Aufbauov vrstni red, Hundovo pravilo in ioni

Lupine, podlupine in zmogljivost orbital

Vsak elektron v atomu opisujejo štiri kvantna števila. Glavno kvantno število n (1, 2, 3, …) določa lupino. Stransko kvantno število l teče od 0 do n − 1 in določa podlupino: l = 0, 1, 2 in 3 so označeni s s, p, d in f. Magnetno kvantno število mₗ teče od −l do +l, zato podlupina vsebuje 2l + 1 orbital. Spinsko kvantno število mₛ je +½ ali −½.

Ker vsaka orbitala sprejme največ dva elektrona, podlupina s sprejme 2, p 6, d 10 in f 14. Polna lupina sprejme 2n² elektronov: 2 za n = 1, 8 za n = 2 in 18 za n = 3. Zaradi teh zmogljivosti so bloki periodnega sistema široki 2, 6, 10 in 14 stolpcev.

Aufbauov vrstni red polnjenja in periodni sistem

V osnovnem stanju elektroni zasedajo podlupine z najnižjo razpoložljivo energijo; to je Aufbauovo načelo. V atomu z več elektroni je energija podlupine odvisna od l in od n, ker elektron s prodre bližje jedru kot elektron p ali d s podobnim n in ga notranji elektroni manj zasenčijo. Dobljeni vrstni red za nevtralne atome je 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Pravilo n + l ta vrstni red reproducira: podlupine polnite po naraščajočem n + l, pri izenačenju pa najprej polnite tisto z nižjim n. Tako se 4s (4 + 0 = 4) napolni pred 3d (3 + 2 = 5). Vrstni red lahko preberete tudi iz periodnega sistema. Ko se premikate po periodi, greste skozi blok s, nato blok f, če obstaja, nato blok d, nato blok p, pri čemer je podlupina d za eno lupino za številko periode, podlupina f pa za dve.

Vrstni red pove, katera podlupina prejme naslednji elektron od elementa do elementa. Ne pomeni, da je 4s vedno nižje v energiji kot 3d. Ko je 3d zasedena, njena energija pade pod energijo 4s, zato kationi prehodnih kovin najprej izgubijo svoje elektrone 4s.

Paulijevo izključitveno načelo, Hundovo pravilo in orbitalni diagrami

Paulijevo izključitveno načelo pravi, da si noben par elektronov v atomu ne deli enakih štirih kvantnih števil. Dva elektrona v isti orbitali si že delita n, l in mₗ, zato morata imeti nasprotna spina in nobena orbitala ne sprejme tretjega.

Hundovo pravilo velja za degenerirane orbitale, tiste z enako energijo znotraj podlupine. Elektroni jih zasedajo posamično, z vzporednima spinoma, preden se začne kakršno koli sparjanje. Sparjanje dvigne energijo, ker se dva elektrona v isti orbitali močneje odbijata, vzporedna spina v ločenih orbitalah pa pridobita izmenjalno stabilizacijo. Dušikov 2p³ ima zato tri nesparjene elektrone, kisikov 2p⁴ pa en par in dva nesparjena elektrona.

V orbitalnem diagramu narišite eno polje na orbitalo, podlupine polnite po Aufbauovem vrstnem redu in znotraj podlupine postavite eno puščico v vsako polje, preden dodate drugo. Atomi z nesparjenimi elektroni so paramagnetni in jih magnetno polje privlači; atomi z vsemi sparjenimi elektroni so diamagnetni.

Rešena primera: selen in cirkonij

Primer 1: selen, Z = 34. Polnite po Aufbauovem vrstnem redu, dokler ni nameščenih 34 elektronov: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Preverite vsoto: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Pri zapisu s plemenitim plinom prvih 18 elektronov zamenjajte z [Ar], plemenitim plinom, ki zaključuje prejšnjo periodo: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Naštevanje podlupin po številki lupine, kot tukaj, je pogost dogovor; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ opisuje isto konfiguracijo v vrstnem redu polnjenja.

Selenovi štirje elektroni 4p se razporedijo po treh orbitalah. Hundovo pravilo postavi enega v vsako in sparji četrtega, tako da ostaneta dva nesparjena elektrona. Njegovih šest valenčnih elektronov, 4s² 4p⁴, ustreza zunanjemu vzorcu kisika in žvepla v skupini 16, zato selen tvori selenidni ion, Se²⁻, izoelektronski s kriptonom.

