Hogyan értelmezni az atomok elektronkonfigurációját
Az atom elektronkonfigurációja egy olyan módja annak, ahogy az elektronok különböző energiaszinteken és alszinteken helyezkednek el a mag körül. Az atom elektronkonfigurációja meghatározza sok fizikai és kémiai tulajdonságát, például hogyan reagál más atomokkal, hogyan vezet áramot, és hogyan viselkedik egy mágneses téri.
Mi az elektron?
Az elektron egy negatívan töltött subatomi részecske, amely a mag körül kering. A mag pozitívan töltött prótonokból és neutrális neutronokból áll. A magban lévő prótonok száma meghatározza a elem atombeli számát, és egy semleges atom elektronjainak száma egyenlő a prótonok számával.
Az elektronok nagyon kevés tömeget tartalmaznak a prótonokhoz és neutronokhoz képest, és nagyon gyorsan mozognak a pályáikon. A pályák nem kör alakú utak, hanem olyan térképeket jelölnek, ahol legvalószínűbb, hogy az elektronok találhatók. Ezek a területek orbitálisok vagy alszintek, és különböző alakúak és méretűek, attól függően, hogy milyen energiaszinten vannak.
Mi az energiaszint?
Egy energiaszint egy főhullám vagy pálya, amely egy vagy több alszintet vagy orbitálisokat tartalmaz. Egy orbitális energiaszintét a magtól való távolsága határozza meg: minél közelebb van, annál alacsonyabb energiájú; minél messzebb, annál magasabb energiájú.
Az energiaszintek 1-től 7-ig vannak sorszámozva, a legközelebbi a magtól kezdve. Az első energiaszint legfeljebb 2 elektront, a második legfeljebb 8, a harmadik legfeljebb 18, és így tovább. Az energiaszinten lévő elektronok maximális számának kiszámítására a 2n^2 képletet használjuk, ahol n az energiaszint száma.
Mi az alszint?
Egy alszint egy energiaszint alfejezése, amely egy vagy több ugyanolyan alakú és energiájú orbitálist tartalmaz. Az alszintek betűkkel vannak elnevezve: s, p, d, f, g, stb., ami megfelel 0, 1, 2, 3, 4, stb. orbitalis kvantumszámoknak. Az energiaszinten lévő alszintek száma egyenlő az energiaszint számával: például az első energiaszint egy alszinttel (s) rendelkezik, a második kettővel (s és p), a harmadik hárommal (s, p és d), és így tovább.
A legtöbb elektron, amely egy alszintbe fér, a 2(2l + 1) képlet szerint adódik, ahol l az orbitális kvantumszám. Például az s alszint legfeljebb 2 elektront, a p alszint legfeljebb 6, a d alszint legfeljebb 10, az f alszint pedig legfeljebb 14 elektront tud tartalmazni.
Mi az orbitális?
Egy orbitális egy olyan tér, amelyben egy elektron bizonyos valószínűséggel található egy alszinten belül. Egy orbitális alakja és mérete függ az energiaszinttől és alszinttől: például az s orbitálisok gömbölyűek, a p orbitálisok kengyelyalakúak, a d orbitálisok káposztalevélalakúak vagy összetettebb formájúak, az f orbitálisok még összetettebbek.
Minden orbitális legfeljebb 2 ellentétes irányban forgó elektront tud tartalmazni: egy óramutató járásával, egy óramutató járásával ellentétesen. A spin egy másik elektron tulajdonsága, ami befolyásolja a mágneses viselkedését.
Hogyan írjuk le egy atom elektronkonfigurációját?
Egy atom elektronkonfigurációja úgy íródik, hogy felsoroljuk az elfoglalt alszinteket az elektronok számával felső indexben. Például a hidrogén (H) egy elektronnal rendelkező elektronkonfigurációja 1s^1; a hélium (He) két elektronnal rendelkező elektronkonfigurációja 1s^2; a litium (Li) három elektronnal rendelkező elektronkonfigurációja 1s^2 2s^1; és így tovább.
