Kuinka ymmärtää atomien sähkökonfiguraatio

Ateen elektronijärjestelmä on tapa kuvata, miten sen elektronit sijoittuvat eri energia- ja alitasoille ydin ympärille. Ateen elektronijärjestelmä määrittelee monia sen fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, kuten sen reaktionsuhteen muiden aatomin kanssa, sähköjohtavuuden ja käytöksen magneettikentässä.

Mitä on elektroni?

Elektroni on negatiivisesti varautunut subatominen hiukkanen, joka kiertää asteen ydintä. Ydin koostuu positiivisesti varautuneista protonista ja neutraalisti varautuneista neutronista. Ytimessä olevien protonien määrä määrittelee alkuaineen aatomi­numeron, ja neutraalin ateen elektronien määrä on sama kuin protonien määrä.

Elektronilla on hyvin vähän massaa verrattuna prosoneihin ja neutroniin, ja ne liikkuvat nopeasti kiertoradillaan. Kiertoradat eivät ole ympyrämäisiä polkuja, vaan pikemminkin alueita, joissa elektronit todennäköisimmin löytyvät. Nämä alueet ovat orbiiteja tai alkuosia, ja niillä on erilaisia muotoja ja kokoa riippuen niiden energiatasosta.

Mitä on energiataso?

Energitalo on pääshelli tai kiertoradius, joka sisältää yhden tai useamman alkuosan tai orbiitin. Orbiitin energiataso määräytyy sen etäisyydestä ytimeen: mitä lähempänä se on, sitä pienempi on sen energia; mitä kauempana se on, sitä suurempi on sen energia.

Energitalot on numeroitu 1–7, aloittaen lähimmästä ytimeen. Ensimmäinen energiataso voi sisältää enintään 2 elektronia, toinen enintään 8, kolmas enintään 18, jne. Kaavan avulla voidaan laskea energiatason maksimielektronimäärä 2n^2, missä n on energiatason numero.

Mitä on alkuosa?

Alkuosa on energiatason ositus, joka sisältää yhden tai useamman orbiitin samalla muodolla ja energialla. Alkuosat on nimetty kirjaimilla: s, p, d, f, g, jne., vastaavasti orbiittikuvaajan kvanttilukujen 0, 1, 2, 3, 4, jne. Alkuosien määrä energiatasossa on sama kuin energiatason numero: esimerkiksi ensimmäisellä energiatasolla on yksi alkuosa (s), toisella kaksi (s ja p), kolmannella kolme (s, p ja d) ja niin edelleen.

Maksimielektronimäärä, joka mahtuu alkuosaan, on kaavan mukaan 2(2l + 1), missä l on orbiittikuvaajan kvanttiluku. Esimerkiksi s-alkuosa voi sisältää enintään 2 elektronia, p-alkuosa enintään 6, d-alkuosa enintään 10 ja f-alkuosa enintään 14.

Mitä on orbiitti?

Orbiitti on alue alkuosassa, jossa elektroni voidaan löytää tietyllä todennäköisyydellä. Orbiitin muoto ja koko riippuvat sen energiatasosta ja alkuosasta: esimerkiksi s-orbiitit ovat palloja, p-orbiitit ovat kellomuotoisia, d-orbiitit ovat neljälehtisiä tai monimutkaisia, ja f-orbiitit ovat vieläkin monimutkaisempia.

Jokainen orbiitti voi sisältää enintään 2 elektronia päinvastaisilla pyöreillä: yksi pyörii myötäpäivään ja toinen vastapäivään. Pyöry on toinen elektronin ominaisuus, joka vaikuttaa sen magneettiseen käyttäytymiseen.

Miten kirjoittaa ateen elektronijärjestelmä?

Ateen elektronijärjestelmä kirjoitetaan listaten kaikki täytetyt alkuosat niiden elektronimäärällä supertextissä. Esimerkiksi vetyyn (H) yhdellä elektronilla on elektronijärjestelmä 1s^1; helium (He) kahdella elektronilla on 1s^2; litium (Li) kolmella elektronilla on 1s^2 2s^1; ja niin edelleen.

