Электронная конфигурация многоэлектронных атомов.

У щелочного металла натрия (атомный номер 11) на один электрон больше, чем у атома неона. Этот электрон должен войти в подоболочку с наименьшей энергией, орбиталь 3 s , что дает 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ¹ конфигурация. Электроны, занимающие орбитали внешней оболочки (максимальное значение n ), называются валентными электронами, а электроны, занимающие орбитали внутренней оболочки, называются остовными электронами. Поскольку основные электронные оболочки соответствуют электронным конфигурациям благородных газов, мы можем сокращать электронные конфигурации, записывая благородный газ, который соответствует основной электронной конфигурации, вместе с валентными электронами в сжатом формате. Для натрия символ [Ne] представляет электроны ядра, (1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ ), а сокращенная или сжатая конфигурация – [Ne] 3 s ¹ .

Аналогично, сокращенная конфигурация лития может быть представлена как [HE]2s1, где [HE] представляет конфигурацию атома гелия, которая идентична конфигурации наполненной внутренней оболочки лития. Написание конфигураций таким образом подчеркивает схожесть конфигураций лития и натрия. Оба атома, входящие в семейство щелочных металлов, имеют только один электрон в подоболочке валентности вне заполненного набора внутренних оболочек.

Li: [He] 2s1

Na: [NE]3s1

Щелочноземельный металл магний (атомный номер 12) с его 12 электронами в конфигурации [Ne] 3 s ² аналогичен члену своего семейства бериллию, [He] 2 s ² . Оба атома имеют заполненную подоболочку s вне заполненных внутренних оболочек. Алюминий (атомный номер 13), с 13 электронами и электронной конфигурацией [Ne] 3 s ² 3 p ¹ , аналогичен члену семейства бора, [He] 2 s ² 2 p ¹ .

Электронные конфигурации кремния (14 электронов), фосфора (15 электронов), серы (16 электронов), хлора (17 электронов) и аргона (18 электронов) аналогичны электронным конфигурациям их внешних оболочек соответствующим членам их семей: Углероду, азоту, кислороду, фтор и неону, соответственно, за исключением того, что главное квантовое число внешней оболочки более тяжелых элементов увеличилось на один к n = 3.

Когда мы пришли к следующему элементу периодической таблицы, калию щелочного металла (атомный номер 19), мы могли бы ожидать, что мы начнем добавлять электроны в 3D-подоболочку. Однако все имеющиеся химические и физические доказательства указывают на то, что калий похож на литий и натрий, и что следующие выборы не добавляются на уровень 3d, а добавляются к уровню 4s. Как уже говорилось ранее, трехмерная орбитальная без радиальных узлов обладает большей энергией, поскольку она менее проникающая и более экранированная от ядра, чем 4s, которые имеют три радиальных узла. Таким образом, калий имеет электронную конфигурацию [AR]4s1. Следовательно, калий соответствует ли и Na в его конфигурации оболочки валентности. Следующий электрон добавляется для завершения подоболочки 4s, а кальций имеет электронную конфигурацию [AR]4s2. Это дает кальцию внешнюю электронную конфигурацию оболочки, соответствующую конфигурации из алюминия и магния.

В случае Cr и Cu мы обнаружили, что полунаполненные и полностью заполненные подоболочки, по-видимому, представляют собой условия предпочтительной стабильности. Такая стабильность такова, что электрон переходит из 4-х в 3-мерную орбиту, чтобы получить дополнительную стабильность полузаполненной 3d-подоболочки (в Cr) или заполненной 3d-подоболочки (в Cu). Также происходят другие исключения. Например, предполагается, что конфигурация электронов [KR]5s24d3 будет иметь ниобий (NB, атомный номер 41). Экспериментально мы видим, что егоосновная конфигурация электронов на самом деле [KR]5s14d  ⁴. Мы можем рационализировать это наблюдение, заявив, что электронные отталкивания, испытанные сопряжением электронов на орбите 5s, больше, чем разрыв в энергии между 5s и 4d орбит. Нет простого способа предсказать исключения для атомов, где величина отталкиваний между электронами больше, чем небольшие различия в энергии между подоболочками.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 6.4: Электронная структура атомов.