Hvordan forstå elektronkonfigurasjonen til atomer

Elektronkonfigurasjonen til et atom er en måte å beskrive hvordan elektronene er fordelt i ulike energinivåer og undernivåer rundt kjernen. Elektronkonfigurasjonen til et atom bestemmer mange av dets fysiske og kjemiske egenskaper, som hvordan det reagerer med andre atomer, hvordan det ledet strøm, og hvordan det oppfører seg i et magnetfelt.

Hva er et elektron?

Et elektron er et negativt ladet subatompartikkel som kretser rundt kjernen i et atom. Kjernen består av positivt ladete protoner og nøytralt ladete neutroner. Antallet protoner i kjernen definerer atomnummeret til et element, og antallet elektron i et nøytralt atom er lik antallet protoner.

Elektron har veldig lite masse sammenlignet med protoner og neutroner, og de beveger seg veldig raskt i sine baner. Banene er ikke sirkulære veier, men snarere områder i rommet hvor elektronene har størst sannsynlighet for å være funnet. Disse områdene kalles orbitaler eller underkalotter, og de har ulike former og størrelser avhengig av deres energinivå.

Hva er et energinivå?

Et energinivå er en hovedkalotte eller bane som inneholder ett eller flere underkalotter eller orbitaler. Energien til et orbital bestemmes av dets avstand fra kjernen: jo nærmere det er, jo lavere er energien; jo lenger unna det er, jo høyere er energien.

Energienivåene er nummerert fra 1 til 7, startende med det nærmeste til kjernen. Det første energinivået kan inneholde opptil 2 elektron, det andre opptil 8, det tredje opptil 18, og så videre. Formelen for å beregne det maksimale antallet elektron i et energinivå er 2n^2, der n er energinivånummeret.

Hva er et underkalott?

Et underkalott er en inndeling av et energinivå som inneholder ett eller flere orbitaler med samme form og energi. Underkalottene er navngitt med bokstaver: s, p, d, f, g, osv., som tilsvarer orbital kvanttall 0, 1, 2, 3, 4, osv. Antallet underkalotter i et energinivå er likt energinivånummeret: for eksempel, det første energinivået har ett underkalott (s), det andre har to (s og p), det tredje har tre (s, p, og d), og så videre.

Det maksimale antallet elektron som kan passe i et underkalott er gitt av formelen 2(2l + 1), der l er orbital kvanttallet. For eksempel, kan s-underkalottet inneholde opptil 2 elektron, p-underkalottet opptil 6, d-underkalottet opptil 10, og f-underkalottet opptil 14.

Hva er et orbital?

Et orbital er et område i rommet innenfor et underkalott hvor et elektron kan finnes med en viss sannsynlighet. Formen og størrelsen på et orbital avhenger av dets energinivå og underkalott: for eksempel, s-orbitaler er sfæriske, p-orbitaler er dumbbellformede, d-orbitaler er kløverformede eller komplekse, og f-orbitaler er enda mer komplekse.

Hvert orbital kan inneholde opptil 2 elektron med motsatt spinn: ett som roterer med klokka og ett som roterer mot klokka. Spinet er en annen egenskap hos elektron som påvirker deres magnetiske oppførsel.

Hvordan skrive elektronkonfigurasjonen til et atom?

Elektronkonfigurasjonen til et atom skrives ved å liste alle de opptatte underkalottene med deres antall elektron i superskript. For eksempel, elektronkonfigurasjonen til hydrogen (H) med ett elektron er 1s^1; elektronkonfigurasjonen til helium (He) med to elektron er 1s^2; elektronkonfigurasjonen til litium (Li) med tre elektron er 1s^2 2s^1; og så videre.

Rekkefølgen som underkalottene fylles i, følger en regel kalt Aufbau-prinsippet eller byggeopp-prinsippet: elektron okkuperer de lavest-energi orbitaler som er tilgjengelige først, før de flytter seg til høyere-energi orbitaler. 

Hvordan anvende Aufbau-prinsippet?

For å skrive elektronkonfigurasjonen til et atom ved hjelp av Aufbau-prinsippet, må vi følge disse trinnene:

1. Begynn med den lavest-energi orbital, som er 1s orbital, og fyll den med opptil to elektron.

2. Flytt til den neste lavest-energi orbital, som er 2s orbital, og fyll den med opptil to elektron.

3. Flytt til den neste lavest-energi orbital, som er 2p orbital, og fyll den med opptil seks elektron.

4. Fortsett denne prosessen til alle elektronene i atomet er tildelt orbitaler.

For å forenkle skrivningen av elektronkonfigurasjoner, kan vi bruke en forkortet notasjon som bruker symbolen for den forrige edelgassen i parentes for å representere de indre elektronene som er i en stabil konfigurasjon. For eksempel, i stedet for å skrive 1s^2 2s^2 2p^6 for neon (Ne), kan vi skrive [He] 2s^2 2p^6, der [He] representerer konfigurasjonen til helium (He).

Vi kan også bruke et diagram kalt et orbitaldiagram eller et elektronkonfigurasjonsdiagram for å vise fordelingen av elektron i orbitaler ved hjelp av pile eller sirkler. Pilene representerer spinnet til elektronene, og de må være parret med motsatt spinn i hvert orbital. Sirklene representerer elektron uten å vise deres spinn.

Hva er unntakene fra Aufbau-prinsippet?

Aufbau-prinsippet fungerer godt for de fleste elementer, men det er noen unntak der elektron ikke fyller orbitaler i henhold til deres energinivåer. Disse unntakene oppstår fordi noen atomer er mer stabile når de har halvfylte eller fullfylte underkalotter, spesielt i d- og f-blokkene.

For eksempel, har krom (Cr) et atomnummer på 24, som betyr at det har 24 elektron. I henhold til Aufbau-prinsippet, burde dens elektronkonfigurasjon være [Ar] 4s^2 3d^4, der [Ar] representerer konfigurasjonen til argon (Ar). Imidlertid er denne konfigurasjonen ikke veldig stabil fordi 3d-underkalotten er bare delvis fylt med fire elektron. En mer stabil konfigurasjon er [Ar] 4s^1 3d^5, der både 4s- og 3d-underkalotten er halvfylt med ett og fem elektron, henholdsvis.

Et annet eksempel er kobber (Cu), som har et atomnummer på 29 og 29 elektron. I henhold til Aufbau-prinsippet, burde dens elektronkonfigurasjon være [Ar] 4s^2 3d^9, der [Ar] representerer konfigurasjonen til argon (Ar). Imidlertid er denne konfigurasjonen ikke veldig stabil fordi 3d-underkalotten er bare delvis fylt med ni elektron. En mer stabil konfigurasjon er [Ar] 4s^1 3d^10, der både 4s- og 3d-underkalotten er fullfylt med ett og ti elektron, henholdsvis.

Det er andre unntak fra Aufbau-prinsippet i overgangsmetaller (d-blokken) og lanthanider og aktinider (f-blokken). For å identifisere disse unntakene, må vi se på deres observerte elektronkonfigurasjoner og sammenligne dem med de forventede basert på deres energinivåer.

Hvorfor er elektronkonfigurasjonen til et atom viktig?

Elektronkonfigurasjonen til et atom er viktig fordi den bestemmer mange av dets fysiske og kjemiske egenskaper. For eksempel:

• Støtt oss​