Elektronenconfiguratie

De notatie lezen

In 1s² 2s² 2p⁶geeft het getal de hoofdschil aan, de letter de subschil en het superscript het aantal elektronen in die subschil. De capaciteiten volgen uit het aantal orbitalen: s heeft 1 orbitaal, p 3, d 5 en f 7. Omdat elk orbitaal hoogstens twee elektronen kan bevatten, zijn de maximale bezettingen 2, 6, 10 en 14.

Hoe elektronen orbitalen bezetten

De grondtoestandconfiguratie is de laagst mogelijke energieverdeling van het atoom. Drie ideeën werken samen: orbitalen met lagere energie worden eerst bezet; geen twee elektronen in één atoom kunnen dezelfde volledige reeks kwantumgetallen hebben; en orbitalen met gelijke energie worden eerst afzonderlijk bezet voordat elektronen gaan paren.

Voor zuurstof betekent 1s²2s²2p⁴ niet dat de drie 2p-orbitalen worden gevuld als ↑↓, ↑↓, leeg. De lagere-energietoestand is ↑↓, ↑, ↑: één paar en twee ongepaarde elektronen. Dat detail is experimenteel belangrijk omdat ongepaarde elektronen het magnetisme beïnvloeden.

Edelgasnotatie, ionen en het 4s/3d-vraagstuk

Natrium is 1s²2s²2p⁶3s¹, of [Ne]3s¹. Chloor is [Ne]3s²3p⁵. De verkorte notatie is geen ander model; ze vervangt alleen een onveranderde binnenkern door het symbool van het voorafgaande edelgas.

Bij kationen uit de hoofdgroepen worden elektronen meestal eerst uit de bezette hoofdschil met de hoogste n verwijderd. Na wordt Na⁺ door 3s¹ te verliezen. Bij overgangsmetalen kan de bekende vulvolgorde misleidend zijn: het 4s-orbitaal wordt in K en Ca vóór 3d bezet, maar zodra de 3d-subschil bezet raakt, herschikken de relatieve orbitaalenergieën zich. Kationen van overgangsmetalen verliezen daarom doorgaans ns-elektronen vóór (n−1)d-elektronen.

Chroom en koper laten eveneens zien dat het eenvoudige Aufbau-schema een benadering is: Cr is [Ar]3d⁵4s¹ en Cu is [Ar]3d¹⁰4s¹. De diepere reden is dat 3d en 4s dicht bij elkaar in energie liggen, zodat elektron-elektroninteracties de voorkeursgrondtoestand kunnen veranderen. ‘Halfgevulde schillen zijn magisch stabiel’ is een ezelsbruggetje, geen volledige verklaring.

Chemische informatie in configuraties

Valentieconfiguraties ordenen het periodiek systeem. Elementen in dezelfde hoofdgroep hebben vergelijkbare buitenconfiguraties, waardoor Li en Na beide +1-ionen vormen en F en Cl vaak −1-ionen. De blokken van het periodiek systeem komen overeen met het type subschil dat wordt gevuld.

Configuraties hangen ook samen met atoomspectra, magnetisme en binding. Een aangeslagen elektronenconfiguratie verschilt van de grondtoestand doordat een elektron naar een orbitaal met hogere energie is gepromoveerd. Spectroscopie kan deze energieverschillen zichtbaar maken, terwijl het aantal ongepaarde elektronen helpt voorspellen of een geïsoleerd atoom of ion paramagnetisch is.

Een configuratie is dus een model met experimentele gevolgen en niet alleen een boekhoudschema.

Foto-elektronspectroscopie test de configuratie

Elektronenconfiguraties kunnen experimenteel worden gecontroleerd met foto-elektronspectroscopie (PES). Fotonen slaan elektronen uit een atoom of molecuul en de gemeten kinetische energieën laten zien hoe sterk de elektronen gebonden waren. Pieken bij verschillende bindingsenergieën horen bij verschillende bezette schillen en subschillen.

Bij een eenvoudig atoom als neon verschijnen de 1s-elektronen bij veel hogere bindingsenergie dan 2s of 2p, omdat het 1s-orbitaal dicht bij de kern ligt en veel minder afscherming ondervindt. De relatieve piekoppervlakken weerspiegelen bovendien hoeveel elektronen elke subschil bezetten. De notatie 1s²2s²2p⁶ voorspelt dus een experimenteel patroon en vat niet alleen een regel samen.

PES laat ook zien waarom ‘alle elektronen in één schil hebben dezelfde energie’ onjuist is bij atomen met meerdere elektronen: 2s en 2p hebben verschillende bindingsenergieën doordat hun penetratie en afscherming verschillen.

Configuratie, valentie en chemische identiteit

Twee deeltjes met hetzelfde aantal elektronen kunnen vergelijkbare configuraties maar verschillende chemie hebben, omdat hun kernen verschillen. Ne, Na⁺ en F⁻ hebben allemaal 10 elektronen, maar hun afmetingen en ionisatie-energieën verschillen doordat dezelfde elektronenverdeling door verschillende kernladingen wordt vastgehouden.

Omgekeerd herhalen elementen in één groep vergelijkbare valentie configuraties, ook al worden hun volledige configuraties langer. Li is [He]2s¹, Na is [Ne]3s¹ en K is [Ar]4s¹. Dat terugkerende ns¹-patroon is chemisch informatiever dan elk kernelektron uit het hoofd leren.

Configuraties zijn geen volledige veel-elektronentoestanden

Een notatie als 2p² vertelt welke subschil bezet is, maar legt niet eenduidig vast op welke manieren de elektronen hun baan- en spinimpulsmomenten kunnen koppelen. Geavanceerdere atoomspectroscopie onderscheidt termen en niveaus binnen dezelfde configuratie. De regels van Hund helpen vervolgens die niveaus te ordenen.

Voor inleidende chemie is de configuratie het juiste beschrijvingsniveau. Ze geeft de bezette orbitalen en ongepaarde elektronen aan; de fijnere structuur wordt belangrijk bij spectra met hoge resolutie en toestanden van overgangsmetalen.

Oefeningen

Zwavel

Schrijf de grondtoestandconfiguratie van zwavel, Z = 16, en tel de elektronen in de buitenste schil.

Calciumion

Schrijf Ca²⁺ uitgaande van neutraal Ca = [Ar]4s².

IJzer(III)

Neutraal Fe is [Ar]3d⁶4s². Schrijf Fe³⁺.