Электронные конфигурации

Электронная конфигурация атома представляет собой распределение электронов между его атомными орбиталями. Принцип исключения Паули, правило максимальной кратности Хунда и принцип Ауфбау могут быть расширены на электронную конфигурацию любого элемента.

Принцип Ауфбау гласит, что в основном состоянии атомные орбитали заполняют порядок возрастания энергии. Относительные энергии атомных орбиталей рационализируются кулоновскими взаимодействиями, эффектом экранирования и орбитальным проникновением.

Рассмотрим электронную конфигурацию углерода — элемента с атомным номером шесть и, следовательно, нейтрального элемента с шестью электронами. Орбиталь 1с, которая имеет наименьшую энергию, заполняется первой.

Согласно принципу исключения Паули, никакие два электрона в атоме не могут иметь одинаковый набор из четырех квантовых чисел. Поскольку электроны на одной и той же орбитали имеют одинаковые главные, азимутальные и магнитные квантовые числа, они должны иметь разные спиновые квантовые числа.

Поскольку спиновое квантовое число имеет только два возможных значения, орбиталь может вместить только два электрона с противоположными спинами.

Хотя энергия увеличивается с увеличением числа оболочек, большее проникновение s-орбиталей снижает энергию s-орбиталей по сравнению с p-орбиталями.

Таким образом, следующие два электрона занимают 2s орбиталь, а пятый входит в 2p подоболочку. Поскольку орбитали внутри подоболочки считаются вырожденными, пятый электрон может войти в любую из трех вырожденных 2p орбиталей.

Шестой электрон следует правилу максимальной кратности Ханда и поодиночке занимает вырожденную орбиталь, а не спаривание. Следовательно, для углерода два2p-электрона занимают две разные орбитали и имеют параллельные спины.

Диаграмма электронной конфигурации показывает, что углерод имеет два электрона, называемых электронами ядра, во внутренней оболочке и четыре электрона, называемых валентными электронами, в самых дальних оболочках.

Порядок атомных орбиталей относительно их энергий можно запомнить с помощью таких диаграмм, где траектория стрелки показывает последовательность, в которой электроны распределены по орбиталям.

Однако эта прогрессия становится более сложной по мере введения d и f орбиталей, и последовательность становится менее предсказуемой для переходных элементов, лантаноидов и актинидов.