การจัดเรียงอิเล็กตรอน: ลำดับเอาฟบาว กฎของฮุนด์ และไอออน

ระดับพลังงานหลัก ระดับพลังงานย่อย และความจุของออร์บิทัล

อิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมอธิบายด้วยเลขควอนตัมสี่ตัว เลขควอนตัมหลัก n (1, 2, 3, …) กำหนดระดับพลังงานหลัก เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม l มีค่าตั้งแต่ 0 ถึง n − 1 และกำหนดระดับพลังงานย่อย: l = 0, 1, 2 และ 3 เรียกว่า s, p, d และ f เลขควอนตัมแม่เหล็ก mₗ มีค่าตั้งแต่ −l ถึง +l ระดับพลังงานย่อยจึงมีออร์บิทัล 2l + 1 ออร์บิทัล เลขควอนตัมสปิน mₛ เป็น +½ หรือ −½

เพราะแต่ละออร์บิทัลจุอิเล็กตรอนได้มากที่สุดสองตัว ระดับพลังงานย่อย s จุได้ 2 ตัว p จุ 6 ตัว d จุ 10 ตัว และ f จุ 14 ตัว ระดับพลังงานหลักที่เต็มจุได้ 2n² ตัว: 2 สำหรับ n = 1, 8 สำหรับ n = 2 และ 18 สำหรับ n = 3 ความจุเหล่านี้คือเหตุผลที่บล็อกของตารางธาตุกว้าง 2, 6, 10 และ 14 คอลัมน์

ลำดับการเติมเอาฟบาวและตารางธาตุ

ในสถานะพื้น อิเล็กตรอนครอบครองระดับพลังงานย่อยที่มีพลังงานต่ำที่สุดเท่าที่มี นี่คือหลักเอาฟบาว ในอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน พลังงานของระดับพลังงานย่อยขึ้นกับ l เช่นเดียวกับ n เพราะอิเล็กตรอน s เจาะเข้าใกล้นิวเคลียสมากกว่าอิเล็กตรอน p หรือ d ที่มี n ใกล้เคียงกัน และถูกอิเล็กตรอนชั้นในกำบังน้อยกว่า ลำดับที่ได้สำหรับอะตอมเป็นกลางคือ 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p

กฎ n + l ให้ลำดับเดียวกัน: เติมระดับพลังงานย่อยตามค่า n + l ที่เพิ่มขึ้น และเมื่อสองระดับเท่ากัน ให้เติมระดับที่ n ต่ำกว่าก่อน ดังนั้น 4s (4 + 0 = 4) เติมก่อน 3d (3 + 2 = 5) คุณยังอ่านลำดับจากตารางธาตุได้ด้วย เมื่อเดินผ่านคาบ คุณจะผ่านบล็อก s แล้วบล็อก f ถ้ามี แล้วบล็อก d จากนั้นบล็อก p โดยระดับพลังงานย่อย d อยู่ถอยหลังจากเลขคาบหนึ่งระดับ และ f ถอยหลังสองระดับ

ลำดับบอกว่าระดับพลังงานย่อยใดรับอิเล็กตรอนตัวถัดไปจากธาตุหนึ่งไปอีกธาตุหนึ่ง ไม่ได้หมายความว่า 4s มีพลังงานต่ำกว่า 3d เสมอไป เมื่อ 3d มีอิเล็กตรอนอยู่แล้ว พลังงานของมันจะลดลงต่ำกว่า 4s ซึ่งเป็นเหตุผลที่แคตไอออนของโลหะแทรนซิชันสูญเสียอิเล็กตรอน 4s ก่อน

หลักการกีดกันของเพาลี กฎของฮุนด์ และแผนภาพออร์บิทัล

หลักการกีดกันของเพาลีกล่าวว่าไม่มีอิเล็กตรอนสองตัวในอะตอมที่มีเลขควอนตัมทั้งสี่ตัวเหมือนกัน อิเล็กตรอนสองตัวในออร์บิทัลเดียวกันมี n, l และ mₗ เหมือนกันอยู่แล้ว จึงต้องมีสปินตรงข้ามกัน และไม่มีออร์บิทัลใดจุตัวที่สามได้

