6.4 Rafeindabygging atóma (rafeindaskipan)

Rafeindabygging atóma (rafeindaskipan)

Námsmarkmið

Þegar þessum kafla lýkur muntu geta:

Leitt út fyrirspáða rafeindaskipan atóma á grunnsástandi
Borið kennsl á og útskýrt undantekningar frá fyrirspáðri rafeindaskipan atóma og jóna
Tengt rafeindaskipan við flokkun frumefna í lotukerfinu

Nú þegar við höfum kynnt grunnatriði atómbyggingar og skammtafræði getum við notað skilning okkar á skammtatölum til að ákvarða hvernig atómsvigrúm tengjast hvert öðru. Þetta gerir okkur kleift að ákvarða hvaða svigrúm eru setin af rafeindum í hverju atómi. Hin sérstaka fyrirkomulag rafeinda í svigrúmum atóms ákvarðar marga af efnafræðilegum eiginleikum þess atóms.

Orka svigrúma og atómbygging

Orka atómsvigrúma eykst eftir því sem aðalskammtatalan, n, hækkar. Í hvaða atómi sem er með tvær eða fleiri rafeindir veldur fráhrindikrafturinn milli rafeindanna því að orka undirhvolfa með mismunandi gildi á l er ólík, þannig að orka svigrúmanna eykst innan hvolfs í röðinni s < p < d < f. Mynd 6.24 sýnir hvernig þessar tvær þróanir í orkuaukningu tengjast. 1s svigrúmið neðst á skýringarmyndinni er svigrúmið með rafeindum á lægsta orkustigi. Orkan eykst þegar við færum okkur upp í 2s og síðan 2p, 3s og 3p svigrúmin, sem sýnir að hækkandi n gildi hefur meiri áhrif á orku en hækkandi l gildi fyrir lítil atóm. Hins vegar gildir þetta mynstur ekki fyrir stærri atóm. 3d svigrúmið er orkuhærra en 4s svigrúmið. Slíkar skaranir halda áfram að eiga sér stað oft þegar við færumst upp eftir töflunni.

A table entitled, “Subshell electron capacity,” is shown. Along the left side of the table, an upward pointing arrow labeled, “E,” is drawn. The table includes three columns. The first column is narrow and is labeled, “2.” The second is slightly wider and is labeled, “6.” The third is slightly wider yet and is labeled, “10.” The fourth is the widest and is labeled, “14.” The first column begins at the very bottom with a horizontal line segment labeled “1 s.” Evenly spaced line segments continue up to 7 s near the top of the column. In the second column, a horizontal dashed line segment labeled, “2 p,” appears at a level between the 2 s and 3 s levels. Similarly 3 p appears at a level between 3 s and 4 s, 4 p appears just below 5 s, 5 p appears just below 6 s, and 6 p appears just below 7 s. In the third column, a dashed line labeled, “3 d,” appears just below the level of 4 p. Similarly, 4 d appears just below 5 p and 5 d appears just below 6 p. Six d however appears above the levels of both 6 p and 7 s. The far right column entries begin with a dashed line labeled, “4 f,” positioned at a level just below 5 d. Similarly, a second dashed line segment appears just below the level of 6 d, which is labeled, “5 f.” — Mynd 6.24 Almennt orkustigsdiagram fyrir atómsvigrúm í atómi með tvær eða fleiri rafeindir (ekki í réttum hlutföllum).

Rafeindir í frumefnum sem koma hvert á fætur öðru í lotukerfinu hafa tilhneigingu til að fylla fyrst í lágorkusvigrúm. Þess vegna finnst mörgum nemendum ruglingslegt að til dæmis 5p svigrúmin fyllast strax á eftir 4d og rétt á undan 6s. Fyllingarröðin byggir á athuguðum niðurstöðum tilrauna og hefur verið staðfest með fræðilegum útreikningum. Eftir því sem aðalskammtatalan, n, eykst, eykst stærð svigrúmsins og rafeindirnar eyða meiri tíma lengra frá kjarnanum. Þar af leiðandi er aðdráttarkrafturinn að kjarnanum veikari og orkan sem tengist svigrúminu er hærri (minna stöðug). En þetta er ekki eina áhrifið sem við þurfum að taka tillit til. Innan hvers hvolfs, eftir því sem gildi l eykst, eru rafeindirnar minna ígengnar (sem þýðir að minni rafeindaþéttleiki finnst nálægt kjarnanum), í röðinni s > p > d > f. Rafeindir sem eru nær kjarnanum hrinda lítillega frá sér rafeindum sem eru lengra úti, og vega þannig örlítið upp á móti ríkjandi aðdráttarkröftum milli rafeinda og kjarna (munum að allar rafeindir hafa hleðsluna −1, en kjarnar hafa hleðsluna +Z). Þetta fyrirbæri er kallað hlífun og verður rætt nánar í næsta kafla. Rafeindir í svigrúmum sem verða fyrir meiri hlífun eru minna stöðugar og því orkuhærri. Fyrir lítil svigrúm (1s til 3p) er orkuaukningin vegna n marktækari en aukningin vegna l; hins vegar, fyrir stærri svigrúm eru þessar tvær þróanir sambærilegar og ekki hægt að spá fyrir um þær á einfaldan hátt. Við munum ræða aðferðir til að muna eftir athugaðri röð.

