Elektronikonfiguraatio
Elektronikonfiguraatio kertoo, miten atomin elektronit jakautuvat orbitaaleille. Sitä ei pidä ajatella jäykkänä täyttölistana, vaan monielektronisen atomin energiarakenteen käytännöllisenä kuvauksena. Pauli-periaate, Hundin sääntö ja orbitaalien suhteelliset energiat määräävät yhdessä perustilan.
Orbitaalit ja kapasiteetti
Yhteen avaruudelliseen orbitaaliin mahtuu enintään kaksi elektronia, joiden spinprojektiot ovat vastakkaiset. s-alakuorella on yksi orbitaali ja kapasiteetti 2 elektronia, p-alakuorella kolme ja kapasiteetti 6, d-alakuorella viisi ja kapasiteetti 10 sekä f-alakuorella seitsemän ja kapasiteetti 14. Nämä kapasiteetit näkyvät suoraan jaksollisen järjestelmän lohkojen leveyksissä.
Paulin kieltosääntö
Kahdella saman atomin elektronilla ei voi olla samoja neljää kvanttilukua. Tämä ei ole kemian muistivinkki vaan fermionien kvanttimekaaninen ominaisuus. Siksi samassa orbitaalissa olevien kahden elektronin spinien täytyy olla vastakkaiset.
Hundin sääntö
Kun useita samanenergisiä orbitaaleja on käytettävissä, elektronit täyttävät ne ensin yksittäin samansuuntaisin spinein ennen pariutumista. Esimerkiksi hiilen kaksi 2p-elektronia sijoittuvat kahteen eri p-orbitaaliin. Tämä vaikuttaa suoraan siihen, kuinka monta paritonta elektronia atomilla on ja millainen sen magneettinen käyttäytyminen on.
Aufbau-periaate käytännössä
Yksinkertainen täyttöjärjestys 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d ja niin edelleen toimii hyvin ensimmäisenä mallina. Madelungin n+l-sääntö auttaa järjestyksen muistamisessa, mutta todelliset orbitaalien energiat riippuvat elektronien määrästä, varjostuksesta ja elektronien keskinäisestä vuorovaikutuksesta. Siksi järjestystä ei pidä tulkita muuttumattomaksi energiportaikoksi.
4s ja 3d eivät ole ristiriita
Neutraaleissa kaliumin ja kalsiumin kaltaisissa atomeissa 4s täyttyy ennen 3d:tä. Kun 3d alkaa täyttyä siirtymämetalleissa, orbitaalien suhteelliset energiat muuttuvat. Kationia muodostettaessa 4s-elektronit poistuvat yleensä ennen 3d-elektroneja. Täyttymisjärjestys ja ionisaatiojärjestys ovat siis eri kysymyksiä.
Poikkeukset kertovat energiatasapainosta
Kromin perustila kirjoitetaan [Ar]3d⁵4s¹ ja kuparin [Ar]3d¹⁰4s¹. Näitä ei kannata selittää vain lauseella 'puolitäysi tai täysi d-kuori on vakaa'. Todellinen syy on useiden lähellä toisiaan olevien energiatekijöiden yhteistulos: elektronien välinen repulsio, vaihtoenergia, orbitaalien säteittäinen rakenne ja niiden muuttuvat energiat.
Miten konfiguraatio tarkistetaan kokeellisesti
Ionisaatioenergiat, fotoelektronispektroskopia ja magneettiset mittaukset antavat tietoa elektronien sitoutumisesta ja parittomien elektronien määrästä. Siksi elektronikonfiguraatio ei ole vain symbolinen merkintä, vaan malli, jonka ennusteita voidaan verrata havaintoihin.
Harjoitus
Kirjoita hapen (Z=8) perustilan elektronikonfiguraatio ja kerro, kuinka monta paritonta elektronia sillä on.
Ratkaisu
Konfiguraatio on 1s²2s²2p⁴. Kolme 2p-orbitaalia täyttyvät Hundin säännön mukaan ensin yksittäin, minkä jälkeen neljäs 2p-elektroni pariutuu yhteen niistä. Hapen perustilassa on siis kaksi paritonta elektronia.