2.2: Konfiguracje elektronowe

Rdzeń i elektrony walencyjne

Jak kontynuujemy przez układ okresowy w ten sposób, pisząc konfiguracje elektronowe coraz większych atomów, staje się uciążliwe, aby utrzymać kopiowanie konfiguracji wypełnionych wewnętrznych podpowłok. W praktyce chemicy upraszczają notację, używając nawiasowego symbolu gazu szlachetnego do reprezentowania konfiguracji gazu szlachetnego z poprzedniego rzędu, ponieważ wszystkie orbitale w gazie szlachetnym są wypełnione. Na przykład, reprezentuje 1s2 2s2 2p6 konfiguracji elektronowej neonu (Z = 10), więc konfiguracja elektronowa sodu, z Z = 11, który jest 1s2 2s2 2p6 3s1, jest zapisana jako 3s1

		Pełna konfiguracja elektronowa	Skrót gazu Nobla
Neon	Z = 10	Ne: 1s2 2s2 2p6	Ne: 2s2 2p6
Sód	Z = 11	Na: 1s2 2s2 2p6 3s1	Na: 3s1

Elektrony na wypełnionych orbitalach wewnętrznych znajdują się bliżej jądra i są z nim ściślej związane, dlatego rzadko biorą udział w reakcjach chemicznych. Takie elektrony będziemy nazywać elektronami rdzeniowymi. Dla reprezentatywnych pierwiastków (kolumny 1, 2 i 13-18 układu okresowego), elektrony rdzeniowe to wszystkie elektrony o wartości n mniejszej niż maksymalna wartość n w konfiguracji elektronowej. Dla przykładu, w atomie sodu najwyższa wartość n wynosi 3. Zatem elektrony rdzeniowe to te, które znajdują się na orbitalach atomowych o n < 3, czyli na orbitalach 1s, 2s i 2p. Tak więc, sód ma 10 elektronów rdzeniowych. Powrócimy do tej definicji elektronów rdzeniowych później dla metali przejściowych.

To oznacza, że chemia atomu zależy głównie od elektronów w jego najbardziej zewnętrznej powłoce, tych o największej wartości n, które nazywamy elektronami walencyjnymi. Uproszczony zapis pozwala nam łatwiej zobaczyć konfigurację elektronów walencyjnych. Używając tej notacji do porównania konfiguracji elektronowych sodu i litu, mamy:

Sód	1s2 2s2 2p6 3s1	3s1
Lit	1s2 2s1.	2s1

Jest łatwo widoczne, że zarówno sód i lit mają jeden elektron s w ich powłoki walencyjnej. Można zatem przewidzieć, że sód i lit mają bardzo podobne chemii, co jest rzeczywiście case.

Jak nadal budować osiem elementów okresu 3, 3s i 3p orbitale są wypełnione, jeden elektron na raz. Ten rząd kończy się gazem szlachetnym argonem, który ma konfigurację elektronową 3s2 3p6, co odpowiada wypełnionej powłoce walencyjnej.

Ogólna kolejność zapełniania orbitali przedstawiona jest na rysunku 2.2.1. Podpowłoki odpowiadające każdej wartości n są zapisane od lewej do prawej na kolejnych poziomych liniach, gdzie każdy rząd reprezentuje rząd w układzie okresowym. Kolejność zapełniania orbitali wskazują ukośne linie biegnące od prawej górnej do lewej dolnej. Odpowiednio, orbital 4s jest wypełniony przed orbitalem 3d ze względu na efekty ekranowania i penetracji. W związku z tym konfiguracja elektronowa potasu, który rozpoczyna czwarty okres, jest 4s1, a konfiguracja wapnia jest 4s2. Pięć orbitali 3d jest wypełnionych przez kolejnych 10 pierwiastków, metali przejściowych, a następnie trzy orbitale 4p. Zauważ, że ostatnim członkiem tego rzędu jest gaz szlachetny krypton (Z = 36), Kr: 4s2 3d10 4p6, który ma wypełnione orbitale 4s, 3d i 4p. Piąty rząd układu okresowego jest zasadniczo taki sam jak czwarty, z wyjątkiem tego, że orbitale 5s, 4d i 5p są wypełnione kolejno.

Szósty rząd układu okresowego będzie różnił się od dwóch poprzednich, ponieważ orbitale 4f, które mogą pomieścić 14 elektronów, są wypełnione pomiędzy orbitalami 6s i 5d. Pierwiastki, które zawierają orbitale 4f w swojej powłoce walencyjnej to lantanowce. Kiedy orbitale 6p są w końcu wypełnione, mamy następny (i ostatni znany) gaz szlachetny, radon (Z = 86), Rn: 6s2 4f14 5d10 6p6. W ostatnim rzędzie, orbitale 5f są wypełnione pomiędzy orbitalami 7s i 6d, co daje 14 pierwiastków aktynowców. Ponieważ duża liczba protonów czyni ich jądra niestabilnymi, wszystkie aktynowce są radioaktywne.

Konfiguracje elektronowe pierwiastków przedstawia rysunek 2.2.3, na którym wymieniono orbitale w kolejności ich zapełnienia. W kilku przypadkach konfiguracje elektronowe w stanie podstawowym różnią się od tych przewidywanych przez Rysunek 2.2.1. Niektóre z tych anomalii pojawiają się w miarę wypełniania orbitali 3d. Na przykład, obserwowana konfiguracja elektronowa stanu podstawowego chromu to 4s1 3d5 zamiast przewidywanej 4s2 3d4. Podobnie, obserwowana konfiguracja elektronowa miedzi jest 4s1 3d10 zamiast s2 3d9. Rzeczywista konfiguracja elektronowa może być zracjonalizowana w kategoriach dodatkowej stabilności związanej z półpełną (ns1, np3, nd5, nf7) lub wypełnioną (ns2, np6, nd10, nf14) podpowłoką. Biorąc pod uwagę niewielkie różnice pomiędzy wyższymi poziomami energetycznymi, ta dodatkowa stabilność jest wystarczająca do przesunięcia elektronu z jednego orbitalu na drugi. W cięższych pierwiastkach, inne bardziej złożone efekty mogą być również ważne, prowadząc do niektórych dodatkowych anomalii wskazanych na rysunku 2.2.3. Na przykład, cer ma konfigurację elektronową 6s2 4f1 5d1, która jest niemożliwa do zracjonalizowania w prosty sposób. W większości przypadków jednak te pozorne anomalie nie mają ważnych konsekwencji chemicznych.

.