Alkuosien täyttötapaa ohjaa sääntö nimeltä Aufbau-periaate tai rakennusperiaate: elektronit asettuvat alhaista energiaa omaaviin orbiitteihin ennen kuin siirtyvät korkeampiin energiaa omaaviin.

Miten soveltaa Aufbau-periaatetta?

Ateen elektronijärjestelmän kirjoittamiseksi Aufbau-periaatteen avulla meidän on noudatettava näitä vaiheita:

1. Aloita alhaista energiaa omaavalla orbiitilla, joka on 1s-orbiitti, ja täytä se enintään kahdella elektronilla.

2. Siirry seuraavaan alhaista energiaa omaavaan orbiittiin, joka on 2s-orbiitti, ja täytä se enintään kahdella elektronilla.

3. Siirry seuraavaan alhaista energiaa omaavaan orbiittiin, joka on 2p-orbiitti, ja täytä se enintään kuudella elektronilla.

4. Jatka tätä prosessia, kunnes kaikki ateen elektronit on asetettu orbiitteihin.

Elektronijärjestelmien kirjoittamisen yksinkertaistamiseksi voimme käyttää lyhytmerkintää, jossa käytetään edellisen nobelkaasun symbolia sulkeissa edustamaan sisäisiä elektroneja, jotka ovat vakaudessa. Esimerkiksi neonin (Ne) sijaan voimme kirjoittaa [He] 2s^2 2p^6, missä [He] edustaa he-liumiyhdisteen (He) konfiguraatiota.

Voimme myös käyttää diagrammia, jota kutsutaan orbiittidiagrammiksi tai elektronijärjestelydiagrammiksi, joka näyttää elektronien jakautumista orbiitteihin nuolet tai ympyrät. Nuolet edustavat elektronien pyörimistä, ja ne on yhdistettävä päinvastaisilla pyöreillä jokaisessa orbiitissa. Ympyrät edustavat elektroneita ilman niiden pyörimisen näyttämistä.

Mitä ovat poikkeukset Aufbau-periaatteesta?

Aufbau-periaate toimii hyvin useimmissa yhdisteissä, mutta on olemassa poikkeuksia, joissa elektronit eivät täytä orbiitteja niiden energiatasojen mukaan. Nämä poikkeukset tapahtuvat, koska jotkut aatemit ovat vakavia, kun niillä on puoliksi tai täysin täytettyjä alkuosia, erityisesti d- ja f-alueilla.

Esimerkiksi kromin (Cr) atoomiluvulla on 24, mikä tarkoittaa, että sillä on 24 elektronia. Aufbau-periaatteen mukaan sen elektronijärjestelmän pitäisi olla [Ar] 4s^2 3d^4, missä [Ar] edustaa argonin (Ar) konfiguraatiota. Tämä konfiguraatio ei kuitenkaan ole kovin vakaa, koska 3d-alkuosa on vain osittain täytetty neljällä elektronilla. Vakaampi konfiguraatio on [Ar] 4s^1 3d^5, jossa sekä 4s- että 3d-alkuosat ovat puoliksi täytettyjä yhdellä ja viidellä elektronilla, vastaavasti.

Toinen esimerkki on kupari (Cu), jolla on atoomiluku 29 ja 29 elektronia. Aufbau-periaatteen mukaan sen elektronijärjestelmän pitäisi olla [Ar] 4s^2 3d^9, missä [Ar] edustaa argonin (Ar) konfiguraatiota. Tämä konfiguraatio ei kuitenkaan ole kovin vakaa, koska 3d-alkuosa on vain osittain täytetty yhdeksällä elektronilla. Vakaampi konfiguraatio on [Ar] 4s^1 3d^10, jossa sekä 4s- että 3d-alkuosat ovat täysin täytettyjä yhdellä ja kymmenellä elektronilla, vastaavasti.

On muitakin poikkeuksia Aufbau-periaatteeseen transitiometalleissa (d-alue) ja lanthaanideissa ja aktiniideissa (f-alue). Nämä poikkeukset tunnistetaan katsomalla niiden havaittuja elektronijärjestelmiä ja vertailemalla niitä niiden ennustettuihin energiatasoihin perustuen.

Miksi ateen elektronijärjest