Com entendre la configuració electrònica dels àtoms
La configuració electrònica d'un àtom és una manera de descriure com estan disposats els seus electrons en diferents nivells i subnivells d'energia al voltant del nucli. La configuració electrònica d'un àtom determina moltes de les seves propietats físiques i químiques, com per exemple com reacciona amb altres àtoms, com condueix la corrent elèctrica, i com es comporta en un camp magnètic.
Què és un electró?
Un electró és una partícula subatòmica negativament carregada que orbita al voltant del nucli d'un àtom. El nucli consta de protóns positivament carregats i neutrons neutralment carregats. El nombre de protóns al nucli defineix el número atòmic d'un element, i el nombre d'electrons en un àtom neutre és igual al nombre de protóns.
Els electrons tenen molt poca massa en comparació amb els protóns i els neutrons, i es mouen molt ràpidament en les seves òrbites. Les òrbites no són camins circulars, sinó regions de l'espai on és més probable trobar els electrons. Aquestes regions s'anomenen orbitals o subconques, i tenen formes i mides diferents depenent del seu nivell d'energia.
Què és un nivell d'energia?
Un nivell d'energia és una conca principal o òrbita que conté una o més subconques o orbitals. L'energia d'un orbital es determina per la seva distància del nucli: més proper és, més baixa és la seva energia; més llunyà és, més alta és la seva energia.
Els nivells d'energia són numerats de 1 a 7, començant pel més proper al nucli. El primer nivell d'energia pot contenir fins a 2 electrons, el segon fins a 8, el tercer fins a 18, i així successivament. La fórmula per calcular el nombre màxim d'electrons en un nivell d'energia és 2n^2, on n és el número del nivell d'energia.
Què és una subconca?
Una subconca és una subdivisió d'un nivell d'energia que conté un o més orbitals amb la mateixa forma i energia. Les subconques es nomenen amb lletres: s, p, d, f, g, etc., corresponents als números quàntics orbitals 0, 1, 2, 3, 4, etc. El nombre de subconques en un nivell d'energia és igual al número del nivell d'energia: per exemple, el primer nivell d'energia té una subconca (s), el segon en té dues (s i p), el tercer en té tres (s, p i d), i així successivament.
El nombre màxim d'electrons que poden cabir en una subconca es dona per la fórmula 2(2l + 1), on l és el número quàntic orbital. Per exemple, la subconca s pot contenir fins a 2 electrons, la subconca p fins a 6, la subconca d fins a 10, i la subconca f fins a 14.
Què és un orbital?
Un orbital és una regió de l'espai dins d'una subconca on es pot trobar un electró amb una certa probabilitat. La forma i mida d'un orbital depenen del seu nivell d'energia i subconca: per exemple, els orbitals s són esfèrics, els orbitals p tenen forma de dombra, els orbitals d tenen forma de trèvol o complexa, i els orbitals f són encara més complexos.
Cada orbital pot contenir fins a 2 electrons amb spins oposats: un girant en sentit horari i un altre en sentit antihorari. El spin és una altra propietat dels electrons que afecta el seu comportament magnètic.
Com escriure la configuració electrònica d'un àtom?
La configuració electrònica d'un àtom s'escriu enumerant totes les subconques ocupades amb el seu nombre d'electrons en superíndex. Per exemple, la configuració electrònica de l'hidrogen (H) amb un electró és 1s^1; la configuració electrònica de l'heli (He) amb dos electrons és 1s^2; la configuració electrònica del liti (Li) amb tres electrons és 1s^2 2s^1; i així successivament.
L'ordre en què es compleixen les subconques segueix una regla anomenada el principi Aufbau o principi de construcció: els electrons ocupen els orbitals d'energia més baixa disponibles abans de passar als de més alta energia.
Com aplicar el principi Aufbau?
Per escriure la configuració electrònica d'un àtom utilitzant el principi Aufbau, hem de seguir aquests passos:
Comença amb l'orbital d'energia més baixa, que és l'orbital 1s, i omple'l amb fins a dos electrons.
Mou-te a l'orbital d'energia més baixa següent, que és l'orbital 2s, i omple'l amb fins a dos electrons.
Mou-te a l'orbital d'energia més baixa següent, que és l'orbital 2p, i omple'l amb fins a sis electrons.
Continua aquest procés fins que tots els electrons de l'àtom estiguin assignats a orbitals.
Per simplificar l'escriptura de les configuracions electròniques, podem utilitzar una notació abreviada que fa servir el símbol del gas nobl anterior entre claudàtors per representar els electrons interiors que estan en una configuració estable. Per exemple, en lloc d'escriure 1s^2 2s^2 2p^6 per al neon (Ne), podem escriure [He] 2s^2 2p^6, on [He] representa la configuració de l'heli (He).
També podem utilitzar un diagrama anomenat diagrama orbital o diagrama de configuració electrònica per mostrar la distribució d'electrons en orbitals utilitzant fletxes o cercles. Les fletxes representen el spin dels electrons, i han de ser aparellades amb spins oposats en cada orbital. Els cercles representen els electrons sense mostrar el seu spin.
Quines són les excepcions al principi Aufbau?
El principi Aufbau funciona bé per a la majoria dels elements, però hi ha algunes excepcions on els electrons no omplint orbitals segons els seus nivells d'energia. Aquestes excepcions ocorren perquè alguns àtoms són més estables quan tenen subconques mig omplertes o totalment omplertes, especialment en els blocs d i f.
Per exemple, el cròmi (Cr) té un número atòmic de 24, el que significa que té 24 electrons. Segons el principi Aufbau, la seva configuració electrònica hauria de ser [Ar] 4s^2 3d^4, on [Ar] representa la configuració de l'argon (Ar). No obstant això, aquesta configuració no és gaire estable perquè la subconca 3d només està parcialment omplerta amb quatre electrons. Una configuració més estable és [Ar] 4s^1 3d^5, on tant la subconca 4s com la 3d estan mig omplertes amb un i cinc electrons, respectivament.
Un altre exemple és el coure (Cu), que té un número atòmic de 29 i 29 electrons. Segons el principi Aufbau, la seva configuració electrònica hauria de ser [Ar] 4s^2 3d^9, on [Ar] representa la configuració de l'argon (Ar). No obstant això, aquesta configuració no és gaire estable perquè la subconca 3d només està parcialment omplerta amb nou electrons. Una configuració més estable és [Ar] 4s^1 3d^10, on tant la subconca 4s com la 3d estan totalment omplertes amb un i deu electrons, respectivament.
Hi ha altres excepcions al principi Aufbau en els metalls de transició (bloc d) i els lantànids i actínids (bloc f). Per identificar aquestes excepcions, hem de mirar les seves configuracions electròniques observades i comparar-les amb les predites basant-se en els seus nivells d'energia.
Per què és important la configuració electrònica d'un àtom?
La configuració electrònica d'un àtom és important perquè determina moltes de les seves propietats físiques i químiques. Per exemple:
