Excepcions de configuració electrònica

Les excepcions de configuració electrònica no són errors de la taula periòdica. Mostren el límit d’una regla d’ompliment simplificada: quan dues subcapes tenen energies molt pròximes, petites diferències de repulsió electrònica, intercanvi, correlació, relaxació i efectes relativistes poden canviar l’arranjament de menor energia.

Predicció i estat fonamental mesurat

El diagrama d’Aufbau prediu sovint correctament l’estat fonamental, però Cr i Cu recorden que la regla física real és minimitzar l’energia total. Cr s’observa habitualment com [Ar]3d⁵4s¹ en lloc de [Ar]3d⁴4s², i Cu com [Ar]3d¹⁰4s¹ en lloc de [Ar]3d⁹4s².

Cr[Ar] 3d⁴ 4s²→[Ar] 3d⁵ 4s¹Cu[Ar] 3d⁹ 4s²→[Ar] 3d¹⁰ 4s¹predicció simple → estat observat
Cr i Cu revelen que el criteri físic és l’energia total, no l’obediència a una fletxa diagonal.

L’explicació de la «subcapa mig plena» necessita matisos

Dir que d⁵ o d¹⁰ són «màgicament estables» és massa pobre. La diferència energètica depèn de l’espaiament 3d–4s, de la repulsió entre electrons, de l’intercanvi i de la relaxació orbital. En elements més pesants, els efectes relativistes també poden ser importants.

Elements de transició més pesants

A les sèries 4d i 5d hi ha més casos que no encaixen en una única frase: Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt i Au mostren redistribucions entre ns i (n−1)d. El patró exacte és específic de cada element.

Àtoms neutres i ions són preguntes diferents

Una excepció d’un àtom neutre no s’ha de copiar mecànicament al seu catió. Cu és [Ar]3d¹⁰4s¹, però Cu⁺ és [Ar]3d¹⁰; Fe és [Ar]3d⁶4s² i Fe²⁺ és [Ar]3d⁶. En molts metalls de transició, els electrons ns ocupats s’eliminen abans que els (n−1)d.

Aquesta aparent inversió no és contradicció: l’ordre energètic canvia quan canvia l’ocupació. L’ordre amb què s’omple un orbital en l’àtom neutre no és necessàriament l’ordre amb què els electrons s’ionitzen.

Evidència experimental darrere les configuracions

Les configuracions es dedueixen de l’espectroscòpia, les energies d’ionització, l’espectroscòpia fotoelectrònica, el magnetisme i els càlculs quàntics. No es decideixen només a partir d’un diagrama de fletxes.

Una regla pràctica per resoldre problemes

Primer

Aplica Aufbau, Pauli i Hund per generar la configuració esperada.

Després

Comprova si l’element és una excepció d’estat fonamental ben establerta, especialment en els blocs d i f.

Per als ions

Quan formes ions, elimina electrons segons les energies dels orbitals ocupats de l’espècie, habitualment ns abans que (n−1)d en cations de transició.

Per explicar

Explica la desviació com una competició d’energia total. Evita presentar «mig ple» o «ple» com una causa universal independent de la resta d’interaccions.

Excepcions seleccionades d’estat fonamental

La taula d’exemples no és una nova llista per memoritzar a cegues. Mostra que diverses configuracions quasi degenerades competeixen i que el guanyador canvia al llarg del bloc d.

ÀtomPredicció simpleConfiguració observada
Cr[Ar] 3d⁴4s²[Ar] 3d⁵4s¹
Cu[Ar] 3d⁹4s²[Ar] 3d¹⁰4s¹
Mo[Kr] 4d⁴5s²[Kr] 4d⁵5s¹
Pd[Kr] 4d⁸5s²[Kr] 4d¹⁰
Ag[Kr] 4d⁹5s²[Kr] 4d¹⁰5s¹
Au[Xe] 4f¹⁴5d⁹6s²[Xe] 4f¹⁴5d¹⁰6s¹
Compara una excepció

Predicció: [Ar]3d⁴4s² · observat: [Ar]3d⁵4s¹

La configuració depèn de l’espècie descrita

El pal·ladi mostra el perill d’una sola història

El Pd és especialment instructiu: el seu estat fonamental s’escriu habitualment [Kr]4d¹⁰5s⁰. No segueix ni tan sols la història simplificada de «promoure un sol electró s» que de vegades s’utilitza per Cr i Cu.

energia totalarranjament electrònicmínim real
Configuracions molt pròximes competeixen; petites contribucions d’intercanvi, correlació, relaxació i relativitat poden decidir el mínim.

L’evidència magnètica restringeix els arranjaments

Una configuració prediu quants electrons poden quedar desaparellats i, per tant, si l’espècie és paramagnètica o diamagnètica en una aproximació senzilla. Comparar aquesta predicció amb el magnetisme mesurat ajuda a validar o refutar assignacions electròniques.

L’entorn químic canvia les energies orbitals

Àtoms lliures, ions, complexos i sòlids no comparteixen necessàriament el mateix paisatge d’energies orbitals. En química de coordinació, els lligands desdoblen els orbitals d i l’estat d’oxidació fixa el recompte d; en sòlids, els orbitals formen bandes. La configuració sempre ha d’anar lligada a una espècie i un estat concrets.

Exercicis

Crom

Quina és la configuració fonamental observada habitualment per Cr?

Solució

[Ar]3d⁵4s¹. La configuració simple [Ar]3d⁴4s² queda lleugerament més alta en energia total.

Cu²⁺

Partint de Cu = [Ar]3d¹⁰4s¹, quina configuració té Cu²⁺?

Solució

Primer s’elimina 4s i després un electró 3d: [Ar]3d⁹.

Explicació física

Per què «les subcapes mig plenes són estables» no és una explicació completa de totes les excepcions?

Solució

Perquè la configuració real resulta de la suma de moltes contribucions d’energia. Pd, per exemple, acaba 4d¹⁰5s⁰ i mostra que no existeix una única promoció universal.