Elektron Dizilimleri: Aufbau Sırası, Hund Kuralı ve İyonlar

Kabuklar, alt kabuklar ve orbital kapasitesi

Bir atomdaki her elektron dört kuantum sayısıyla tanımlanır. Baş kuantum sayısı n (1, 2, 3, …) kabuğu belirler. Açısal momentum kuantum sayısı l, 0'dan n − 1'e kadar gider ve alt kabuğu belirler: l = 0, 1, 2 ve 3 sırasıyla s, p, d ve f olarak adlandırılır. Manyetik kuantum sayısı mₗ, −l'den +l'ye kadar gider; dolayısıyla bir alt kabuk 2l + 1 orbital içerir. Spin kuantum sayısı mₛ, +½ veya −½'dir.

Her orbital en fazla iki elektron alabildiğinden bir s alt kabuğu 2, p 6, d 10 ve f 14 elektron alır. Tam bir kabuk 2n² elektron alır: n = 1 için 2, n = 2 için 8 ve n = 3 için 18. Periyodik tablonun bloklarının 2, 6, 10 ve 14 sütun genişliğinde olmasının nedeni bu kapasitelerdir.

Aufbau doldurma sırası ve periyodik tablo

Temel hâlde elektronlar, mevcut en düşük enerjili alt kabukları doldurur; buna aufbau ilkesi denir. Çok elektronlu bir atomda alt kabuk enerjisi yalnızca n'ye değil l'ye de bağlıdır, çünkü bir s elektronu benzer n'li bir p veya d elektronundan çekirdeğe daha çok sokulur ve iç elektronlarca daha az perdelenir. Nötr atomlar için ortaya çıkan sıra 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p'dir.

n + l kuralı bu sırayı yeniden üretir: alt kabukları artan n + l sırasıyla doldurun ve iki alt kabuk eşit olduğunda önce n'si düşük olanı doldurun. Dolayısıyla 4s (4 + 0 = 4), 3d'den (3 + 2 = 5) önce dolar. Sırayı periyodik tablodan da okuyabilirsiniz. Bir periyot boyunca ilerlerken önce s bloğundan, varsa sonra f bloğundan, sonra d bloğundan, sonra p bloğundan geçersiniz; d alt kabuğu periyot numarasının bir kabuk gerisinde, f alt kabuğu iki kabuk gerisindedir.

Sıra, bir elementten diğerine bir sonraki elektronu hangi alt kabuğun alacağını söyler. 4s'nin her zaman 3d'den daha düşük enerjili olduğu anlamına gelmez. 3d dolduktan sonra enerjisi 4s'ninkinin altına düşer; geçiş metali katyonlarının önce 4s elektronlarını kaybetmesinin nedeni budur.

Pauli dışarlama ilkesi, Hund kuralı ve orbital diyagramları

Pauli dışarlama ilkesi, bir atomdaki hiçbir iki elektronun dört kuantum sayısının tümünü paylaşamayacağını söyler. Bir orbitaldeki iki elektron zaten n, l ve mₗ'yi paylaşır; bu yüzden zıt spinlere sahip olmalıdır ve hiçbir orbital üçüncü bir elektron alamaz.

Hund kuralı, yozlaşmış orbitaller, yani bir alt kabuk içinde eşit enerjili olanlar için geçerlidir. Elektronlar, eşleşme başlamadan önce onları paralel spinlerle tek tek doldurur. Eşleşme enerjiyi yükseltir, çünkü bir orbitaldeki iki elektron birbirini daha güçlü iter; ayrı orbitallerdeki paralel spinler ise değiş tokuş kararlılığı kazanır. Bu nedenle azotun 2p³'ünde üç, oksijenin 2p⁴'ünde bir çift ve iki eşleşmemiş elektron vardır.

Bir orbital diyagramında her orbital için bir kutu çizin, alt kabukları aufbau sırasıyla doldurun ve bir alt kabuk içinde ikinci bir ok eklemeden önce her kutuya bir ok yerleştirin. Eşleşmemiş elektronlu atomlar paramanyetiktir ve manyetik alana çekilir; tüm elektronları eşleşmiş atomlar diyamanyetiktir.

Çözümlü örnekler: selenyum ve zirkonyum

Örnek 1: selenyum, Z = 34. 34 elektron yerleşene kadar aufbau sırasıyla doldurun: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. Toplamı kontrol edin: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. Soygaz gösterimi için ilk 18 elektronu, önceki periyodu bitiren soygaz olan [Ar] ile değiştirin: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Alt kabukları, burada olduğu gibi, kabuk numarasına göre listelemek yaygın bir gelenektir; [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ aynı dizilimi doldurma sırasıyla anlatır.

