7.15: Konfiguracja elektronowa atomów wieloelektronowych

Metal alkaliczny sód (liczba atomowa 11) ma o jeden elektron więcej niż atom neonu. Ten elektron musi trafić do podpowłoki o najniższej dostępnej energii, orbitalu 3s, co daje konfigurację 1s²2 s²p⁶3s¹. Elektrony zajmujące najbardziej zewnętrzny orbital (orbitale) powłoki (najwyższa wartość n) nazywane są elektronami walencyjnymi, a te zajmujące orbitale powłoki wewnętrznej nazywane są elektronami rdzenia. Ponieważ powłoki elektronowe rdzenia odpowiadają konfiguracjom elektronowym gazu szlachetnego, możemy skrócić konfiguracje elektronowe, zapisując gaz szlachetny pasujący do konfiguracji elektronów rdzenia, wraz z elektronami walencyjnymi w skondensowanym formacie. W przypadku sodu symbol [Ne] reprezentuje elektrony rdzenia (1s²2 s²2 p⁶), a skrócona lub skondensowana konfiguracja to [Ne]3s¹.

Podobnie skróconą konfigurację litu można przedstawić jako [He]2s¹, gdzie [He] reprezentuje konfigurację atomu helu, która jest identyczna z konfiguracją wypełnionej wewnętrznej powłoki litu. Pisanie konfiguracji w ten sposób podkreśla podobieństwo konfiguracji litu i sodu. Oba atomy, które należą do rodziny metali alkalicznych, mają tylko jeden elektron w podpowłoce walencyjnej poza wypełnionym zestawem powłok wewnętrznych.

Li: [He]2s¹

Na: [Ne]3s¹

ziem alkalicznych (liczba atomowa 12), ze swoimi 12 elektronami w konfiguracji [Ne]3s², jest analogiczny do swojego członka rodziny berylu, [He]2s². Oba atomy mają wypełnioną podpowłokę s na zewnątrz wypełnionych powłok wewnętrznych. Aluminium (liczba atomowa 13), z 13 elektronami i konfiguracją elektronową [Ne]3s²3p¹, jest analogiczne do swojego członka rodziny boru, [He]2s²2p¹.

Konfiguracje elektronowe krzemu (14 elektronów), fosforu (15 elektronów), siarki (16 elektronów), chloru (17 elektronów) i argonu (18 elektronów) są analogiczne w konfiguracjach elektronowych ich powłok zewnętrznych do odpowiadających im członków rodziny odpowiednio węgla, azotu, tlenu, fluoru i neonu, z wyjątkiem tego, że główna liczba kwantowa zewnętrznej powłoki cięższych pierwiastków wzrosła o jeden do n = 3.

Kiedy dojdziemy do kolejnego pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków, metalu alkalicznego potasu (liczba atomowa 19), możemy się spodziewać, że zaczniemy dodawać elektrony do podpowłoki 3d. Jednak wszystkie dostępne dowody chemiczne i fizyczne wskazują, że potas jest jak lit i sód, i że następne wybory nie są dodawane do poziomu 3d, ale zamiast tego są dodawane do poziomu 4s. Jak wspomniano wcześniej, orbital 3d bez węzłów promieniowych ma wyższą energię, ponieważ jest mniej penetrujący i bardziej osłonięty od jądra niż 4s, który ma trzy węzły promieniowe. Zatem potas ma konfigurację elektronową [Ar]4s¹. Stąd potas odpowiada Li i Na w swojej konfiguracji powłoki walencyjnej. Następny elektron jest dodawany, aby uzupełnić podpowłokę 4s, a wapń ma konfigurację elektronową [Ar]4s². Daje to wapniowi konfigurację elektronową powłoki zewnętrznej odpowiadającą konfiguracji elektronowej berylu i magnezu.

W przypadku Cr i Cu stwierdzamy, że podpowłoki wypełnione do połowy i całkowicie wypełnione najwyraźniej reprezentują warunki preferowanej stabilności. Ta stabilność jest taka, że elektron przesuwa się z 4s na orbital 3d, aby uzyskać dodatkową stabilność podpowłoki 3d wypełnionej do połowy (w Cr) lub wypełnionej podpowłoki 3d (w Cu). Zdarzają się również inne wyjątki. Na przykład przewiduje się, że niob (Nb, liczba atomowa 41) będzie miał konfigurację elektronową [Kr]5s²4d³. Eksperymentalnie obserwujemy, że jego konfiguracja elektronowa w stanie podstawowym to w rzeczywistości [Kr]5s¹4d ⁴. Możemy zracjonalizować tę obserwację, mówiąc, że odpychanie elektronów doświadczane przez parowanie elektronów na orbicie 5s jest większe niż różnica energii między orbitalami 5s i 4d. Nie ma prostej metody przewidywania wyjątków dla atomów, w których wielkość odpychania między elektronami jest większa niż małe różnice energii między podpowłokami.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 6.4: Struktura elektronowa atomów.