กฎของฮุนด์ใช้กับออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากัน คือออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากันภายในระดับพลังงานย่อย อิเล็กตรอนเข้าครอบครองทีละตัวโดยมีสปินขนานกันก่อนที่จะเริ่มจับคู่ การจับคู่ทำให้พลังงานสูงขึ้นเพราะอิเล็กตรอนสองตัวในออร์บิทัลเดียวผลักกันแรงกว่า ขณะที่สปินขนานกันในออร์บิทัลแยกกันได้เสถียรภาพจากการแลกเปลี่ยน 2p³ ของไนโตรเจนจึงมีอิเล็กตรอนเดี่ยวสามตัว และ 2p⁴ ของออกซิเจนมีหนึ่งคู่และอิเล็กตรอนเดี่ยวสองตัว

ในแผนภาพออร์บิทัล ให้วาดหนึ่งกล่องต่อหนึ่งออร์บิทัล เติมระดับพลังงานย่อยตามลำดับเอาฟบาว และภายในระดับพลังงานย่อย ให้ใส่ลูกศรหนึ่งตัวในทุกกล่องก่อนเติมตัวที่สอง อะตอมที่มีอิเล็กตรอนเดี่ยวเป็นพาราแมกเนติกและถูกดึงเข้าหาสนามแม่เหล็ก อะตอมที่อิเล็กตรอนทุกตัวจับคู่เป็นไดอะแมกเนติก

ตัวอย่างการคำนวณ: ซีลีเนียมและเซอร์โคเนียม

ตัวอย่างที่ 1: ซีลีเนียม Z = 34 เติมตามลำดับเอาฟบาวจนครบ 34 อิเล็กตรอน: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ ตรวจผลรวม: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34 สำหรับสัญกรณ์แก๊สมีสกุล ให้แทนอิเล็กตรอน 18 ตัวแรกด้วย [Ar] ซึ่งเป็นแก๊สมีสกุลที่ปิดท้ายคาบก่อนหน้า: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴ การเขียนระดับพลังงานย่อยตามเลขระดับพลังงานหลักอย่างที่ทำที่นี่เป็นธรรมเนียมทั่วไป [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ อธิบายการจัดเรียงเดียวกันตามลำดับการเติม

อิเล็กตรอน 4p สี่ตัวของซีลีเนียมกระจายอยู่ในสามออร์บิทัล กฎของฮุนด์ใส่ออร์บิทัลละหนึ่งตัวและจับคู่ตัวที่สี่ เหลืออิเล็กตรอนเดี่ยวสองตัว เวเลนซ์อิเล็กตรอนหกตัวของมัน 4s² 4p⁴ ตรงกับรูปแบบชั้นนอกของออกซิเจนและกำมะถันในหมู่ 16 ซึ่งเป็นเหตุผลที่ซีลีเนียมสร้างซีลีไนด์ไอออน Se²⁻ ที่เป็นไอโซอิเล็กทรอนิกกับคริปทอน

ตัวอย่างที่ 2: เซอร์โคเนียม Z = 40 หลัง [Kr] ซึ่งนับเป็น 36 อิเล็กตรอน เหลืออีกสี่ตัว ระดับพลังงานย่อยถัดไปคือ 5s แล้ว 4d ได้ [Kr] 4d² 5s² ซึ่งตรงกับข้อมูลสถานะพื้นของ NIST อิเล็กตรอน 4d สองตัวอยู่ในออร์บิทัลแยกกันโดยมีสปินขนานกัน เซอร์โคเนียมจึงมีอิเล็กตรอนเดี่ยวสองตัว

โครเมียม ทองแดง และข้อยกเว้นที่ไม่เป็นไปตามกฎง่ายๆ

ลำดับเอาฟบาวทำนาย [Ar] 3d⁴ 4s² สำหรับโครเมียม และ [Ar] 3d⁹ 4s² สำหรับทองแดง สเปกโทรสโกปีแสดง [Ar] 3d⁵ 4s¹ และ [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ เพราะ 4s และ 3d มีพลังงานใกล้กันในอะตอมเหล่านี้ การย้ายอิเล็กตรอนหนึ่งตัวไปที่ 3d ลดพลังงานรวม โดยได้เสถียรภาพจากการแลกเปลี่ยนของระดับพลังงานย่อย d ที่เต็มครึ่งหรือเต็ม โมลิบดีนัม [Kr] 4d⁵ 5s¹ และเงิน [Kr] 4d¹⁰ 5s¹ เป็นรูปแบบเดียวกับธาตุที่อยู่เหนือมัน