Fyrirkomulag rafeinda í svigrúmum atóms er kallað rafeindaskipan (e. electron configuration) atómsins. Við lýsum rafeindaskipan með tákni sem inniheldur þrjár upplýsingar (Mynd 6.25):

Númer aðalskammtahvolfsins, n,
Bókstafurinn sem táknar gerð svigrúmsins (undirhvolfið, l), og
Háskriftartala sem táknar fjölda rafeinda í því tiltekna undirhvolfi.

Til dæmis gefur rithátturinn 2p⁴ (lesið „tvö–p–fjórir“) til kynna fjórar rafeindir í p-undirhvolfi (l = 1) með aðalskammtatöluna (n) 2. Rithátturinn 3d⁸ (lesið „þrír–d–átta“) gefur til kynna átta rafeindir í d-undirhvolfinu (þ.e. l = 2) í aðalhvolfinu þar sem n = 3.

A light blue hemisphere is labeled H. At a location about midway between the center and outer edge of the hemisphere, a small yellow-orange sphere is shown that is labeled with a negative sign. To the right of this diagram is the electron configuration 1 s superscript 1. The superscript is shown in a small yellow-orange circle. This superscript is labeled, “Number of electrons in subshell,” and the s is labeled, “Subshell.” — Mynd 6.25 Skýringarmynd af rafeindaskipan tilgreinir undirhvolfið (n og l gildi, með bókstafstákni) og háskriftartölu rafeinda.

Aufbau-reglan

Til að ákvarða rafeindaskipan tiltekins atóms getum við „byggt“ upp bygginguna í röð eftir sætistölum. Við byrjum á vetni og höldum áfram yfir lotur lotukerfisins, bætum við einni róteind í senn í kjarnann og einni rafeind í viðeigandi undirsvið þar til við höfum lýst rafeindaskipan allra frumefna. Þessi aðferð er kölluð Aufbau-reglan (e. aufbau principle), úr þýska orðinu Aufbau („að byggja upp“). Hver rafeind sem bætist við sest á það undirsvið sem hefur lægstu fáanlegu orkuna (í þeirri röð sem sýnd er í Mynd 6.24), með fyrirvara um þær takmarkanir sem leyfilegar skammtatölur setja samkvæmt útilokunarreglu Pauli. Rafeindir fara aðeins á orkuhærri undirsvið eftir að orkulægri undirsvið hafa fyllst. Mynd 6.26 sýnir hefðbundna leið til að muna fyllingarröð atómsvigrúma. Þar sem uppsetning lotukerfisins byggir á rafeindaskipanum, veitir Mynd 6.27 aðra aðferð til að ákvarða rafeindaskipan. Fyllingarröðin byrjar einfaldlega á vetni og tekur til hvers undirsviðs eftir því sem þú ferð í hækkandi Z röð. Til dæmis, eftir að hafa fyllt 3p blokkina upp að Ar, sjáum við að næsta svigrúm verður 4s (K, Ca), fylgt eftir af 3d svigrúmunum.

This figure includes a chart used to order the filling of electrons into atoms. At the top is a blue circle labeled “1 s.” In a row beneath this circle are 6 additional blue circles labeled “2 s” through “7 s.” A column to the right begins just right of 2 s and contains pink circles labeled 2 p through 7 p. A column to the right begins just right of 3 p and contains yellow circles labeled 3 d through 6 d. No circles are placed to the right of the 7 s and 7 p circles. A final column on the right begins right of 4 d. It includes grey circles labeled, “4 f” and, “5 f.” No circles are placed right of 6 d. Through these circles, arrows are included in the figure pointing down and to the left. The first arrow begins in the upper right and passes through 1 s. The second arrow begins just below and passes through 2 s. The third arrow passes through 2 p and 3 s. The fourth arrow passes through 3 p and 4 s. This pattern of parallel arrows pointing downward to the left continues through all circles completing the pattern 1 s 2 s 2 p 3 s 3 p 4 s 3 d 4 p 5 s 4 d 5 p 6 s 4 f 5 d 6 p 7 s 5 f 6 d 7 p. — Mynd 6.26 Þessi skýringarmynd sýnir orkuröð atómsvigrúma og er gagnleg til að leiða út rafeindaskipanir á grunnsástandi.

