Liczba elektronów w chmurze elektronowej atomów w układzie okresowym rośnie od jednego - w przypadku atomu wodoru (${}^1\text{H}$), a do stu osiemnastu - dla atomu oganesonu (${}^{118}\text{Og}$). Aby poprawnie zapisać konfigurację elektronowąkonfiguracja elektronowakonfigurację elektronową (strukturę elektronową) atomu, należy właściwie przyporządkować elektrony powłokompowłoka elektronowapowłokom, podpowłokompodpowłokapodpowłokom i orbitalom. Przypisanie im konkretnych orbitali, czyli funkcji opisujących ich zachowanie, jest oparte o trzy bardzo ważne reguły: zakaz Pauliegozakaz Pauliegozakaz Pauliego, reguła Hundareguła Hundareguła Hunda oraz zasada rozbudowy powłok. Konfiguracja elektronowa dla atomów różni się od tej dla jonów. W przypadku atomów liczba elektronów jest równa liczbie protonów, a w przypadku jonów te wartości są różne. Zapis konfiguracji elektronowej dla jonów rozpoczyna się od zapisu konfiguracji dla odpowiadającego mu atomu i jeśli mamy do czynienia z kationem, to liczbę elektronów musimy pomniejszyć, np. dla glinu ${\text{Al}}^{3+}$ o $3$ elektrony, a w przypadku anionu, np. chloru ${\text{Cl}}^{-}$, należy tę liczbę elektronów odpowiednio zwiększyć o jeden.

W atomie nie mogą istnieć elektrony posiadające takie same wartości wszystkich liczb kwantowych. Reguła ta tłumaczy, że jeden orbital, określany trzema liczbami kwantowymi: $n$, $l$ oraz $m$, może opisywać zachowanie maksymalnie dwóch elektronów, które różnić się będą spinową liczbą kwantową $\left(+\frac{1}{2}; -\frac{1}{2}\right)$. W atomie nie istnieją elektrony o takich samych czterech liczbach kwantowych.

Orbitale o takiej samej energii (zdegenerowane) zajmowane są po kolei, z jednakową orientacją spinu oraz w taki sposób, aby liczba niesparowanych elektronów była możliwie największa. Pary elektronów tworzą się dopiero po zajęciu przez pojedyncze elektrony wszystkich poziomów orbitalnychpoziom orbitalnypoziomów orbitalnych podpowłoki.

R1EWVERnuKzdf

Graficzne przedstawienie reguły Hunda. Na ilustracji znajdują się dwie grafiki. Pierwsza to trzy połączone ze sobą kratki. W pierwszej kratce są dwie strzałki skierowane w przeciwnych kierunkach, w drugiej kratce jest jedna pionowa strzałka skierowana w górę, trzecia kratka jest pusta. Kratki są przekreślone. Obok napis: Niepoprawny zapis. Na kolejnej grafice są trzy połączone ze sobą kratki. W każdej z nich jest po jednej pionowej strzałce skierowanej w górę. Obok napis: Poprawny zapis.

Każdy układ fizyczny dąży do osiągnięcia stanu minimalnej energii, stąd też powłoki i podpowłoki obsadzane są przez elektrony, rozpoczynając od tych o najniższych energiach. Zajmowanie wyższych orbitali jest bardziej skomplikowane, bowiem energie kolejnych orbitali nie są uporządkowane wraz z kolejnym numerem powłok. Ma to związek z faktem, że każda kolejna powłoka rozdziela się na większą liczbę orbitali, a różnice energetyczne między tymi powłokami stają się coraz mniejsze.

