Електронске конфигурације: ауфбау редослед, Хундово правило и јони

Љуске, подљуске и капацитет орбитала

Сваки електрон у атому описан је са четири квантна броја. Главни квантни број n (1, 2, 3, …) одређује љуску. Орбитални (азимутални) квантни број l креће се од 0 до n − 1 и одређује подљуску: l = 0, 1, 2 и 3 означавају се са s, p, d и f. Магнетни квантни број mₗ креће се од −l до +l, па подљуска садржи 2l + 1 орбитала. Спински квантни број mₛ је +½ или −½.

Пошто свака орбитала прима највише два електрона, s подљуска прима 2, p прима 6, d прима 10, а f прима 14. Потпуна љуска прима 2n² електрона: 2 за n = 1, 8 за n = 2 и 18 за n = 3. Због ових капацитета блокови периодног система широки су 2, 6, 10 и 14 колона.

Ауфбау редослед попуњавања и периодни систем

У основном стању електрони заузимају подљуске најниже енергије које су им на располагању; то је ауфбау принцип. У атому са много електрона енергија подљуске зависи и од l и од n, јер s електрон продире ближе језгру од p или d електрона сличног n и мање је заклоњен унутрашњим електронима. Добијени редослед за неутралне атоме је 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Правило n + l даје исти редослед: попуњавајте подљуске по растућем n + l, а када две подљуске имају исту вредност, прво попуните ону са мањим n. Тако се 4s (4 + 0 = 4) попуњава пре 3d (3 + 2 = 5). Редослед можете прочитати и из периодног система. Крећући се дуж периоде, пролазите кроз s блок, затим f блок ако постоји, затим d блок, затим p блок, при чему је d подљуска једну љуску иза броја периоде, а f подљуска две иза.

Редослед вам говори која подљуска прима следећи електрон од једног елемента до другог. Не значи да је 4s увек нижа по енергији од 3d. Када је 3d заузета, њена енергија пада испод енергије 4s, због чега катјони прелазних метала прво губе своје 4s електроне.

Паулијев принцип искључења, Хундово правило и дијаграми орбитала

Паулијев принцип искључења каже да никаква два електрона у атому немају иста четири квантна броја. Два електрона у једној орбитали већ деле n, l и mₗ, па морају имати супротне спинове, и ниједна орбитала не може примити трећи.

Хундово правило важи за дегенерисане орбитале, оне једнаке енергије унутар подљуске. Електрони их заузимају појединачно, са паралелним спиновима, пре него што почне упаривање. Упаривање подиже енергију јер се два електрона у једној орбитали јаче одбијају, док паралелни спинови у засебним орбиталама добијају разменску стабилизацију. Азотово 2p³ стога има три неспарена електрона, а кисеоников 2p⁴ има један пар и два неспарена електрона.

У дијаграму орбитала нацртајте по једно поље за сваку орбиталу, попуњавајте подљуске ауфбау редоследом и унутар подљуске ставите по једну стрелицу у свако поље пре него што додате другу. Атоми са неспареним електронима су парамагнетични и привлачи их магнетно поље; атоми са свим упареним електронима су дијамагнетични.

Решени примери: селен и цирконијум

Пример 1: селен, Z = 34. Попуњавајте ауфбау редоследом док се не распореди 34 електрона: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Проверите укупан број: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. За запис преко племенитог гаса, првих 18 електрона замените са [Ar], племенитим гасом који завршава претходну периоду: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Навођење подљуски по броју љуске, као овде, уобичајена је конвенција; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ описује исту конфигурацију по редоследу попуњавања.

Четири 4p електрона селена распоређена су на три орбитале. Хундово правило ставља по један у сваку и упарује четврти, остављајући два неспарена електрона. Његових шест валентних електрона, 4s² 4p⁴, одговара спољашњем обрасцу кисеоника и сумпора у 16. групи, због чега селен гради селенидни јон, Se²⁻, изоелектронски са криптоном.

Пример 2: цирконијум, Z = 40. После [Kr], који чини 36 електрона, преостају четири. Следеће подљуске су 5s, а затим 4d, што даје [Kr] 4d² 5s², у складу са NIST подацима за основно стање. Два 4d електрона заузимају засебне орбитале са паралелним спиновима, па цирконијум има два неспарена електрона.

Хром, бакар и изузеци који пркосе једноставним правилима

Ауфбау редослед предвиђа [Ar] 3d⁴ 4s² за хром и [Ar] 3d⁹ 4s² за бакар. Спектроскопија показује [Ar] 3d⁵ 4s¹ и [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Пошто су 4s и 3d у овим атомима блиски по енергији, премештање једног електрона у 3d снижава укупну енергију, уз помоћ разменске стабилизације полупопуњене или попуњене d подљуске. Молибден, [Kr] 4d⁵ 5s¹, и сребро, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, прате исти образац као елементи изнад њих.

Објашњење полупопуњене подљуске није опште правило. Ниобијум је [Kr] 4d⁴ 5s¹ иако његова 4d подљуска не завршава ни полупопуњена ни попуњена; паладијум је [Kr] 4d¹⁰ без 5s електрона; а волфрам, непосредно испод молибдена, је [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Изузетке које ваш курс захтева учите из података, а не извођењем из правила које се не генерализује.

Конфигурације једноатомних јона

За анјон додајте електроне у следећу расположиву подљуску: хлор, [Ne] 3s² 3p⁵, постаје Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, изоелектронски са аргоном. За катјон прво уклањајте електроне из подљуске са највећим n, а унутар те љуске из p пре s. За прелазни метал прве серије то значи да се 4s електрони уклањају пре било ког 3d електрона.

Пример 3: јони гвожђа. Гвожђе је [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ губи оба 4s електрона и даје [Ar] 3d⁶, а Fe³⁺ губи још један, из 3d, и даје [Ar] 3d⁵. Проверите бројеве: гвожђе има 26 електрона, Fe²⁺ има 18 + 6 = 24, а Fe³⁺ има 18 + 5 = 23. Слободни јон Fe³⁺ има пет неспарених електрона, по један у свакој 3d орбитали.

Иста логика важи у p блоку. Калај је [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², а Sn²⁺ губи своја два 5p електрона и постаје [Kr] 4d¹⁰ 5s². Бакар(I) је [Ar] 3d¹⁰, јер први одлази једини 4s електрон бакра.

Уобичајене грешке при писању конфигурација

Већина грешака у конфигурацијама спада у неколико образаца, а сваки се може ухватити кратком провером пре него што наставите.

Када питање тражи неспарене електроне, нацртајте дијаграм орбитала за делимично попуњену подљуску уместо да просуђујете на основу низа конфигурације. Када пита за јон, прво напишите неутрални атом, а затим додајте или уклоните електроне.

• Уклањање 3d електрона пре 4s: Fe²⁺ је [Ar] 3d⁶, а не [Ar] 3d⁴ 4s². Уобичајени катјони прве серије као што су Fe²⁺, Co²⁺ и Cu⁺ немају 4s електроне.
• Употреба погрешног језгра племенитог гаса: језгро је племенити гас из претходне периоде, [Ar] за елементе од 19 до 36.
• Погрешно бројање електрона: експоненти морају давати збир Z за атом и Z минус наелектрисање за јон.
• Препуњавање подљуске, на пример 2p⁷ или 3d¹¹.
• Упаривање електрона у p или d подљусци пре него што свака орбитала садржи један.
• Постављање d блока у погрешну љуску: у 4. периоди се попуњава 3d, а не 4d.
• Примена образаца Cr и Cu на сваки елемент испод њих без провере података.