In this figure, a periodic table is shown that is entitled, “Electron Configuration Table.” Beneath the table, a square for the element hydrogen is shown enlarged to provide detail. The element symbol, H, is placed in the upper left corner. In the upper right is the number of electrons, 1. The lower central portion of the element square contains the subshell, 1s. Helium and elements in groups 1 and 2 are shaded blue. In this region, the rows are labeled 1s through 7s moving down the table. Groups 3 through 12 are shaded orange, and the rows are labeled 3d through 6d moving down the table. Groups 13 through 18, except helium, are shaded pink and are labeled 2p through 6p moving down the table. — Mynd 6.27 Þessi hluti lotukerfisins sýnir rafeindaskipanir fyrir gildisundirsvið atóma. Með því að „byggja upp“ frá vetni er hægt að nota þessa töflu til að ákvarða rafeindaskipan fyrir atóm flestra frumefna í lotukerfinu. (Rafeindaskipanir lantaníða og aktiníða eru ekki nákvæmlega spáð með þessari einföldu aðferð. Sjá Mynd 6.29.)

Við munum nú setja saman rafeindaskipan á grunnsástandi og svigrúmsmynd fyrir úrval atóma í fyrstu og annarri lotu lotukerfisins. Svigrúmsmyndir (e. orbital diagrams) eru myndrænar framsetningar á rafeindaskipaninni, sem sýna einstök svigrúm og pörunarfyrirkomulag rafeinda. Við byrjum á einu vetnisatómi (sætistala 1), sem samanstendur af einni róteind og einni rafeind. Með vísan til Mynd 6.26 eða Mynd 6.27, myndum við búast við að finna rafeindina í 1s svigrúminu. Samkvæmt venju er ${{m}_{s}=+\frac{1}{2}}$ gildið yfirleitt fyllt fyrst. Rafeindaskipanin og svigrúmsmyndin eru:

In this figure, the element symbol H is followed by the electron configuration is 1 s superscript 1. An orbital diagram is provided that consists of a single square. The square is labeled below as, “1 s.” It contains a single upward pointing half arrow.

Næst á eftir vetni kemur eðalgastegundin helíum, sem hefur sætistöluna 2. Helíumatómið inniheldur tvær róteindir og tvær rafeindir. Fyrri rafeindin hefur sömu fjórar skammtatölur og rafeind vetnisatómsins (n = 1, l = 0, m_l = 0, ${{m}_{s}=+\frac{1}{2}}$ ). Seinni rafeindin fer einnig í 1s svigrúmið og fyllir það. Seinni rafeindin hefur sömu n, l og m_l skammtatölur, en verður að hafa gagnstæða spinnskammtatölu, ${{m}_{s}=-\frac{1}{2}.}$ . Þetta er í samræmi við útilokunarreglu Pauli: Engar tvær rafeindir í sama atómi geta haft sama sett af fjórum skammtatölum. Fyrir svigrúmsmyndir þýðir þetta að tvær örvar fara í hvern kassa (sem tákna tvær rafeindir í hverju svigrúmi) og örvarnar verða að vísa í gagnstæðar áttir (sem tákna paraða spinna). Rafeindaskipan og svigrúmsmynd helíums eru:

In this figure, the element symbol H e is followed by the electron configuration, “1 s superscript 2.” An orbital diagram is provided that consists of a single square. The square is labeled below as “1 s.” It contains a pair of half arrows: one pointing up and the other down.

n = 1 hvolfið er alveg fyllt í helíumatómi.

Næsta atóm er alkalímálmurinn litíum með sætistöluna 3. Fyrstu tvær rafeindirnar í litíum fylla 1s svigrúmið og hafa sömu sett af fjórum skammtatölum og rafeindirnar tvær í helíum. Rafeindin sem eftir er verður að setjast á svigrúm næstlægstu orkunnar, 2s svigrúmið (Mynd 6.26 eða Mynd 6.27). Þannig eru rafeindaskipan og svigrúmsmynd litíums:

In this figure, the element symbol L i is followed by the electron configuration, “1 s superscript 2 2 s superscript 1.” An orbital diagram is provided that consists of two individual squares. The first square is labeled below as, “1 s.” The second square is similarly labeled, “2 s.” The first square contains a pair of half arrows: one pointing up and the other down. The second square contains a single upward pointing arrow.

