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7.15:

Elektronenkonfiguration von Multielektronenatomen

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Chemistry
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Electron Configuration of Multielectron Atoms

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Das Pauli’sche Ausschlussprinzip, die Hundsche Regel der maximalen Multiplizität und das Aufbauprinzip können erweitert werden, um die Elektronenkonfiguration eines beliebigen Elements vorzusehen. Stellen Sie sich die die Elektronenkonfiguration für Natrium vor. Die Kernelektronenverteilung in Natrium ist genau die des vorhergehenden Elements, Neon.Das einzelne Valenzelektron besetzt das 3s Orbital. Neon gehört zur achtzehnten Gruppe des Periodensystems die Edelgase. Die Elektronenkonfigurationen dieser Elemente erleichtern die komprimierte Darstellung der Elektronenkonfiguration für andere Elemente.Für jedes Element ist die Kernelektronenkonfiguration die gleiche wie die des vorhergehenden Edelgases im Periodensystem. Die Elektronenkonfiguration von Natrium, zum Beispiel, kann als Neonkern, 3s1, geschrieben werden. Die Kernelektronenkonfiguration von Kalium ist 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6, wobei ein Valenzelektron übrig bleibt.Kann nun das neunzehnte Elektron die 3d Schale besetzen? Erinnern Sie sich, dass die 4s Unterschale eine beträchtliche Durchdringungsfähigkeit besitzt, was oft dazu führt, dass sie eine geringere Energie hat als die 3d Unterschale Das Aufbauprinzip würde also besagen, dass sich die 4s Unterschale vor der 3d Unterschale füllt. Der Kern des vorhergehenden Edelgases Argon, wird verwendet, um die kondensierte Konfiguration zu schreiben.Obwohl diese Prinzipien einen Ausgangspunkt bieten, müssen die tatsächlichen Elektronenkonfigurationen experimentell bestätigt werden. In mehreren Elementen der Übergangselementen, Lanthanoide und Aktinide, sind die orbitalen Energien in einer anderen relativen Reihenfolge, und das Aufbauprinzip wird möglicherweise nicht vollständig befolgt. In den Übergangselementen, haben die 3d-und 4s-Unterschalen ähnliche Energien.Die 4s Unterschale ist oft vollständig gefüllt. Zum Beispiel, in Scandium ist die Elektronenkonfiguration der Argon-Kern, 4s2 3d1. Bei Zink werden die 4s-und 3d Unterschalen bis zu ihrer maximalen Kapazität gefüllt.Allerdings, besetzen die Grundzustände einiger Metalle, wie Chrom und Kupfer, einzeln 4s Orbitale. Chrom ist besonders bemerkenswert, weil zwei Unterschalen nur teilweise gefüllt sind, was von dem Aufbauprinzip abweicht. Über die Lanthanoiden-Reihe hinweg, haben vom Cerium bis Lutetium, die Unterschalen 6s und 4f ähnliche Energien.Die Elektronenkonfiguration für Neodyms Xenon-Kern ist 6s2 4f4. Inzwischen hat Cerium eine ungewöhnliche Elektronenkonfiguration des Xenon-Kerns mit 6s2 4f1 5d1, da seine Unterschalen 6s, 4f und 5d sich energetisch ungewöhnlich nahe sin

7.15:

Elektronenkonfiguration von Multielektronenatomen

The alkali metal sodium (atomic number 11) has one more electron than the neon atom. This electron must go into the lowest-energy subshell available, the 3s orbital, giving a 1s22s22p63s1 configuration. The electrons occupying the outermost shell orbital(s) (highest value of n) are called valence electrons, and those occupying the inner shell orbitals are called core electrons. Since the core electron shells correspond to noble gas electron configurations, we can abbreviate electron configurations by writing the noble gas that matches the core electron configuration, along with the valence electrons in a condensed format. For sodium, the symbol [Ne] represents core electrons, (1s22s22p6), and the abbreviated or condensed configuration is [Ne]3s1.

Similarly, the abbreviated configuration of lithium can be represented as [He]2s1, where [He] represents the configuration of the helium atom, which is identical to that of the filled inner shell of lithium. Writing the configurations in this way emphasizes the similarity of the configurations of lithium and sodium. Both atoms, which are in the alkali metal family, have only one electron in a valence s subshell outside a filled set of inner shells.

Li: [He]2s1

Na: [Ne]3s1

The alkaline earth metal magnesium (atomic number 12), with its 12 electrons in a [Ne]3s2 configuration, is analogous to its family member beryllium, [He]2s2. Both atoms have a filled s subshell outside of their filled inner shells. Aluminum (atomic number 13), with 13 electrons and the electron configuration [Ne]3s23p1, is analogous to its family member boron, [He]2s22p1.

The electron configurations of silicon (14 electrons), phosphorus (15 electrons), sulfur (16 electrons), chlorine (17 electrons), and argon (18 electrons) are analogous in the electron configurations of their outer shells to their corresponding family members carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, and neon, respectively, except that the principal quantum number of the outer shell of the heavier elements has increased by one to n = 3.

When we come to the next element in the periodic table, the alkali metal potassium (atomic number 19), we might expect that we would begin to add electrons to the 3d subshell. However, all available chemical and physical evidence indicates that potassium is like lithium and sodium, and that the next election is not added to the 3d level but is, instead, added to the 4s level. As discussed previously, the 3d orbital with no radial nodes is higher in energy because it is less penetrating and more shielded from the nucleus than the 4s, which has three radial nodes. Thus, potassium has an electron configuration of [Ar]4s1. Hence, potassium corresponds to Li and Na in its valence shell configuration. The next electron is added to complete the 4s subshell and calcium has an electron configuration of [Ar]4s2. This gives calcium an outer-shell electron configuration corresponding to that of beryllium and magnesium.

In the case of Cr and Cu, we find that half-filled and completely filled subshells apparently represent conditions of preferred stability. This stability is such that electron shifts from the 4s into the 3d orbital to gain the extra stability of a half-filled 3d subshell (in Cr) or a filled 3d subshell (in Cu). Other exceptions also occur. For example, niobium (Nb, atomic number 41) is predicted to have the electron configuration [Kr]5s24d3. Experimentally, we observe that its ground-state electron configuration is actually [Kr]5s144. We can rationalize this observation by saying that the electron-electron repulsions experienced by pairing the electrons in the 5s orbital are larger than the gap in energy between the 5s and 4d orbitals. There is no simple method to predict the exceptions for atoms where the magnitude of the repulsions between electrons is greater than the small differences in energy between subshells.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 6.4: Electronic Structure of Atoms.