RrbitK0dzPgPm

Ilustracja przedstawia diagram energii orbitali atomowych. Pionowa oś reprezentuje energię. Na samym dole schematu znajduje się fioletowa linia pozioma odpowiadająca energii powłoki K (n = 1) dla orbitalu 1s, obsadzonego przez dwa elektrony, w zapisie klatkowym, dwie strzałki, jedna skierowana do góry, druga do dołu, znajdują się w kwadracie, czyli tak zwanej klatce. Powyżej znajduje się niebieska odpowiadająca energii powłoki L (n = 2) i rozwidlająca się na dwie równoległe linie, z których niższą energię reprezentuje linia orbitalu 2s, obsadzonego przez dwa elektrony, w zapisie klatkowym, dwie strzałki, jedna skierowana do góry, druga do dołu, z kolei wyższą energię reprezentuje orbital 2p przedstawiony za pomocą zapisu klatkowego, to jest w postaci trzech klatek, każda zapełniona przez dwie strzałki, jedną skierowaną do góry, zaś drugą do dołu, odpowiednio 2pz, 2px oraz 2py. Nad linią odpowiadającą powłoce L znajduje się błękitna linia odpowiadająca energii powłoki M (n = 3) i rozwidlająca się na trzy równoległe linie, z których najniższej energii odpowiada linia orbitalu 3s, obsadzonego przez dwa elektrony, w zapisie klatkowym, dwie strzałki, jedna skierowana do góry, druga do dołu, środkowa linia reprezentuje energię orbitalu 3p przedstawionego za pomocą zapisu klatkowego, to jest w postaci trzech klatek, każda zapełniona przez dwie strzałki, jedną skierowaną do góry, zaś drugą do dołu, odpowiednio 3pz, 3px oraz 3py. Najwyżej energetyczny orbital dla powłoki M stanowi orbital 3d przedstawiony za pomocą zapisu klatkowego, to jest w postaci pięciu klatek, każda zapełniona przez dwie strzałki, jedną skierowaną do góry, zaś drugą do dołu odpowiednio ${\text{3dz}}^2$, 3dxz, 3dyz, 3dxy, ${\text{3dx}}^2{\text{-y}}^2$. Powyżej znajduje się zielona linia pozioma odpowiadająca energii powłoki N (n = 4), która rozwidla się na cztery równoległe linie. Linia o najniższej energii odpowiada energii orbitalu 4s reprezentowanego przez jedną klatkę zapełnioną przez dwie strzałki, jedną skierowaną do góry, a drugą do dołu, powyżej znajduje się orbital 3d, nad nim linia odpowiadająca energii orbitalu 4p reprezentowanego przez trzy klatki, z których każda zapełniona jest przez dwie strzałki, jedną skierowaną do góry, zaś drugą do dołu, odpowiednio 4pz, 4px oraz 4py. Wyżej znajduje się linia odpowiadająca orbitalowi 5s, zaś nad nią linia odpowiadająca orbitalowi 4d reprezentowanemu przez pięć klatek, z których każda zapełniona jest dwiema strzałkami, jedną skierowaną do góry, zaś drugą do dołu, są to klatki ${\text{4dz}}^2$, 4dxz, 4dyz, 4dxy, ${\text{4dx}}^2{\text{-y}}^2$. Najwyżej energetyczny orbital dla powłoki N stanowi orbital 4f odpowiadający siedmiu klatkom, z czego w każdej znajdują się po dwie strzałki, jedna skierowana do góry, a druga do dołu. Powyżej znajduje się żółta linia pozioma odpowiadająca energii powłoki O (n = 5), która rozwidla się na pięć równoległych linii. Linia o najniższej energii odpowiada energii orbitalu 5s reprezentowanego przez jedną klatkę zapełnioną przez dwie strzałki, jedną skierowaną do góry, a drugą do dołu, powyżej znajduje się orbital 4d, nad nim linia odpowiadająca energii orbitalu 5p reprezentowanego przez trzy klatki, z których każda zapełniona jest przez dwie strzałki, jedną skierowaną do góry, zaś drugą do dołu, odpowiednio 5pz, 5px oraz 5py. Wyżej znajduje się linia odpowiadająca orbitalowi 6s, nad orbitalowi 4f, nad którą znajduje się linia odpowiadająca orbitalowi 5d reprezentowanemu przez pięć klatek, z których każda zapełniona jest dwiema strzałkami, jedną skierowaną do góry, zaś drugą do dołu, są to klatki ${\text{5dz}}^2$, 5dxz, 5dyz, 5dxy, ${\text{5dx}}^2{\text{-y}}^2$. Dalej wyższą energię posiadają orbitale 6p oraz 7s, nad którymi znajduje się orbital 5f odpowiadający siedmiu klatkom, z czego w każdej znajdują się po dwie strzałki, jedna skierowana do góry, a druga do dołu. Nad wspomnianą linią znajduje się linia odpowiadająca energii orbitalu 6d. Pozostałe linie odchodzą do góry poza granice wykresu. Ponadto dla poszczególnych powłok podano maksymalną liczbę elektronów, jaką mogą zostać obsadzone. Dla powłoki K to dwa elektrony, dla powłoki L osiem elektronów, dla powłoki M 18 elektronów, dla powłoki N 32 elektrony, dla powłoki O 50 elektronów, dla powłoki P 72 elektrony oraz dla powłoki Q 98 elektronów.

Poniższy schemat przedstawia kolejność zajmowania przez elektrony poziomów energetycznych w oparciu o energię orbitali.

RIJjblUqjL54l

Schemat przedstawiający kolejność obsadzania powłok i orbitali przez elektrony. Na górze schematu w szeregu znajdują się liczby 2, 6, 10, 14, które odpowiadają maksymalnej liczbie elektronów na danej podpowłoce. Pod nimi znajdują się podpowłoki. Pod liczbą 2 w pierwszej kolumnie od góry 1s, 2s, 3s, 4s, 5s, 6s, 7s. W drugiej kolumnie, pod liczbą sześć, od góry 2p, 3p, 4p, 5p, 6p, 7p. W trzeciej kolumnie, pod liczbą dziesięć od góry 3d, 4d, 5d, 7d. Pod liczbą 14, znajdują się odpowiednio od góry 4f oraz 5f. Z kolei każdy wiersz stanowią podpowłoki danej powłoki elektronowej. Dla powłoki K to 1s, dla powłoki L 2s oraz 2p, dla powłoki M to 3s, 3p i 3d, dla powłoki N 4s, 4p, 4d i 4f, dla powłoki O 5s, 5p, 5d, 5f, dla powłoki P 6s, 6p i 6d oraz dla powłoki Q 7s, 7p i 7d. Kolejność zapełniania jest następująca: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d.

