Каква е външната електронна конфигурация?

Електронната конфигурация, наричана още електронна структура, е подреждането на електроните в енергийните нива около атомното ядро.

Според стария атомен модел на Бора, електроните заемат няколко нива в орбитите около ядрото, от първия слой, най-близо до ядрото, К, до седмия слой, Q, който е най-отдалечен от ядрото.

От гледна точка на по-рафиниран квантово-механичен модел, слоевете KQ се подразделят на набор от орбитали, всяка от които може да бъде заета от не повече от една двойка електрони (Encyclopædia Britannica, 2011).

Обикновено, електронната конфигурация се използва за описване на орбиталите на атома в неговото основно състояние, но може също така да се използва за представяне на атом, който е йонизиран в катион или анион, компенсиращ загубата или печалбата на електроните в съответните им орбитали.

Много от физическите и химичните свойства на елементите могат да бъдат свързани с техните уникални електронни конфигурации. Валентните електрони, електроните в най-външния слой, са определящ фактор за уникалната химия на елемента.

Основни понятия за електронни конфигурации

Преди да зададете електроните на атома на орбиталите, трябва да се запознаете с основните понятия на електронните конфигурации. Всеки елемент от периодичната таблица се състои от атоми, които са съставени от протони, неутрони и електрони.

Електроните показват отрицателен заряд и се намират около ядрото на атома в орбиталите на електрона, определен като обем на пространството, в който електронът може да бъде намерен в рамките на 95% вероятност.

Четирите различни вида орбитали (s, p, d и f) имат различни форми, а една орбитала може да съдържа максимум два електрона. P, dyf орбиталите имат различни поднива, така че те могат да съдържат повече електрони.

Както е посочено, електронната конфигурация на всеки елемент е уникална за нейното положение в периодичната таблица. Нивото на енергията се определя от периода, а броят на електроните се определя от атомния номер на елемента.

Орбиталите на различни енергийни нива са подобни една на друга, но заемат различни области в пространството.

Орбиталната 1s и орбитата 2s имат характеристиките на орбиталния s (радиални възли, сферични вероятности на обема, те могат да съдържат само два електрона и т.н.). Но тъй като се намират на различни енергийни нива, те заемат различни пространства около ядрото. Всяка орбитала може да бъде представена чрез специфични блокове в периодичната таблица.

Блокът s е областта на алкалните метали, включително хелий (групи 1 и 2), блокът d са преходните метали (групи 3 до 12), блокът p са елементите на основната група от групи 13 до 18. А блок f са лантаноидните и актинидните серии (Faizi, 2016).

Фигура 1: елементи на периодичната таблица и техните периоди, които варират в зависимост от енергийните нива на орбиталите.

Принцип на Aufbau

Aufbau идва от немската дума "Aufbauen", което означава "да се изгради". По същество, когато пишем електронни конфигурации, ние изграждаме електронни орбитали, докато се движим от един атом към друг.

Когато пишем електронната конфигурация на атома, ще запълним орбиталите в нарастващ ред на атомния номер.

Принципът на Aufbau произтича от принципа на изключване на Паули, който казва, че няма два фермиона (например, електрони) в атома. Те могат да имат един и същ набор от квантови числа, така че те трябва да "натрупват" на по-високи енергийни нива.

Как се акумулират електроните е предмет на електронни конфигурации (Aufbau Principle, 2015).

Стабилните атоми имат толкова електрони, колкото протоните правят в ядрото. Електроните се събират около ядрото в квантови орбитали, следвайки четири основни правила, наречени Aufbau принцип.

1. В атома няма два електрона, които да споделят едни и същи четири квантови числа n, l, m и s.
2. Електроните първо ще заемат орбиталите на най-ниското енергийно ниво.
3. Електроните винаги ще запълват орбиталите със същото число на спина. Когато орбиталите са пълни, ще започне.
4. Електроните ще запълнят орбиталите от сумата на квантовите числа n и l. Орбиталите с равни стойности на (n + l) ще бъдат запълнени първо с стойности n по-ниски.

Второто и четвъртото правило са едни и същи. Пример за правило четири е орбиталите 2р и 3s.

2p орбитала е n = 2 и l = 2 и 3s орбитала е n = 3 и l = 1. (N + l) = 4 в двата случая, но 2р орбиталата има най-ниската енергия или най-ниската стойност n и ще бъде запълнена преди 3s слой.

За щастие, диаграмата на Moeller, показана на фигура 2, може да се използва за запълване на електрони. Графиката се чете чрез изпълнение на диагоналите от 1s.

Фигура 2: Диаграма на Moeller за запълване на електронната конфигурация.

Фигура 2 показва атомните орбитали и стрелките следват пътя, който следва.

Сега, когато е известно, че редът на орбиталите е пълен, единственото, което остава, е да се запомни размерът на всяка орбита.

S-орбиталите имат 1 възможна стойност от m _{l, за} да съдържат 2 електрона

P орбиталите имат 3 възможни стойности на m _l да съдържат 6 електрона

D орбиталите имат 5 възможни стойности на m _l да съдържат 10 електрона

F орбиталите имат 7 възможни стойности на m _l, съдържащи 14 електрона

Това е всичко, което е необходимо, за да се определи електронната конфигурация на стабилен атом на елемент.

Например, вземете азотния елемент. Азотът има седем протона и следователно седем електрона. Първата орбитала, която трябва да се запълни, е орбитата 1s.

Една орбитала има два електрона, така че остават пет електрона. Следващата орбитала е орбитата 2s и съдържа следващите две. Трите крайни електрона ще отидат в орбитала 2р, която може да съдържа до шест електрона (Helmenstine, 2017).

Значение на външната електронна конфигурация

Електронните конфигурации играят важна роля при определяне на свойствата на атомите.

Всички атоми от една и съща група имат една и съща външна електронна конфигурация с изключение на атомния номер n, поради което имат сходни химически свойства.

Някои от ключовите фактори, които влияят на атомните свойства включват размера на най-големите заобикалящи се орбитали, енергията на по-високите енергийни орбитали, броя на орбиталните ваканции и броя на електроните във висшите енергийни орбитали (Електронни конфигурации и Свойствата на атомите, SF).

Повечето атомни свойства могат да бъдат свързани със степента на привличане между електроните по-външни за ядрото и броя на електроните в най-външния електронен слой, броя на валентните електрони.

Електроните на външния слой са тези, които могат да образуват ковалентни химически връзки, са тези, които имат способността да се йонизират, за да образуват катиони или аниони и са тези, които дават състоянието на окисление на химичните елементи (Khan, 2014).

Те също ще определят атомния радиус. Когато n стане по-голям, атомният радиус се увеличава. Когато един атом загуби електрона, ще има свиване на атомния радиус поради намаляването на отрицателния заряд около ядрото.

Електроните на външния слой са тези, които са взети под внимание от теорията на валентните връзки, теорията на кристалното поле и молекулярната орбитална теория за получаване на свойствата на молекулите и хибридизациите на връзките (Bozeman Science, 2013).