Az alszintek kitöltésének sorrendjét a felépítési elv vagy Aufbau-elv szabályozza: az elektronok először a legkevesebb energiájú orbitálisokat foglalják el, mielőtt további, magasabb energiájú orbitálisokba kerülnek.
Hogyan alkalmazzuk az Aufbau-elvet?
Egy atom elektronkonfigurációjának írása az Aufbau-elv alapján a következő lépéseket követi:
Kezdjük a legkevesebb energiájú orbitálissal, ami a 1s orbitális, és töltsük fel legfeljebb két elektronnal.
Lépjünk tovább a következő legkevesebb energiájú orbitálisra, ami a 2s orbitális, és töltsük fel legfeljebb két elektronnal.
Lépjünk tovább a következő legkevesebb energiájú orbitálisra, ami a 2p orbitális, és töltsük fel legfeljebb hat elektronnal.
Folytassuk ezt a folyamatot, amíg az atom minden elektrona orbitálisokba nem került.
Az elektronkonfigurációk írásának egyszerűsítéséhez használhatunk rövidített jelölést, amely a korábbi szennyelem szimbólumát zárójelben használja, hogy a stabil konfigurációban lévő belső elektronokat jelölje. Például a neón (Ne) esetében, helyett, hogy 1s^2 2s^2 2p^6-ot írnánk, [He] 2s^2 2p^6-ot írhatunk, ahol [He] a hélium (He) konfigurációját jelöli.
Használhatunk egy diagramot is, amit orbitális diagramnak vagy elektronkonfigurációs diagramnak hívunk, amely nyilakkal vagy körökkel mutatja az orbitálisokban található elektronok eloszlását. A nyilak az elektronok spinjét jelölik, és minden orbitálisban ellentétes irányban kell, hogy forogjanak. A körök az elektronokat jelenítik meg, anélkül, hogy a spinjüket mutatnák.
Milyen kivételei vannak az Aufbau-elvnél?
Az Aufbau-elv jól működik a legtöbb elem esetében, de vannak kivételek, amikor az elektronok nem töltik fel az orbitálisokat az energiaszintjeik szerint. Ezek a kivételek akkor fordulnak elő, ha néhány atom stabilitása jobb, ha a féltelelt vagy teljesen telelt alszinteket tartalmazzák, különösen a d és f blokkban.
Például a króm (Cr) atombeli száma 24, ami azt jelenti, hogy 24 elektronja van. Az Aufbau-elv szerint az elektronkonfigurációja [Ar] 4s^2 3d^4 lenne, ahol [Ar] az argon (Ar) konfigurációját jelöli. Ez a konfiguráció azonban nem túl stabil, mert a 3d alszint csak négy elektronnal van tele. Stabilabb konfiguráció [Ar] 4s^1 3d^5, ahol a 4s és 3d alszintek is féltelelt, egy és öt elektronnal.
Egy másik példa a réz (Cu), aminek atombeli száma 29, és 29 elektronja van. Az Aufbau-elv szerint az elektronkonfigurációja [Ar] 4s^2 3d^9 lenne, ahol [Ar] az argon (Ar) konfigurációját jelöli. Ez a konfiguráció azonban nem túl stabil, mert a 3d alszint csak kilenc elektronnal van tele. Stabilabb konfiguráció [Ar] 4s^1 3d^10, ahol a 4s és 3d alszintek is teljesen telelt, egy és tíz elektronnal.
Vannak más kivételek is az Aufbau-elvnél a transziciós fémelek (d blokk) és a lantanidák és aktinidák (f blokk) esetében. Ezek a kivételek azonosításához meg kell vizsgálni a megfigyelt elektronkonfigurációkat, és össze kell hasonlítani azokat az energiaszintjeik alapján előre jelezhető konfigurációkkal.
