Konfiguracja elektronowa

Jak czytać zapis

W zapisie 1s² 2s² 2p⁶ liczba określa główną powłokę n, litera podpowłokę, a wykładnik liczbę elektronów. Podpowłoki s, p, d i f zawierają odpowiednio 1, 3, 5 i 7 orbitali, więc mogą pomieścić maksymalnie 2, 6, 10 i 14 elektronów.

Suma wszystkich wykładników musi dawać liczbę elektronów atomu lub jonu. Zapis [Ne], [Ar] czy [Kr] jest tylko skrótem wypełnionego rdzenia gazu szlachetnego; nie oznacza innego modelu atomu.

Trzy zasady działają jednocześnie

Stan podstawowy jest najniżej energetycznym dostępnym rozmieszczeniem. Elektrony zajmują niższe energetycznie orbitale, zasada Pauliego ogranicza jeden orbital do dwóch elektronów o przeciwnych spinach, a reguła Hunda każe najpierw obsadzać równocenne orbitale pojedynczo.

Dla tlenu 2p⁴ nie oznacza dwóch pełnych orbitali i jednego pustego. Poprawny schemat to jedna para oraz dwa niesparowane elektrony; ta różnica ma konsekwencje dla magnetyzmu.

Jony i problem 4s/3d

Dla kationów grup głównych usuwa się elektrony z najwyższej zajętej powłoki. Na⁺ powstaje z [Ne]3s¹ przez utratę elektronu 3s. W metalach przejściowych trzeba uważać na zmianę względnych energii orbitali.

Chociaż 4s obsadza się przed 3d w K i Ca, po zapełnieniu 3d elektrony ns są zwykle usuwane jako pierwsze. Dlatego Fe = [Ar]3d⁶4s², ale Fe²⁺ = [Ar]3d⁶.

Wyjątki pokazują granice prostego diagramu

Cr ma konfigurację [Ar]3d⁵4s¹, a Cu [Ar]3d¹⁰4s¹. Nie wystarczy mówić o „magicznej stabilności” półpełnej lub pełnej podpowłoki; 3d i 4s są blisko energetycznie, a oddziaływania elektron–elektron zmieniają kolejność stanów.

Reguła n+l i typowy schemat Aufbau są użytecznym przewodnikiem, a nie fundamentalnym prawem bez wyjątków. Dla cięższych atomów i jonów dane spektroskopowe są ważniejsze niż mechaniczne wypełnianie strzałek.

Co konfiguracja mówi o chemii

Powtarzające się konfiguracje walencyjne tworzą grupy układu okresowego. Li, Na i K kończą się na ns¹, dlatego często tworzą kationy +1; F i Cl mają analogiczne zewnętrzne konfiguracje p i często przyjmują elektron.

Liczba niesparowanych elektronów wiąże się z magnetyzmem, a energie powłok i podpowłok są widoczne w spektroskopii fotoelektronów. Gatunki izoelektronowe mogą mieć taki sam zapis, lecz różną chemię, ponieważ różni je ładunek jądra.

Przykłady rozwiązane