Kako razumeti elektronsko konfiguracijo atomov

Elektronska konfiguracija atoma je način opisa, kako so njegovi elektroni razporejeni v različnih energetskih nivojih in podnivojih okoli jedra. Elektronska konfiguracija atoma določa mnoge njegove fizične in kemijske lastnosti, kot je na primer, kako reagira z drugimi atomki, kako vodi strmo, in kako se obnaša v magnetnem polju.

Kaj je elektron?

Elektron je negativno nabiti subatomska častica, ki kroži okoli jedra atoma. Jedro sestavljajo pozitivno nabiti protoni in nevtralno nabiti neutroni. Število protonov v jedru določa atomske številke elementa, in število elektronov v nevtralnem atomu je enako številu protonov.

Elektroni imajo zelo malo mase v primerjavi z protoni in neutroni, in se hitro gibljejo v svojih orbitah. Orbite niso krožne poti, ampak bolje regije prostora, kjer so elektroni najverjetneje najdeni. Te regije se imenujejo orbitali ali podloge, in imajo različne oblike in velikosti, odvisno od njihovega energijskega nivoja.

Kaj je energijski nivo?

Energijski nivo je glavna skorja ali orbita, ki vsebuje enega ali več podskorj ali orbitalov. Energijski nivo orbitala je določen z njegovim razdaljami od jedra: čim bližje je, tem manjša je njegova energija; čim dlje, tem večja je njegova energija.

Energijski nivoji so označeni z 1 do 7, začenši s tistim, ki je najbližji jedru. Prvi energijski nivo lahko vsebuje do 2 elektronov, drugi do 8, tretji do 18, itd. Formula za izračun maksimalnega števila elektronov v energijskem nivoju je 2n^2, kjer je n številka energijskega nivoja.

Kaj je podskorja?

Podskorja je delitev energijskega nivoja, ki vsebuje enega ali več orbitalov z isto obliko in energijo. Podskorja so poimenovana z črkami: s, p, d, f, g, itd., ki ustreza kvantnim številkam orbitala 0, 1, 2, 3, 4, itd. Število podskorij v energijskem nivoju je enako številu energijskega nivoja: na primer, prvi energijski nivo ima eno podskorje (s), drugi ima dve (s in p), tretji ima tri (s, p in d), itd.

Maksimalno število elektronov, ki se lahko nahajajo v podskorju, je dano z formulo 2(2l + 1), kjer je l kvantno število orbitala. Na primer, podskorje s lahko vsebuje do 2 elektronov, podskorje p do 6, podskorje d do 10, in podskorje f do 14.

Kaj je orbital?

Orbital je regija prostora znotraj podskorja, kjer se elektron lahko najde z določeno verjetnostjo. Oblika in velikost orbitala odvisna sta od njegovega energijskega nivoja in podskorja: na primer, s orbitali so sferični, p orbitali so oblikovani kot grla, d orbitali so oblikovani kot klečev list ali kompleksno, in f orbitali so še bolj kompleksni.

Vsak orbital lahko vsebuje do 2 elektronov z nasprotnimi vrtilnimi momenti: en vrti v eno smer, drug v nasprotno. Vrtilni moment je še ena lastnost elektronov, ki vpliva na njihovo magnetno obnašanje.

Kako zapisati elektronsko konfiguracijo atoma?

Elektronska konfiguracija atoma je zapisana z izpisom vseh zasedenih podskorij s številom elektronov v superskriptu. Na primer, elektronska konfiguracija vodika (H) z enim elektronom je 1s^1; elektronska konfiguracija helija (He) z dvema elektronoma je 1s^2; elektronska konfiguracija litija (Li) s tremi elektronmi je 1s^2 2s^1; in tako naprej.

Red, v katerem so zapolnjeni podskorji, sledi principu Aufbau ali principu gradnje: elektroni zasedajo najnižje-energetske orbitalne dostopne preden se premaknejo na višje-energetske.

Kako uporabiti princip Aufbau?

Za zapis elektronske konfiguracije atoma z uporabo principa Aufbau moramo slediti tem korakom:

1. Začnite z najnižje-energetskega orbitala, ki je 1s orbital, in ga zapolnite z največ dvema elektronoma.

2. Premaknite se na naslednji najnižje-energetske orbital, ki je 2s orbital, in ga zapolnite z največ dvema elektronoma.

3. Premaknite se na naslednji najnižje-energetske orbital, ki je 2p orbital, in ga zapolnite z največ šestimi elektronoma.

4. Nadaljujte ta postopek, dokler niste vsem elektronom atoma priredili orbital.

Za poenostavitev zapisovanja elektronskih konfiguracij lahko uporabimo kratico, ki uporablja simbol prejšnjega vzdušnega plina v oklepaju, da predstavlja notranje elektrone, ki so v stabilni konfiguraciji. Na primer, namesto zapisovanja 1s^2 2s^2 2p^6 za neon (Ne), lahko zapišemo [He] 2s^2 2p^6, kjer [He] predstavlja konfiguracijo helija (He).

Lahko uporabimo tudi diagram, imenovan orbitalni diagram ali diagram elektronske konfiguracije, da pokažemo porazdelitev elektronov v orbitalih z uporabo puščic ali krogcev. Puščice predstavljajo vrtilni moment elektronov, in jih moramo parirati z nasprotnimi vrtilnimi momenti v vsakem orbitalu. Krogci predstavljajo elektrone brez prikaza njihovega vrtilnega momenta.

Kaj so izjeme pricipa Aufbau?

Princip Aufbau deluje dobro za večino elementov, toda obstajajo nekatere izjeme, kjer elektroni ne zapolnjujejo orbitalov glede na njihove energijske nivoje. Te izjeme nastanejo, ker so nekateri atomi bolj stabilni, ko imajo polnjeni ali popolnoma polnjeni podskorji, posebej v d in f blokih.

Na primer, krom (Cr) ima atomske številke 24, kar pomeni, da ima 24 elektrona. Glede na princip Aufbau bi morala biti njegova elektronska konfiguracija [Ar] 4s^2 3d^4, kjer [Ar] predstavlja konfiguracijo argona (Ar). Toda ta konfiguracija ni zelo stabilna, ker je 3d podskorje le delno zapolnjeno z štirimi elektronmi. Bolj stabilna konfiguracija je [Ar] 4s^1 3d^5, kjer sta 4s in 3d podskorja polovico zapolnjeni z enim in petimi elektronmi, ustrezno.

Drugi primer je bakar (Cu), ki ima atomske številke 29 in 29 elektronov. Glede na princip Aufbau bi morala biti njegova elektronska konfiguracija [Ar] 4s^2 3d^9, kjer [Ar] predstavlja konfiguracijo argona (Ar). Toda ta konfiguracija ni zelo stabilna, ker je 3d podskorje le delno zapolnjeno s devetimi elektronmi. Bolj stabilna konfiguracija je [Ar] 4s^1 3d^10, kjer sta 4s in 3d podskorja popolnoma zapolnjeni z enim in desetimi elektronmi, ustrezno.

Obstajajo še druge izjeme pricipa Aufbau v prehodnih kovinah (d blok) in lanthanidih in aktinidih (f blok). Za identifikacijo teh izjem moramo pogledati njihove opazovane elektronske konfiguracije in jih primerjati z njihovimi predvidenimi na osnovi njihovih energijskih nivojev.

Zakaj je elektronska konfiguracija atoma pomembna?