Kuidas mõista aatomite elektronkonfiguratsiooni

Aatomite elektronkonfiguratsioon on viis selle kirjeldamiseks, kuidas tema elektronid on paigutatud erinevates energiatasemetes ja alamtasemetes tuuma ümber. Aatomite elektronkonfiguratsioon määrab palju nende füüsikalisi ja keemilisi omadusi, nagu kuidas see reageerib teiste aatomitega, kuidas see joob elektrit ja kuidas see käitub magnetvälis.

Mis on elektron?

Elektron on negatiivse laenguga subatoomiline osake, mis orbiitab aatomi tuuma ümber. Tuumas on positiivse laenguga protonid ja neutraalne laenguga neutronid. Protonide arv tuumas määrab elemendi aatomiarvu, ja neutraalse aatomi elektronide arv on võrdne protonide arvuga.

Elektronidel on väga väike mass võrreldes protonide ja neutronidega, ja nad liiguvad oma orbiitidel väga kiiresti. Orbiitid ei ole ringi kujulised teed, vaid pigem alad, kus elektronid on kõige tõenäolisemini leitavad. Need alad on nimetatud orbiitideks või alamtasanditeks, ja nende kuju ja suurus sõltuvad nende energiatasemest.

Mis on energiatase?

Energiatase on peamine kaelik või orbiit, mis sisaldab ühte või mitut alamtasandit või orbiiti. Orbiidi energiatase määratakse selle kauguse järgi tuumast: mida lähemal see on, seda madalam on selle energia; mida kaugemal see on, seda kõrgem on selle energia.

Energiate tasemed nummerdatakse 1-st kuni 7-ni, alustades lähima tuuma. Esimene energiatase võib hoida kuni 2 elektroni, teine kuni 8, kolmas kuni 18 jne. Valem maksimaalse elektronide arvu arvutamiseks energiatases on 2n^2, kus n on energiatase number.

Mis on alamtasand?

Alamtasand on energiatase alajaotus, mis sisaldab ühte või mitut orbiiti sama kuju ja energiaga. Alamtasanded on nimetatud tähtedega: s, p, d, f, g jne, vastavalt orbiiti kvantnumbritele 0, 1, 2, 3, 4 jne. Alamtasandite arv energiatases on võrdne energiatase numbriga: näiteks esimene energiatase sisaldab ühte alamtasandit (s), teine kaks (s ja p), kolmas kolme (s, p ja d) jne.

Maksimaalne elektronide arv, mis mahub alamtasandisse, on antud valemiga 2(2l + 1), kus l on orbiiti kvantnumber. Näiteks s alamtasand saab sisaldada kuni 2 elektroni, p alamtasand kuni 6, d alamtasand kuni 10, f alamtasand kuni 14.

Mis on orbiit?

Orbiit on alamtasandi ala, kus elektron võib olla kindla tõenäosusega. Orbiidi kuju ja suurus sõltuvad selle energiataseme ja alamtasande: näiteks s orbiitid on sfäärikujulised, p orbiitid on dumbellikujulised, d orbiitid on klaverikujulised või keerukad, f orbiitid on veel keerulisemad.

Iga orbiit võib hoida kuni 2 elektroni vastupidistel spinidel: üks pöörleb päripäeva ja üks vastupäeva. Spin on teine elektronide omadus, mis mõjutab nende magnetilist käitumist.

Kuidas kirjutada aatomi elektronkonfiguratsioon?

Aatomi elektronkonfiguratsioon kirjutatakse loetledes kõik kasutatud alamtasandid nende elektronide arvuga ülemkirjana. Näiteks vesiniku (H) elektronkonfiguratsioon, mis sisaldab ühte elektroni, on 1s^1; heeliumi (He) elektronkonfiguratsioon, mis sisaldab kahte elektroni, on 1s^2; litiumi (Li) elektronkonfiguratsioon, mis sisaldab kolme elektroni, on 1s^2 2s^1; jne.