คำอธิบายเรื่องระดับพลังงานย่อยที่เต็มครึ่งไม่ใช่กฎทั่วไป ไนโอเบียมคือ [Kr] 4d⁴ 5s¹ ทั้งที่ระดับพลังงานย่อย 4d ของมันไม่ได้เต็มครึ่งหรือเต็ม แพลเลเดียมคือ [Kr] 4d¹⁰ โดยไม่มีอิเล็กตรอน 5s และทังสเตนซึ่งอยู่ใต้โมลิบดีนัมโดยตรงคือ [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s² ให้เรียนรู้ข้อยกเว้นที่วิชาของคุณกำหนดจากข้อมูล แทนที่จะอนุมานจากกฎที่ไม่ใช้ได้ทั่วไป

การจัดเรียงของไอออนอะตอมเดี่ยว

สำหรับแอนไอออน ให้เติมอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยถัดไปที่มี: คลอรีน [Ne] 3s² 3p⁵ กลายเป็น Cl⁻ [Ne] 3s² 3p⁶ ซึ่งเป็นไอโซอิเล็กทรอนิกกับอาร์กอน สำหรับแคตไอออน ให้ถอดอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานย่อยที่มี n สูงสุดก่อน และภายในระดับพลังงานหลักนั้นให้ถอดจาก p ก่อน s สำหรับโลหะแทรนซิชันแถวแรก นั่นคือถอดอิเล็กตรอน 4s ก่อนอิเล็กตรอน 3d ใดๆ

ตัวอย่างที่ 3: ไอออนของเหล็ก เหล็กคือ [Ar] 3d⁶ 4s² Fe²⁺ สูญเสียอิเล็กตรอน 4s ทั้งสองตัวได้ [Ar] 3d⁶ และ Fe³⁺ สูญเสียอีกหนึ่งตัวจาก 3d ได้ [Ar] 3d⁵ ตรวจจำนวน: เหล็กมี 26 อิเล็กตรอน Fe²⁺ มี 18 + 6 = 24 และ Fe³⁺ มี 18 + 5 = 23 ไอออน Fe³⁺ อิสระมีอิเล็กตรอนเดี่ยวห้าตัว ออร์บิทัล 3d ละหนึ่งตัว

ตรรกะเดียวกันใช้ในบล็อก p ดีบุกคือ [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p² และ Sn²⁺ สูญเสียอิเล็กตรอน 5p สองตัวกลายเป็น [Kr] 4d¹⁰ 5s² คอปเปอร์(I) คือ [Ar] 3d¹⁰ เพราะอิเล็กตรอน 4s ตัวเดียวของทองแดงหลุดไปก่อน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการเขียนการจัดเรียง

ข้อผิดพลาดส่วนใหญ่ของการจัดเรียงอิเล็กตรอนอยู่ในไม่กี่รูปแบบ และแต่ละข้อตรวจจับได้เร็วๆ ก่อนที่คุณจะไปต่อ

เมื่อโจทย์ถามอิเล็กตรอนเดี่ยว ให้วาดแผนภาพออร์บิทัลของระดับพลังงานย่อยที่เติมไม่เต็ม แทนการตัดสินจากสายอักขระของการจัดเรียง เมื่อโจทย์ถามเรื่องไอออน ให้เขียนอะตอมเป็นกลางก่อน แล้วจึงเติมหรือถอดอิเล็กตรอน

• ถอดอิเล็กตรอน 3d ก่อน 4s: Fe²⁺ คือ [Ar] 3d⁶ ไม่ใช่ [Ar] 3d⁴ 4s² แคตไอออนแถวแรกที่พบบ่อย เช่น Fe²⁺, Co²⁺ และ Cu⁺ ไม่มีอิเล็กตรอน 4s
• ใช้แกนแก๊สมีสกุลผิด: แกนคือแก๊สมีสกุลจากคาบก่อนหน้า [Ar] สำหรับธาตุที่ 19 ถึง 36
• นับอิเล็กตรอนผิด: ตัวยกต้องรวมกันได้เท่ากับ Z สำหรับอะตอม และเท่ากับ Z ลบประจุ สำหรับไอออน
• เติมระดับพลังงานย่อยเกินความจุ เช่น 2p⁷ หรือ 3d¹¹
• จับคู่อิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย p หรือ d ก่อนที่ทุกออร์บิทัลจะมีหนึ่งตัว
• วางบล็อก d ในระดับพลังงานหลักผิด: คาบ 4 เติม 3d ไม่ใช่ 4d
• ใช้รูปแบบของ Cr และ Cu กับทุกธาตุที่อยู่ใต้มันโดยไม่ตรวจข้อมูล