Atóm jarðalkalímálmsins beryllíums, með sætistöluna 4, inniheldur fjórar róteindir í kjarnanum og fjórar rafeindir umhverfis kjarnann. Fjórða rafeindin fyllir það pláss sem eftir er í 2s svigrúminu.

In this figure, the element symbol B e is followed by the electron configuration, “1 s superscript 2 2 s superscript 2.” An orbital diagram is provided that consists of two individual squares. The first square is labeled below as, “1 s.” The second square is similarly labeled, “2 s.” Both squares contain a pair of half arrows: one pointing up and the other down.

Atóm bórs (sætistala 5) inniheldur fimm rafeindir. n = 1 hvolfið er fyllt með tveimur rafeindum og þrjár rafeindir munu setjast á n = 2 hvolfið. Þar sem hvert s undirsvið getur aðeins innihaldið tvær rafeindir, verður fimmta rafeindin að setjast á næsta orkustig, sem verður 2p svigrúm. Það eru þrjú úrkynjuð 2p svigrúm (m_l = −1, 0, +1) og rafeindin getur sest á hvaða sem er af þessum p svigrúmum. Þegar við teiknum svigrúmsmyndir, tökum við með tóma kassa til að sýna öll tóm svigrúm í sama undirsviði og við erum að fylla.

In this figure, the element symbol B is followed by the electron configuration, “1 s superscript 2 2 s superscript 2 2 p superscript 1.” The orbital diagram consists of two individual squares followed by 3 connected squares in a single row. The first square is labeled below as, “1 s.” The second is similarly labeled, “2 s.” The connected squares are labeled below as, “2 p.” All squares not connected contain a pair of half arrows: one pointing up and the other down. The first square in the group of 3 contains a single upward pointing arrow.

Kolefni (sætistala 6) hefur sex rafeindir. Fjórar þeirra fylla 1s og 2s svigrúmin. Eftirstandandi tvær rafeindirnar setjast á 2p undirsviðið. Við höfum nú val um að fylla eitt af 2p svigrúmunum og para rafeindirnar eða að láta rafeindirnar vera óparaðar í tveimur mismunandi, en úrkynjuðum, p svigrúmum. Svigrúmin eru fyllt eins og lýst er í reglu Hunds (e. hund’s rule): lægsta orkuskipan fyrir atóm með rafeindir innan setts af úrkynjuðum svigrúmum er sú sem hefur hámarksfjölda óparaðra rafeinda. Þannig hafa rafeindirnar tvær í 2p svigrúmum kolefnis eins n, l og m_s skammtatölur og eru ólíkar í m_l skammtatölu sinni (í samræmi við útilokunarreglu Pauli). Rafeindaskipan og svigrúmsmynd fyrir kolefni eru:

In this figure, the element symbol C is followed by the electron configuration, “1 s superscript 2 2 s superscript 2 2 p superscript 2.” The orbital diagram consists of two individual squares followed by 3 connected squares in a single row. The first blue square is labeled below as, “1 s.” The second is similarly labeled, “2 s.” The connected squares are labeled below as, “2 p.” All squares not connected to each other contain a pair of half arrows: one pointing up and the other down. The first two squares in the group of 3 each contain a single upward pointing arrow.

Nitur (sætistala 7) fyllir 1s og 2s undirhvelin og hefur eina rafeind í hverju hinna þriggja 2p svigrúma, í samræmi við reglu Hunds. Þessar þrjár rafeindir hafa óparaðan spuna. Súrefni (sætistala 8) hefur par rafeinda í einhverju einu af 2p svigrúmunum (rafeindirnar hafa gagnstæðan spuna) og eina staka rafeind í hvoru hinna tveggja. Flúor (sætistala 9) hefur aðeins eitt 2p svigrúm sem inniheldur óparaða rafeind. Allar rafeindir í eðalgasinu neon (sætistala 10) eru paraðar og öll svigrúm í n = 1 og n = 2 hvelunum eru fyllt. Rafeindaskipanir og svigrúmarit þessara fjögurra frumefna eru:

