Електронна конфігурація
Електронна конфігурація показує розподіл електронів атома за орбіталями. Записи 1s², 2p⁶ і 3d⁵ позначають заповнення квантових станів, а не класичні траєкторії. Коректна конфігурація враховує місткість підоболонок, принцип Паулі, правило Гунда та енергії багатоелектронного атома.
Наочна модель
Інтерактивна модель
Підоболонки та їхня місткість
s-підоболонка містить одну орбіталь і максимум 2 електрони, p — три орбіталі й 6 електронів, d — п’ять і 10, f — сім і 14. Верхній індекс показує кількість електронів у даній підоболонці.
Наприклад, основна конфігурація кисню — 1s² 2s² 2p⁴. Усі вісім електронів враховані, а найбільше зайняте головне квантове число дорівнює n = 2. Такий запис не описує кругові орбіти.
Ауфбау, Паулі та Гунд
Принцип заповнення Ауфбау — зручна модель побудови основного стану за енергіями орбіталей. Але порядок рівнів виникає з енергії всієї багатоелектронної системи й не є незмінною механічною драбиною для будь-якого атома чи йона.
За принципом заборони Паулі два електрони в атомі не можуть мати однаковий набір усіх чотирьох квантових чисел, тому в одній орбіталі містяться максимум два електрони з протилежними спінами. Правило Гунда віддає перевагу одиночному заповненню вироджених орбіталей до спарювання.
Орбітальна діаграма для p⁴
Три орбіталі однієї p-підоболонки утворюють набір близьких за енергією станів. Для кисню 2p⁴ перші три електрони займають різні p-орбіталі з паралельними спінами, а четвертий спарюється в одній із них.
Такий розподіл важливий для магнітних властивостей: в атома кисню залишаються два неспарені p-електрони. Текстова конфігурація показує кількість електронів, а діаграма комірок — характер їхнього спарювання.
Йони та перехідні метали
У катіонів головних підгруп електрони зазвичай видаляються з найбільш зовнішньої зайнятої оболонки. Na: [Ne]3s¹ перетворюється на Na⁺: [Ne]. Під час утворення аніона електрон додається до доступного стану відповідної енергії.
Для перехідних металів важлива особливість: хоча в нейтральному атомі 4s заповнюється перед 3d, під час утворення катіонів 4s-електрони зазвичай видаляються першими. Fe = [Ar]3d⁶4s², а Fe²⁺ = [Ar]3d⁶.
Винятки та експеримент
Основні стани Cr і Cu приблизно дорівнюють [Ar]3d⁵4s¹ і [Ar]3d¹⁰4s¹, а не механічним результатам простого правила Маделунга. Причина — повна енергія близьких багатоелектронних конфігурацій.
Конфігурації перевіряють атомними спектрами, послідовними енергіями йонізації та фотоелектронною спектроскопією. PES показує, що енергії зв’язування електронів різних підоболонок залежать від конкретного атома.
Вправи
Кисень
Запишіть основну конфігурацію O, Z = 8.
Розв’язання: 1s² 2s² 2p⁴; у 2p залишаються два неспарені електрони.
Йон натрію
Яка конфігурація Na⁺, якщо Na = [Ne]3s¹?
Розв’язання: Видаляється електрон 3s: Na⁺ = [Ne].
Залізо(II)
Fe = [Ar]3d⁶4s². Яка конфігурація Fe²⁺?
Розв’язання: Видаляються два електрони 4s: [Ar]3d⁶.