Електронна конфігурація
Електронна конфігурація показує, як електрони розподілені між атомними орбіталями. Практичне заповнення поєднує енергетичний порядок, принцип Паулі та правило Гунда, але реальні енергії залежать від заселеності, тому механічний порядок Aufbau має важливі винятки.
Місткість підоболонок
Одна просторова орбіталь може містити максимум два електрони з протилежними проєкціями спіну. s має 1 орбіталь і 2 місця, p — 3 і 6, d — 5 і 10, f — 7 і 14.
Принцип Паулі
Два електрони одного атома не можуть мати однакові всі чотири квантові числа. Це фундаментальна властивість ферміонів, а не емпірична заборона, введена лише для хімічних схем.
Правило Гунда
У вироджених орбіталях електрони спочатку займають різні орбіталі з паралельними спінами, а потім спаровуються. Це пов’язано з антисиметрією хвильової функції та обмінною стабілізацією.
Aufbau
Послідовність 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d… добре працює як стартова схема. Правило n+l пояснює багато випадків, але енергії орбіталей не є нерухомою драбиною незалежно від електронів.
Нюанс 4s і 3d
На початку перехідного ряду 4s часто заселяється перед 3d. Після появи d-електронів відносні енергії змінюються, і під час утворення катіонів 4s-електрони зазвичай видаляються першими. Заповнення і йонізація — різні процеси.
Винятки
Cr, Cu та інші атоми мають основні стани, що відрізняються від найпростішого прогнозу. Малий енергетичний розрив між ns і (n−1)d дозволяє електронним взаємодіям змінювати вигідну заселеність.
Магнітні властивості
Неспарені електрони дають парамагнітну відповідь. Повністю спарені конфігурації зазвичай діамагнітні. Отже, запис конфігурації має експериментально перевірюваний наслідок.
Конфігурації йонів
Для головних груп електрони видаляють з найзовнішнього шару. У перехідних металів потрібно враховувати реальну енергію станів, тому не можна просто стирати “останній записаний” електрон.
Від конфігурації до спостережуваної хімії
Валентна конфігурація пояснює, чому елементи однієї групи мають подібні типи сполук, але не робить їх ідентичними. При переході вниз по групі змінюються радіус, поляризовність і енергетичні розриви; для важких атомів додаються релятивістські ефекти. У перехідних металів близькість ns і (n−1)d дає кілька доступних ступенів окиснення та різні магнітні стани. Тому конфігурацію слід використовувати як фізичний початок пояснення, а не як готову відповідь на будь-яке питання реактивності. Найкраща перевірка запису — узгодження з енергіями йонізації, спектроскопією та відомими електронними станами.
Вправа
Запишіть конфігурацію O, Z=8, і число неспарених електронів.
Розв’язання
1s²2s²2p⁴; за правилом Гунда є два неспарені 2p-електрони.