Jak określić konfigurację elektronową pierwiastka?

Konfiguracja elektronowa to zapis rozmieszczenia elektronów na powłokach i podpowłokach atomu. Aby ją określić, odczytaj liczbę elektronów z liczby atomowej, a następnie zapełniaj podpowłoki w kolejności rosnącej energii, stosując zakaz Pauliego i regułę Hunda.

Powłoki, podpowłoki i ich pojemność

Numer okresu wskazuje, ile powłok elektronowych zajmują elektrony w atomie danego pierwiastka. Powłoki oznacza się literami K, L, M, N, a także kolejnymi symbolami odpowiadającymi wartościom głównej liczby kwantowej n. Maksymalną liczbę elektronów na powłoce oblicza się ze wzoru 2n².

Każda powłoka dzieli się na podpowłoki oznaczane literami s, p, d i f. Podpowłoka s ma jeden orbital i mieści maksymalnie 2 elektrony, p ma trzy orbitale i mieści 6 elektronów, d ma pięć orbitali i mieści 10 elektronów, a f ma siedem orbitali i mieści 14 elektronów.

Jak zapisać konfigurację elektronową krok po kroku?

W zapisie podpowłokowym liczba przed literą oznacza numer powłoki, litera wskazuje typ podpowłoki, a indeks górny określa liczbę znajdujących się na niej elektronów. Dla atomu obojętnego liczba elektronów jest równa liczbie atomowej.

1. Odczytaj liczbę atomową. Dla atomu obojętnego określa ona liczbę elektronów, które trzeba rozmieścić.
2. Zapisz kolejność zapełniania podpowłok. Stosuj ciąg 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s.
3. Wpisuj maksymalną liczbę elektronów. Podpowłoka s przyjmuje 2, p – 6, d – 10, a f – 14 elektronów.
4. Zatrzymaj się po rozmieszczeniu wszystkich elektronów. Suma wykładników musi być równa liczbie elektronów atomu.
5. Sprawdź zapis. Zweryfikuj, czy nie przekroczono pojemności podpowłok i czy kolejność została zachowana.

Przykład dla tlenu, którego liczba atomowa wynosi 8:

O: 1s² 2s² 2p⁴

W przypadku pierwiastków bloku d trzeba zapamiętać, że podpowłoka 4s zapełnia się przed 3d. Wynika to z kolejności poziomów energetycznych, a nie z samego numeru powłoki. Dlatego żelazo zapisuje się jako:

Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶

Reguła przekątnych pomaga zapamiętać, że po 3p następuje 4s, a dopiero później 3d. Zapis elektronu na podpowłoce o większym numerze powłoki nie oznacza więc automatycznie wyższej kolejności zapełniania.

Reguły stosowane w zapisie klatkowym

Zapis klatkowy pokazuje rozmieszczenie elektronów na poszczególnych orbitalach. Jedna klatka oznacza jeden orbital, a strzałka symbolizuje elektron.

Najważniejsze zasady są następujące:

• Zakaz Pauliego – jeden orbital może zawierać najwyżej dwa elektrony, które muszą mieć przeciwne spiny.
• Reguła Hunda – orbitale o tej samej energii zapełnia się najpierw pojedynczo, z równoległymi spinami.
• Zasada minimalnej energii – elektrony zajmują najpierw podpowłoki o niższej energii.

Dla podpowłoki 2p, która ma trzy orbitale, konfiguracja 2p⁴ wygląda w zapisie klatkowym tak, że trzy orbitale najpierw otrzymują po jednym elektronie, a dopiero czwarty elektron tworzy parę w jednym z nich. Nie należy od razu umieszczać dwóch elektronów w pierwszej klatce.

Wyjątki i konfiguracje jonów

Promocja elektronowa chromu i miedzi

Reguła kolejności zapełniania prowadzi do przewidywanych zapisów, ale chrom i miedź mają w stanie podstawowym konfiguracje inne niż wynikałoby to z prostego zastosowania schematu.

Cr: [Ar] 4s¹ 3d⁵

Cu: [Ar] 4s¹ 3d¹⁰

W obu przypadkach jeden elektron przechodzi z podpowłoki 4s na 3d. Tę zmianę nazywa się promocją elektronową. Należy pamiętać, że opisane konfiguracje są stanami podstawowymi, a nie wzbudzonymi. Wynikają z korzystniejszego energetycznie obsadzenia podpowłoki d, odpowiednio w połowie lub całkowicie zapełnionej.

Jak tworzyć konfigurację jonów?

Najpierw ustal liczbę elektronów jonu. Kation ma ich mniej niż atom, ponieważ oddał elektrony, a anion ma ich więcej, ponieważ elektrony przyjął.

• Kation ładunku 1+ ma o jeden elektron mniej niż atom.
• Kation ładunku 2+ ma o dwa elektrony mniej niż atom.
• Anion ładunku 1− ma o jeden elektron więcej niż atom.
• Anion ładunku 2− ma o dwa elektrony więcej niż atom.

W przypadku kationów metali bloku d elektrony usuwa się najpierw z podpowłoki o najwyższym numerze głównej liczby kwantowej. Dlatego elektrony z 4s zabiera się przed elektronami z 3d.

Przykład dla żelaza:

Fe: [Ar] 4s² 3d⁶

Fe³⁺: [Ar] 3d⁵

Najpierw usunięto dwa elektrony z 4s, a następnie jeden elektron z 3d. Analogicznie:

Zn²⁺: [Ar] 3d¹⁰

Jest to przykład zadania, w którym z konfiguracji jonu można odtworzyć atom. Jon Zn²⁺ ma 28 elektronów, więc atom cynku ma 30 elektronów i konfigurację [Ar] 4s² 3d¹⁰.

Uwaga: przy tworzeniu kationu nie zabieraj automatycznie elektronów z podpowłoki d tylko dlatego, że zapis znajduje się obok 4s. Najpierw usuń elektrony z podpowłoki o najwyższym numerze powłoki, czyli z 4s przed 3d.

Zapis skrócony konfiguracji elektronowej

W zapisie skróconym pełną konfigurację wewnętrznych elektronów zastępuje się symbolem najbliższego wcześniejszego gazu szlachetnego, zapisanym w nawiasie kwadratowym. Pozostałe podpowłoki rozpisuje się normalnie.

Dla wanadu, którego liczba atomowa wynosi 23, poprzednim gazem szlachetnym jest argon:

V: [Ar] 4s² 3d³

Dla cynku zapis skrócony ma postać:

Zn: [Ar] 4s² 3d¹⁰

Zapis pełny lepiej pokazuje wszystkie zajęte podpowłoki i bywa wymagany w zadaniach z zapisem klatkowym. Zapis skrócony jest szybszy i wygodniejszy przy pierwiastkach o dużej liczbie atomowej.

Najważniejsza kontrola polega na zsumowaniu wykładników. W atomie obojętnym suma musi dawać liczbę atomową, a w jonie – liczbę elektronów wynikającą z jego ładunku.