Alamtasandite täitmise järjekord järgib reeglit, mida nimetatakse Aufbau printsiipiks või ehitamise printsiipiks: elektronid võtavad enne kõige madalamate energiaorbiite, enne kui liiguvad kõrgemate energiaorbiitidele.

Kuidas rakendada Aufbau printsiipi?

Aatomi elektronkonfiguratsiooni kirjutamiseks Aufbau printsiibi abil tuleb järgida neid toiminguid:

1. Alusta madalaima energiaorbiitiga, mis on 1s orbiit, ja täida see kuni kahe elektroniga.

2. Lähene järgmise madalaima energiaorbiitile, mis on 2s orbiit, ja täida see kuni kahe elektroniga.

3. Lähene järgmise madalaima energiaorbiitile, mis on 2p orbiit, ja täida see kuni kuue elektroniga.

4. Jätka seda protsessi, kuni kõik aatomi elektronid on orbiitidele määratud.

Elektronkonfiguratsioonide kirjutamise lihtsustamiseks saame kasutada lühendkirja, mis kasutab eelmise edelgaasi sümbolit sulgudes, et esitada stabiilsesse konfiguratsiooni asunud sisemisi elektrone. Näiteks asemel, et kirjutada 1s^2 2s^2 2p^6 neooni (Ne) jaoks, saame kirjutada [He] 2s^2 2p^6, kus [He] esindab heeliumi (He) konfiguratsiooni.

Saame kasutada ka diagrammi, mida nimetatakse orbiitdiagrammiks või elektronkonfiguratsioonidiagrammiks, et näidata elektronide orbiitides jagunemist noolede või ringide abil. Nooled esindavad elektronide spinni, ja need peavad olema igas orbiitis vastupidistel spinnidel paarituna. Ringid esindavad elektrone ilma nende spinni näitamiseta.

Mis on Ausbau printsiibi erandid?

Aufbau printsiip töötab hästi enamiku elementide puhul, kuid on mõned erandid, kus elektronid ei täida orbiite nende energiatasemete järgi. Need erandid tekivad sellest, et mõned aatomid on stabiilsemad, kui neil on poolikult või täielikult täidetud alamtasandid, eriti d ja f blokkides.

Näiteks kroom (Cr) aatomiarv on 24, mis tähendab, et tal on 24 elektroni. Aufbau printsiibi järgi peaks tema elektronkonfiguratsioon olema [Ar] 4s^2 3d^4, kus [Ar] esindab argooni (Ar) konfiguratsiooni. Kuid see konfiguratsioon ei ole väga stabiilne, kuna 3d alamtasand on ainult poolikult täidetud neljaga elektronidega. Stabiilsem konfiguratsioon on [Ar] 4s^1 3d^5, kus nii 4s kui ka 3d alamtasand on poolikult täidetud ühe ja viie elektroniga vastavalt.

Teine näide on vask (Cu), mille aatomiarv on 29 ja 29 elektroni. Aufbau printsiibi järgi peaks tema elektronkonfiguratsioon olema [Ar] 4s^2 3d^9, kus [Ar] esindab argooni (Ar) konfiguratsiooni. Kuid see konfiguratsioon ei ole väga stabiilne, kuna 3d alamtasand on ainult poolikult täidetud üheksa elektroniga. Stabiilsem konfiguratsioon on [Ar] 4s^1 3d^10, kus nii 4s kui ka 3d alamtasand on täielikult täidetud ühe ja kümne elektroniga vastavalt.

On veel erandeid Aufbau printsiibil transitsmetallides (d blokk) ja lanthaanides ning aktiinides (f blokk). Nende erandite tuvastamiseks tuleb vaadata nende nähtavaid elektronkonfiguratsioone ja võrrelda neid nende ennustatud konfiguratsioonidega nende energiatasemete järgi.

Miks on aatomi elektronkonfiguratsioon oluline?