Mipangilio ya Elektroni: Mpangilio wa Aufbau, Kanuni ya Hund na Ioni

Magande, magande madogo na uwezo wa obiti

Kila elektroni katika atomi inaelezwa na namba nne za kwantumu. Namba kuu ya kwantumu n (1, 2, 3, …) huweka ganda. Namba ya kwantumu ya kasi ya pembe l huanzia 0 hadi n − 1 na huweka ganda dogo: l = 0, 1, 2, na 3 huitwa s, p, d, na f. Namba ya kwantumu ya sumaku mₗ huanzia −l hadi +l, kwa hivyo ganda dogo lina obiti 2l + 1. Namba ya kwantumu ya spini mₛ ni +½ au −½.

Kwa kuwa kila obiti hubeba elektroni mbili kwa upeo, ganda dogo s hubeba 2, p hubeba 6, d hubeba 10, na f hubeba 14. Ganda kamili hubeba elektroni 2n²: 2 kwa n = 1, 8 kwa n = 2, na 18 kwa n = 3. Uwezo huu ndio sababu ya vikundi vya jedwali la vipengele kuwa na upana wa safu wima 2, 6, 10 na 14.

Mpangilio wa kujaza wa aufbau na jedwali la vipengele

Katika hali ya msingi, elektroni hukalia magande madogo yenye nishati ya chini zaidi yaliyopo; hii ni kanuni ya aufbau. Katika atomi yenye elektroni nyingi, nishati ya ganda dogo hutegemea l pamoja na n, kwa sababu elektroni ya s hupenya karibu zaidi na kiini kuliko elektroni ya p au d ya n inayofanana na haikingwi sana na elektroni za ndani. Mpangilio unaotokana kwa atomi zisizo na chaji ni 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Kanuni ya n + l huzalisha mpangilio huu: jaza magande madogo kwa mpangilio wa n + l unaoongezeka, na magande madogo mawili yanapolingana, jaza lile lenye n ya chini kwanza. Kwa hivyo 4s (4 + 0 = 4) hujaza kabla ya 3d (3 + 2 = 5). Unaweza pia kusoma mpangilio kutoka kwenye jedwali la vipengele. Ukitembea kwenye kipindi, unapita kwenye kundi la s, kisha kundi la f ikiwepo, kisha kundi la d, kisha kundi la p, huku ganda dogo la d likiwa ganda moja nyuma ya namba ya kipindi na la f mawili nyuma.

Mpangilio unakuambia ni ganda dogo lipi hupokea elektroni inayofuata kutoka elementi moja hadi nyingine. Haimaanishi 4s daima ina nishati ya chini kuliko 3d. 3d inapokaliwa, nishati yake hushuka chini ya ile ya 4s, ndiyo sababu kationi za metali za mpito hupoteza elektroni zao za 4s kwanza.

Kanuni ya Pauli, kanuni ya Hund na michoro ya obiti

Kanuni ya kutojumuisha ya Pauli inasema hakuna elektroni mbili katika atomi zinazoshiriki namba nne zile zile za kwantumu. Elektroni mbili katika obiti moja tayari zinashiriki n, l, na mₗ, kwa hivyo lazima ziwe na spini kinyume, na hakuna obiti inayoweza kubeba ya tatu.

Kanuni ya Hund inatumika kwa obiti zenye nishati sawa, zile za nishati sawa ndani ya ganda dogo. Elektroni huzikalia mmoja mmoja, kwa spini sambamba, kabla uoanishaji wowote kuanza. Uoanishaji huongeza nishati kwa sababu elektroni mbili katika obiti moja hukataana kwa nguvu zaidi, wakati spini sambamba katika obiti tofauti hupata uthabiti wa ubadilishanaji. 2p³ ya naitrojeni kwa hivyo ina elektroni tatu zisizooanishwa, na 2p⁴ ya oksijeni ina jozi moja na elektroni mbili zisizooanishwa.

Katika mchoro wa obiti, chora kisanduku kimoja kwa kila obiti, jaza magande madogo kwa mpangilio wa aufbau, na ndani ya ganda dogo weka mshale mmoja katika kila kisanduku kabla ya kuongeza wa pili. Atomi zenye elektroni zisizooanishwa ni paramagnetiki na huvutwa ndani ya uga wa sumaku; atomi zenye elektroni zote zimeoanishwa ni diamagnetiki.

Mifano iliyotatuliwa: selenium na zirkoniamu

Mfano 1: selenium, Z = 34. Jaza kwa mpangilio wa aufbau hadi elektroni 34 ziwekwe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Kagua jumla: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Kwa nukuu ya gesi adhimu, badilisha elektroni 18 za kwanza na [Ar], gesi adhimu inayomaliza kipindi kilichotangulia: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Kuorodhesha magande madogo kwa namba ya ganda, kama hapa, ni mkataba wa kawaida; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ inaeleza mpangilio ule ule kwa mpangilio wa kujaza.

Elektroni nne za 4p za selenium zinasambaa katika obiti tatu. Kanuni ya Hund inaweka moja katika kila moja na kuoanisha ya nne, ikiacha elektroni mbili zisizooanishwa. Elektroni zake sita za valensi, 4s² 4p⁴, zinalingana na mtindo wa nje wa oksijeni na salfa katika kundi la 16, ndiyo sababu selenium huunda ioni ya selenidi, Se²⁻, yenye elektroni sawa na kriptoni.

