Що таке електронна конфігурація?
Електронна конфігурація — це адресна книга кожного електрона в атомі: які оболонки, які підоболонки, в яких орбіталях вони перебувають. Електрони в атомах — не гості: майже вся хімія — це історія того, як зовнішні електрони знаходять конфігурації з нижчою енергією, тож знання того, де сидять електрони, — це знання того, чому періодична таблиця має свою форму, чому натрій утворює один зв'язок, а вуглець — чотири, і чому залізо магнітне. Підрахунок іде від зовнішнього шару всередину: нейтральні атоми мають рівно Z електронів, і лише Z визначає весь список.
Одне правило, яке варто запам'ятати: електрони займають найнижчу за енергією конфігурацію, що відповідає двом обмеженням: кожна орбіталь містить не більше 2 електронів з протилежними спінами (Паулі), а орбіталі однакової енергії спершу заповнюються по одному, і лише потім спарюються (Гунд).
Оболонки, підоболонки, орбіталі
Оболонки — це енергетичні рівні з позначеннями n = 1, 2, 3...; кожна оболонка містить підоболонки з позначеннями s, p, d, f; кожна підоболонка складається з орбіталей — областей, де електрон найімовірніше знаходиться. Орбіталь — це не доріжка: це хмара ймовірності, сферична для s, гантелеподібна для p, пелюсткова для більшості d-орбіталей (панель форм вище їх відображає). Місткість швидко накопичується:
| Підоболонка | Орбіталі | Електрони | Квантове число l |
|---|
| s | 1 | 2 | 0 |
| p | 3 | 6 | 1 |
| d | 5 | 10 | 2 |
| f | 7 | 14 | 3 |
Чотири квантові числа дають кожному електрону унікальну адресу: n (оболонка), l (підоболонка), ml (яка орбіталь, від −l до +l), ms (спін, ±½). Принцип виключення Паулі — це просто твердження, що жодні два електрони в атомі не мають усіх чотирьох однакових.
Порядок заповнення та його несподіванки
Порядок Аофбау 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d... — це не відлік оболонок: перша 3d-орбіталь розташована за енергією вище 4s, тому калій (Z=19) і кальцій (20) заповнюють 4s, перш ніж почнеться блок 3d. Залізо (Z=26) отримує [Ar]4s²3d⁶ з чотирма неспареними електронами, саме тому воно сильно парамагнітне — сторінка обчислює це одним клацанням. Близько двадцяти елементів потім порушують передбачення: хром має [Ar]4s¹3d⁵, а мідь — [Ar]4s¹3d¹⁰, обмінюючи один електрон 4s на напівзаповнену або повністю заповнену підоболонку d, обидві незвично стабільні. Утворення іонів змінює напрямок трюку: електрони 4s виходять першими, тож Fe²⁺ — [Ar]3d⁶. Форма періодичної таблиці — це цей порядок, намальований великими літерами: кожен блок — заповнення однієї підоболонки, а хімія повторюється, бо повторюються валентні конфігурації.
Валентні та внутрішні електрони
Внутрішні електрони (внутрішні оболонки, сховані в скороченні благородних газів на кшталт [Ar]) — спостерігачі; валентні електрони — ті, що в зовнішніх s- і p-оболонках (плюс частково заповнені d) — роблять усе зв'язування. Номер групи головних груп елементів є кількістю валентних електронів: 1 для Na, 2 для Mg, ... 7 для Cl. Тому скорочений запис у панелі конфігурації важливий: [Ar]4s²3d⁶ одразу показує, що хімія заліза живе в тій оболонці 3d. Неспарені валентні електрони також вирішують магнітний висновок: будь-який неспарений електрон (у Fe їх 4) робить атом парамагнітним, притягуваним до магнітного поля; повністю спарені атоми на кшталт Zn ([Ar]3d104s2) діамагнітні й слабко відштовхуються.
Поширені хибні уявлення
- Електрони обертаються, як планети. Орбіталь — це хмара ймовірності: межа 90%, де електрон імовірно перебуває; електрони «рухаються» лише в тому сенсі, що хмара не статична в часі.
- 4s заповнюється першим, тож іонізується останнім. Щойно з'являються електрони 3d, вони піднімають 4s за енергією, і катіони втрачають спочатку 4s (Fe²⁺, Cu⁺).
- Повні підоболонки спричиняють парамагнетизм. Навпаки: повна означає, що всі електрони спарені, тому речовина діамагнітна — Zn ([Ar]3d104s2) діамагнітний, тоді як атом Cu зберігає неспарений електрон 4s1 і парамагнітний, саме так, як показує зразок міді на цій сторінці.
- Напівзаповнені оболонки однаково «магічні» для всіх. Бонус стабільності стосується вироджених орбіталей (як п'ять 3d); s, p, d, f завжди заповнюються за тими самими трьома правилами — для кожного елемента немає окремого «квантового правила».
Пов'язані інструменти: Періодична таблиця (побачити блоки, які створює порядок заповнення), Зв'язок і VSEPR (що будують ці валентні електрони) і Ядерна хімія (ядро, яке рахує Z).