Selenyumun dört 4p elektronu üç orbitale yayılır. Hund kuralı her birine bir elektron koyar ve dördüncüyü eşleştirir; geriye iki eşleşmemiş elektron kalır. Altı değerlik elektronu, 4s² 4p⁴, 16. gruptaki oksijen ve kükürdün dış örüntüsüyle eşleşir; selenyumun kriptonla izoelektronik selenür iyonunu, Se²⁻, oluşturmasının nedeni budur.

Örnek 2: zirkonyum, Z = 40. 36 elektronu karşılayan [Kr]'den sonra dört elektron kalır. Sonraki alt kabuklar 5s ve ardından 4d'dir; bu da NIST temel hâl verileriyle uyuşan [Kr] 4d² 5s² verir. İki 4d elektronu paralel spinlerle ayrı orbitalleri doldurur; bu yüzden zirkonyumun iki eşleşmemiş elektronu vardır.

Krom, bakır ve basit kurallara direnen istisnalar

Aufbau sırası krom için [Ar] 3d⁴ 4s², bakır için [Ar] 3d⁹ 4s² öngörür. Spektroskopi [Ar] 3d⁵ 4s¹ ve [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ olduğunu gösterir. Bu atomlarda 4s ve 3d enerji bakımından yakın olduğundan, bir elektronu 3d'ye taşımak, yarı dolu veya dolu bir d alt kabuğunun değiş tokuş kararlılığıyla desteklenerek toplam enerjiyi düşürür. Molibden, [Kr] 4d⁵ 5s¹ ve gümüş, [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, üstlerindeki elementlerle aynı örüntüyü izler.

Yarı dolu alt kabuk açıklaması genel bir kural değildir. Niyobyum [Kr] 4d⁴ 5s¹'dir, oysa 4d alt kabuğu ne yarı dolu ne de doludur; paladyum 5s elektronu olmayan [Kr] 4d¹⁰'dur; molibdenin hemen altındaki tungsten ise [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s²'dir. Dersinizin gerektirdiği istisnaları, genellenemeyen bir kuraldan türetmek yerine verilerden öğrenin.

Tek atomlu iyonların dizilimleri

Bir anyon için elektronları sonraki uygun alt kabuğa ekleyin: klor, [Ne] 3s² 3p⁵, argonla izoelektronik Cl⁻, [Ne] 3s² 3p⁶ olur. Bir katyon için önce en yüksek n'li alt kabuktan, o kabuk içinde de s'den önce p'den elektron çıkarın. Birinci sıra bir geçiş metali için bu, herhangi bir 3d elektronundan önce 4s elektronlarını alır.

Örnek 3: demir iyonları. Demir [Ar] 3d⁶ 4s²'dir. Fe²⁺ her iki 4s elektronunu kaybederek [Ar] 3d⁶ olur ve Fe³⁺ 3d'den bir tane daha kaybederek [Ar] 3d⁵ olur. Sayıları kontrol edin: demirin 26 elektronu, Fe²⁺'nın 18 + 6 = 24, Fe³⁺'ün 18 + 5 = 23 elektronu vardır. Serbest Fe³⁺ iyonunun her 3d orbitalinde birer tane olmak üzere beş eşleşmemiş elektronu vardır.

Aynı mantık p bloğunda da geçerlidir. Kalay [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p²'dir ve Sn²⁺ iki 5p elektronunu kaybederek [Kr] 4d¹⁰ 5s² olur. Bakır(I) [Ar] 3d¹⁰'dur, çünkü bakırın tek 4s elektronu önce ayrılır.

Dizilim yazarken yaygın hatalar

Dizilim hatalarının çoğu birkaç örüntüye girer ve her biri, ilerlemeden önce yapılan hızlı bir kontrolle yakalanabilir.

Bir soru eşleşmemiş elektronları sorduğunda, dizilim dizgisinden yargılamak yerine kısmen dolu alt kabuk için orbital diyagramı çizin. Bir iyon sorulduğunda önce nötr atomu yazın, sonra elektron ekleyin veya çıkarın.

• 3d elektronlarını 4s'den önce çıkarmak: Fe²⁺ [Ar] 3d⁴ 4s² değil, [Ar] 3d⁶'dır. Fe²⁺, Co²⁺ ve Cu⁺ gibi yaygın birinci sıra katyonların 4s elektronu yoktur.
• Yanlış soygaz çekirdeğini kullanmak: çekirdek önceki periyodun soygazıdır; 19 ila 36. elementler için [Ar].
• Elektronları yanlış saymak: üst simgeler bir atom için Z'ye, bir iyon için Z eksi yüke eşit olmalıdır.
• Bir alt kabuğu fazla doldurmak, örneğin 2p⁷ veya 3d¹¹.
• Her orbital birer elektron tutmadan önce bir p veya d alt kabuğunda elektronları eşleştirmek.
• d bloğunu yanlış kabuğa yerleştirmek: 4. periyot 4d'yi değil 3d'yi doldurur.
• Cr ve Cu örüntüsünü, verileri kontrol etmeden altlarındaki her elemente uygulamak.