Przeczytaj
Układ okresowy pierwiastków to swoisty katalog rozmaitości, w którym pierwiastki ułożone są wg ścisłego porządku i różnych zależności, m.in. zgodnie z liczbą elektronów. Narzędziem służącym do opisu atomu na podstawie rozkładu elektronów, w zależności od odległości od jądra tego atomu, jest konfiguracja elektronowakonfiguracja elektronowa. Można ją zapisać poprzez właściwe przyporządkowanie elektronów odpowiednim powłokom, podpowłokom i orbitalom. A cały proces oparty jest o trzy ważne reguły.
Zakaz Pauliego
Reguła ta tłumaczy, że jeden orbital opisywany trzema liczbami kwantowymi, , oraz , może opisywać zachowanie maksymalnie dwóch elektronów, które różnić się będą magnetyczną spinową liczbą kwantową . W atomie nie istnieją elektrony o takich samych czterech liczbach kwantowych.
Reguła Hunda
Orbitale o takiej samej energii (zdegenerowane) zajmowane są po kolei, z jednakową orientacją spinu i tak, aby liczba niesparowanych elektronów była maksymalna. Pary elektronów mogą być tworzone dopiero po zajęciu przez pojedyncze elektrony wszystkich poziomów orbitalnychpoziomów orbitalnych podpowłokipodpowłoki.
Dążenie układu do najmniejszej energii
Każdy układ dąży do minimalnej energii, stąd też powłokipowłoki i podpowłokipodpowłoki obsadzane są przez elektrony, rozpoczynając od tych o najniższych energiach. Zajmowanie wyższych orbitali jest bardziej skomplikowane, ponieważ energie kolejnych orbitali nie są uporządkowane wraz z kolejnym numerem powłok. Ma to związek z tym, że każda kolejna powłoka rozdziela się na większą liczbę orbitali, a różnice energetyczne między tymi powłokami stają się coraz mniejsze.
Poniższy schemat przedstawia kolejność zajmowania przez elektrony poziomów energetycznych w oparciu o energię orbitali.
Zgodnie z powyższym schematem, zapisy pełnych podpowłokowych konfiguracji elektronowych atomów sodu, potasu i żelaza w stanie podstawowym przyjmują następującą postać:
: ;
: ;
: .
A jak ten zapis będzie wyglądać dla jonów?
Atomy posiadają równą liczbę protonów i elektronów – są zatem obojętne elektrycznie. Zależność ta nie dotyczy jonów, które mogą zawierać ładunek dodatni (nazywamy je wtedy kationami) lub ładunek ujemny (nazywamy je wtedy anionami).
Aby utworzyć kation jednododatni, należy usunąć jeden elektron z powłok elektronowych atomu. Aby utworzyć kation dwudodatni, należy usunąć dwa elektrony. Jeśli z kolei chcemy utworzyć anion, to elektrony musimy przyłączyć do atomu – ilość przyłączonych elektronów będzie wtedy równa ładunkowi anionu.
Przeanalizujmy przykład. Pełna podpowłokowa konfiguracja elektronowa atomu magnezu (w stanie podstawowym) przyjmuje następującą postać:
:
Atom magnezu posiada elektronów i protonów. Podpowiada to liczba atomowa, którą zawsze możesz odczytać z układu okresowego.
Gdy odbierze się temu atomowi dwa elektrony, powstanie jon:
Ponieważ odebrane zostały dwa elektrony, a dwa protony nie są równoważone, to ładunek tego jonu wynosi , czyli mamy do czynienia z kationem magnezu , którego pełna podpowłokowa konfiguracja elektronowa (w stanie podstawowym) jest następująca:
:
Konfigurację tę można łatwo i szybko zapisać poprzez odjęcie dwóch elektronów od konfiguracji atomu.
Elektrony walencyjne
Elektrony najbardziej oddalone od jądra nazwane są elektronami walencyjnymi. Są one odpowiedzialne za tworzenie wiązań chemicznych. Pozostałe elektrony wraz z jądrem atomowym tworzą tzw. rdzeń atomowy.
Elektrony walencyjne pierwiastków, które leżą w bloku ( i grupa) i (grupy ) układu okresowego, to wszystkie elektrony znajdujące się na ostatniej powłoce elektronowej.