Zazwyczaj elektrony znajdujące się na ostatniej powłoce elektronowej (walencyjnej) to elektrony walencyjneelektrony walencyjneelektrony walencyjne. Pozostałe elektrony wraz z jądrem atomowym nazywają się rdzeniem atomowym.

Powyższe reguły zapisu konfiguracji elektronowej wraz z informacjami, jakich wartości liczb kwantowych dostarczają nam dla powłok, pozwalają przewidzieć, ile maksymalnie elektronów może zawierać dana podpowłoka. Należy pamiętać, że pojedyncza klatka, reprezentująca poziom orbitalny, może zawierać maksymalnie dwa elektrony. Podpowłoka $s$ może być obsadzona przez dwa elektrony (podpowłoka typu $s$ posiada jeden poziom orbitalny wypełniony maksymalnie przez dwa elektrony). Podpowłokę $p$ może zajmować $6$ elektronów (podpowłoka typu $p$ posiada $3$ poziomy orbitalne, każdy z nich może zwierać maksymalnie po dwa elektrony, co w sumie daje $6$ elektronów). Natomiast podpowłokę $d$ może zajmować odpowiednio $10$ elektronów, ponieważ podpowłoka $d$ posiada pięć poziomów orbitalnych. Dlaczego? Poniższy przykład wyjaśni tę zasadę.

Przykład liczb kwantowych dla $4$ pierwszych powłok:

Konfigurację elektronową można przedstawić na trzy sposoby, wykorzystując:

• oznaczenia literowe powłok, np.:

• symbole orbitali (zapis symboliczny lub zapis symboliczny skrócony), np.:

• zapis klatkowy dla ${}_8\text{O}$:

R1KorpkaA1qaq

Na ilustracji znajduje się zapis klatkowy dla atomu tlenu o liczbie atomowej 8. W pierwszym kwadracie podpisanym jako $1s$ znajdują się dwie równoległe strzałki o grotach skierowanych przeciwnie, drugi kwadrat podpisany jest $2s$ i znajdują się w nim dwie równoległe strzałki o grotach skierowanych przeciwnie. Dalej znajduje się prostokąt podzielony na trzy kwadraty podpisany jako $2p$. W pierwszym kwadracie znajdują się dwie równoległe strzałki o grotach skierowanych przeciwnie, w drugim i trzecim kwadracie znajduje się po jednej strzałce skierowanej w górę.

Od podanych reguł istnieją wyjątki. Według zasad, konfiguracja elektronowa dla chromu powinna być następująca:

Jednak jest to zapis nieprawidłowy i właściwą konfiguracją jest:

Strata, wynikająca z odebrania elektronu z orbitalu $4s$, jest bardziej intratna, ponieważ orbitale o konfiguracji $3d^5$ i $3d^{10}$ są korzystniejsze energetycznie, trwalsze i posiadają dużą symetrię przestrzenną. Takie zjawisko nazywane jest promocjąpromocjapromocją. Występuje również dla miedzi, molibdenu i srebra.

Ciekawostka

Konfigurację elektronów walencyjnych atomu można opisywać przy zastosowaniu wzoru Lewisa. Jest to elektronowy wzór strukturalny, w którym pary elektronów zaznacza się kreskami, a pojedyncze elektrony kropkami. Zatem konfiguracja elektronowa powłoki walencyjnej atomu tlenu ($1s^{2}2s^{2}2p^4$) wygląda następująco:

R1ZPQxRf8GyLP

nNa ilustracji jest symbol tlenu O - po lewej stronie oraz nad symbolem są kreski oznaczające parę elektronów, na dole oraz po prawej stronie jest pojedyncza czarna kropka.

Polecenie 2

Określ konfigurację elektronową atomu krzemu.

RfvzGfbiH0SG7

Odpowiedź: (Uzupełnij).

Odpowiedź:

---

Pokaż odpowiedź

Krzem ($\text{Si}$) leży w $14$–tej grupie i w trzecim okresie układu okresowego pierwiastków. Jego liczba atomowa wynosi $14$, zatem posiada $14$ elektronów. Przynależność do grupy mówi, że zawiera $4$ elektrony walencyjne, natomiast $3$ okres w układzie wskazuje, że najwyższym orbitalem będzie orbital $3$.

Zatem konfiguracja elektronowa krzemu w zapisie symbolicznym jest następująca:

R1C0nOcquA6pA

Na ilustracji jest krzem o symbolu S i liczbie atomowej 14. Ma następujące elektrony rdzeniowe: $1s^{2}2s^{2}2p^6$ oraz elektrony walencyjne $3s^{2}3p^2$.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.