Primer 2: cirkonij, Z = 40. Po [Kr], ki pojasni 36 elektronov, jih ostanejo štirje. Naslednji podlupini sta 5s in nato 4d, kar da [Kr] 4d² 5s², kar se ujema s podatki NIST za osnovno stanje. Dva elektrona 4d zasedata ločeni orbitali z vzporednima spinoma, zato ima cirkonij dva nesparjena elektrona.

Krom, baker in izjeme, ki se upirajo preprostim pravilom

Aufbauov vrstni red napoveduje [Ar] 3d⁴ 4s² za krom in [Ar] 3d⁹ 4s² za baker. Spektroskopija pokaže [Ar] 3d⁵ 4s¹ in [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Ker sta 4s in 3d v teh atomih blizu v energiji, prenos enega elektrona v 3d zniža skupno energijo, kar pomaga izmenjalna stabilizacija napol zapolnjene ali polne podlupine d. Molibden, [Kr] 4d⁵ 5s¹, in srebro, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, sledita istemu vzorcu kot elementa nad njima.

Razlaga z napol zapolnjeno podlupino ni splošno pravilo. Niobij je [Kr] 4d⁴ 5s¹, čeprav njegova podlupina 4d na koncu ni niti napol zapolnjena niti polna; paladij je [Kr] 4d¹⁰ brez elektronov 5s; volfram, neposredno pod molibdenom, pa je [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Izjeme, ki jih zahteva vaš tečaj, se naučite iz podatkov in jih ne izpeljujte iz pravila, ki ne velja splošno.

Konfiguracije enoatomnih ionov

Pri anionu dodajte elektrone v naslednjo razpoložljivo podlupino: klor, [Ne] 3s² 3p⁵, postane Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, izoelektronski z argonom. Pri kationu najprej odstranite elektrone iz podlupine z najvišjim n, znotraj te lupine pa iz p pred s. Pri prehodni kovini prve vrste to vzame elektrone 4s pred kakršnimi koli elektroni 3d.

Primer 3: ioni železa. Železo je [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ izgubi oba elektrona 4s in da [Ar] 3d⁶, Fe³⁺ pa izgubi še enega, iz 3d, in da [Ar] 3d⁵. Preverite števila: železo ima 26 elektronov, Fe²⁺ ima 18 + 6 = 24 in Fe³⁺ ima 18 + 5 = 23. Prosti ion Fe³⁺ ima pet nesparjenih elektronov, po enega v vsaki orbitali 3d.

Ista logika velja v bloku p. Kositer je [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², Sn²⁺ pa izgubi svoja dva elektrona 5p in postane [Kr] 4d¹⁰ 5s². Baker(I) je [Ar] 3d¹⁰, ker bakrov edini elektron 4s odide prvi.

Pogoste napake pri zapisu konfiguracij

Večina napak pri konfiguracijah spada v nekaj vzorcev in vsakega je mogoče ujeti s hitrim preverjanjem, preden greste naprej.

Kadar vprašanje sprašuje po nesparjenih elektronih, narišite orbitalni diagram za delno zapolnjeno podlupino in ne sodite po nizu konfiguracije. Kadar sprašuje po ionu, najprej zapišite nevtralni atom, nato dodajte ali odstranite elektrone.

• Odstranjevanje elektronov 3d pred 4s: Fe²⁺ je [Ar] 3d⁶, ne [Ar] 3d⁴ 4s². Pogosti kationi prve vrste, kot so Fe²⁺, Co²⁺ in Cu⁺, nimajo elektronov 4s.
• Uporaba napačnega jedra s plemenitim plinom: jedro je plemeniti plin iz prejšnje periode, [Ar] za elemente od 19 do 36.
• Napačno štetje elektronov: eksponenti se morajo sešteti v Z za atom in v Z minus naboj za ion.
• Prepolnitev podlupine, na primer 2p⁷ ali 3d¹¹.
• Sparjanje elektronov v podlupini p ali d, preden vsaka orbitala vsebuje enega.
• Namestitev bloka d v napačno lupino: perioda 4 polni 3d, ne 4d.
• Uporaba vzorca Cr in Cu za vsak element pod njima brez preverjanja podatkov.