Przenalizujmy zatem przykłady pierwiastków bloku s układu okresowego:
sód leży w grupie, więc atom sodu w stanie podstawowym będzie miał jeden elektron walencyjny, zaznaczony kolorem niebieskim:
W rdzeniu atomowym tego atomu znajdzie się więc elektronów wraz z jądrem atomu sodu.
wapń leży w grupie, więc atom wapnia w stanie podstawowym posiada dwa elektrony walencyjne, zaznaczone kolorem niebieskim:
Zauważ, że liczba elektronów walencyjnych dla atomów pierwiastków bloku jest równa numerowi grupy układu okresowego, w której znajduje się dany pierwiastek.
Przyjrzyjmy się zapisom konfiguracji dla atomów pierwiastków bloku :
węgiel leży w grupie, więc atom węgla w stanie podstawowym będzie miał cztery elektrony walencyjne, zaznaczone kolorem niebieskim:
atom selenu w stanie podstawowym będzie miał sześć elektronów walencyjnych, zaznaczonych kolorem niebieskim:
Zwróć uwagę, że elektrony zajmujące podpowłokę , pomimo wyższej energii, nie są elektronami walencyjnymi w przypadku atomów pierwiastków bloku . Zauważ także, że liczba elektronów walencyjnych dla atomów pierwiastków bloku jest równa numerowi grupy pomniejszonemu o .
W przypadku pierwiastków bloku układu okresowego, rolę elektronów walencyjnych pełnią elektrony znajdujące się na podpowłoce s ostatniej powłoki elektronowej oraz na podpowłoce przedostaniej powłoki elektronowej.
atom kobaltu w stanie podstawowym będzie miał dziewięć elektronów walencyjnych, zaznaczonych kolorem niebieskim:
atom chromu w stanie podstawowym będzie miał sześć elektronów walencyjnych, zaznaczonych kolorem niebieskim:
Pamiętaj, że w przypadku atomu chromu (i atomu miedzi) występuje zjawisko tzw. promocji elektronowej. Jeden z elektronów zamiast obsadzić podpowłokę , znalazł się na podpowłoce .
Sposoby przedstawiania konfiguracji elektronowej
Na przykładzie atomu azotu prześledźmy sposoby przedstawiania konfiguracji elektronowej atomów.
zapis pełny powłokowy:
zapis pełny podpowłokowy oraz podpowłokowy skrócony, zawierający rdzeń gazu szlachetnego:
lub
zapis graficzny (klatkowy).
RPITYxkqByyWv
Dla atomu chloru oraz jonu chlorkowego przedstaw konfiguracje elektronowe w zapisie pełnym powłokowym oraz pełnym podpowłokowym w stanie podstawowym.
Chlor () leży w grupie i w trzecim okresie układu okresowego pierwiastków. Jego liczba atomowa wynosi , więc ma elektronów. Przynależność do grupy mówi, że posiada on siedem elektronów walencyjnychelektronów walencyjnych. Natomiast usytuowanie chloru w trzeci okresie w układzie okresowym wskazuje, że posiada on trzy powłoki elektronowe, na których rozmieszcza elektrony. Zapisy konfiguracji elektronowych będą zatem następujące:
Konfiguracja elektronowaKonfiguracja elektronowa jonu chlorkowego () w zapisie powłokowym i podpowłokowym jest następująca:
Zwróć uwagę, że anion chlorkowy posiada elektronów, a jego konfiguracja elektronowa jest identyczna z konfiguracją atomu argonu o liczbie atomowej .
Słownik
zapis przedstawiający sposób rozmieszczenia elektronów w chmurze elektronowej wokół jądra atomowego
zbiór elektronów o tej samej wartości głównej liczby kwantowej ()
zbiór elektronów, które posiadają taką samą wartość głównej i pobocznej liczby kwantowej ()
zbiór elektronów zawierający takie same wartości dla głównej liczby kwantowej (), pobocznej liczby kwantowej () oraz magnetycznej liczby kwantowej ()
elektrony występujące na zewnętrznych powłokach elektronowych atomu, zajmujące orbitale o największej energii (dla danego pierwiastka); biorą udział w tworzeniu wiązań chemicznych i decydują o właściwościach pierwiastka
wszystkie elektrony znajdujące się na powłokach innych niż powłoki walencyjne
nieregularność w obsadzeniu podpowłok przez elektrony w stanie podstawowym, prowadząca do korzyści energetycznych; spotykana w przypadku atomu chromu i miedzi
Bibliografia
Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.
Encyklopedia PWN
Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.