Mfano 2: zirkoniamu, Z = 40. Baada ya [Kr], inayohesabu elektroni 36, nne zinabaki. Magande madogo yanayofuata ni 5s kisha 4d, yakitoa [Kr] 4d² 5s², ambalo linakubaliana na data ya hali ya msingi ya NIST. Elektroni mbili za 4d zinakalia obiti tofauti kwa spini sambamba, kwa hivyo zirkoniamu ina elektroni mbili zisizooanishwa.

Kromiamu, shaba na vighairi vinavyopinga kanuni rahisi

Mpangilio wa aufbau unatabiri [Ar] 3d⁴ 4s² kwa kromiamu na [Ar] 3d⁹ 4s² kwa shaba. Spektroskopia inaonyesha [Ar] 3d⁵ 4s¹ na [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Kwa kuwa 4s na 3d ziko karibu kwa nishati katika atomi hizi, kuhamisha elektroni moja hadi 3d hupunguza nishati ya jumla, ikisaidiwa na uthabiti wa ubadilishanaji wa ganda dogo la d lililojaa nusu au kujaa. Molibdenamu, [Kr] 4d⁵ 5s¹, na fedha, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, zinafuata mtindo ule ule kama elementi zilizo juu yake.

Maelezo ya ganda dogo lililojaa nusu si kanuni ya jumla. Niobiamu ni [Kr] 4d⁴ 5s¹ ingawa ganda lake dogo la 4d halimaliziki kujaa nusu wala kujaa; paladiamu ni [Kr] 4d¹⁰ bila elektroni za 5s; na tungsteni, moja kwa moja chini ya molibdenamu, ni [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Jifunze vighairi ambavyo kozi yako inahitaji kutoka kwenye data badala ya kuvitokeza kutoka kwa kanuni isiyo ya jumla.

Mipangilio ya ioni za atomi moja

Kwa anioni, ongeza elektroni kwenye ganda dogo linalofuata lililopo: klorini, [Ne] 3s² 3p⁵, inakuwa Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶, yenye elektroni sawa na aragoni. Kwa kationi, ondoa elektroni kutoka kwenye ganda dogo lenye n ya juu zaidi kwanza, na ndani ya ganda hilo kutoka p kabla ya s. Kwa metali ya mpito ya safu ya kwanza, hiyo huchukua elektroni za 4s kabla ya elektroni zozote za 3d.

Mfano 3: ioni za chuma. Chuma ni [Ar] 3d⁶ 4s². Fe²⁺ hupoteza elektroni zote mbili za 4s na kutoa [Ar] 3d⁶, na Fe³⁺ hupoteza moja zaidi, kutoka 3d, na kutoa [Ar] 3d⁵. Kagua hesabu: chuma kina elektroni 26, Fe²⁺ ina 18 + 6 = 24, na Fe³⁺ ina 18 + 5 = 23. Ioni huru ya Fe³⁺ ina elektroni tano zisizooanishwa, moja katika kila obiti ya 3d.

Mantiki ile ile inatumika katika kundi la p. Bati ni [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p², na Sn²⁺ hupoteza elektroni zake mbili za 5p na kuwa [Kr] 4d¹⁰ 5s². Shaba(I) ni [Ar] 3d¹⁰, kwa sababu elektroni moja ya 4s ya shaba huondoka kwanza.

Makosa ya kawaida wakati wa kuandika mipangilio

Makosa mengi ya mipangilio yanaangukia katika mitindo michache, na kila moja linaweza kugunduliwa kwa ukaguzi wa haraka kabla ya kuendelea.

Swali linapouliza elektroni zisizooanishwa, chora mchoro wa obiti kwa ganda dogo lililojazwa kwa sehemu badala ya kuhukumu kutoka kwenye mfuatano wa mpangilio. Linapouliza kuhusu ioni, andika atomi isiyo na chaji kwanza, kisha ongeza au ondoa elektroni.

• Kuondoa elektroni za 3d kabla ya 4s: Fe²⁺ ni [Ar] 3d⁶, si [Ar] 3d⁴ 4s². Kationi za kawaida za safu ya kwanza kama Fe²⁺, Co²⁺ na Cu⁺ hazina elektroni za 4s.
• Kutumia kiini cha gesi adhimu kisicho sahihi: kiini ni gesi adhimu ya kipindi kilichotangulia, [Ar] kwa elementi 19 hadi 36.
• Kuhesabu elektroni vibaya: vipeo vya juu lazima vijumlishe Z kwa atomi na Z ukitoa chaji kwa ioni.
• Kujaza ganda dogo kupita kiasi, kama 2p⁷ au 3d¹¹.
• Kuoanisha elektroni katika ganda dogo la p au d kabla kila obiti haijabeba moja.
• Kuweka kundi la d katika ganda lisilo sahihi: kipindi cha 4 hujaza 3d, si 4d.
• Kutumia mtindo wa Cr na Cu kwa kila elementi iliyo chini yake bila kukagua data.