This figure includes electron configurations and orbital diagrams for four elements, N, O, F, and N e. Each diagram consists of two individual squares followed by 3 connected squares in a single row. The first square is labeled below as, “1 s.” The second is similarly labeled, “2 s.” The connected squares are labeled below as, “2 p.” All squares not connected to each other contain a pair of half arrows: one pointing up and the other down. For the element N, the electron configuration is 1 s superscript 2 2 s superscript 2 2 p superscript 3. Each of the squares in the group of 3 contains a single upward pointing arrow for this element. For the element O, the electron configuration is 1 s superscript 2 2 s superscript 2 2 p superscript 4. The first square in the group of 3 contains a pair of arrows and the last two squares contain single upward pointing arrows. For the element F, the electron configuration is 1 s superscript 2 2 s superscript 2 2 p superscript 5. The first two squares in the group of 3 each contain a pair of arrows and the last square contains a single upward pointing arrow. For the element N e, the electron configuration is 1 s superscript 2 2 s superscript 2 2 p superscript 6. The squares in the group of 3 each contains a pair of arrows.

Alkalímálmurinn natríum (sætistala 11) hefur einni rafeind meira en neonatóm. Þessi rafeind verður að fara í lægsta lausa orkuundirhvelið, 3s svigrúmið, sem gefur 1s²2s²2p⁶3s¹ rafeindaskipan. Rafeindirnar sem skipa ysta hvelssvigrúmið (eða svigrúmin) (hæsta gildi n) eru kallaðar gildisrafeindir (e. valence electrons) og þær sem skipa innri hvelssvigrúmin eru kallaðar kjarnarafeindir (e. core electrons) (Mynd 6.28). Þar sem kjarnarafeindahvelin samsvara rafeindaskipanum eðalgastegunda getum við stytt rafeindaskipanir með því að skrifa eðalgasið sem samsvarar kjarnarafeindaskipaninni, ásamt gildisrafeindunum á þjöppuðu formi. Í dæminu okkar um natríum táknar [Ne] kjarnarafeindirnar (1s²2s²2p⁶) og stytta eða þjappaða rafeindaskipanin okkar er [Ne]3s¹.

This figure includes the element symbol N a, followed by the electron configuration for the element. The first part of the electron configuration, 1 s superscript 2 2 s superscript 2 2 p superscript 6, is shaded in purple and is labeled, “core electrons.” The last portion, 3 s superscript 1, is shaded orange and is labeled, “valence electron.” To the right of this configuration is the word “Abbreviation” followed by [ N e ] 3 s superscript 1. — Mynd 6.28 Stytt rafeindaskipan með kjarna (hægra megin) kemur í stað kjarnarafeinda með tákni eðalgassins þar sem rafeindaskipan þess samsvarar kjarnarafeindaskipan hins frumefnisins.

Á sama hátt má tákna stytta rafeindaskipan litíums sem [He]2s¹, þar sem [He] táknar rafeindaskipan helíumatómsins, sem er eins og rafeindaskipan fyllta innri hvelsins í litíum. Með því að skrifa rafeindaskipanirnar á þennan hátt er lögð áhersla á líkindin milli rafeindaskipana litíums og natríums. Bæði atómin, sem eru í flokki alkalímálma, hafa aðeins eina rafeind í gildis-s-undirhveli utan við fyllt sett innri hvela.

Jarðalkalímálmurinn magnesíum (sætistala 12), með sínar 12 rafeindir í [Ne]3s² rafeindaskipan, er hliðstæður frumefninu beryllíum í sama flokki, [He]2s². Bæði atómin hafa fyllt s-undirhvel utan við fyllt innri hvel sín. Ál (sætistala 13), með 13 rafeindir og rafeindaskipanina [Ne]3s²3p¹, er hliðstætt frumefninu bór í sama flokki, [He]2s²2p¹.

Rafeindaskipanir kísils (14 rafeindir), fosfórs (15 rafeindir), brennisteins (16 rafeindir), klórs (17 rafeindir) og argons (18 rafeindir) eru hliðstæðar í rafeindaskipanum ytri hvela sinna við samsvarandi frumefni í sínum flokkum, þ.e. kolefni, nitur, súrefni, flúor og neon, nema að aðalskammtatala ytra hvels þyngri frumefnanna hefur hækkað um einn í n = 3. Mynd 6.29 sýnir lægstu orku- eða grunnástandsrafeindaskipan þessara frumefna auk rafeindaskipana atóma allra þekktra frumefna.

A periodic table, entitled, “Electron Configuration Table” is shown. The table includes the outer electron configuration information, atomic numbers, and element symbols for all elements. A square for the element hydrogen is pulled out beneath the table to provide detail. The blue shaded square includes the atomic number in the upper left corner, which is 1; the element symbol, H, in the upper right corner; and the outer electron configuration in the lower, central portion of the square. For H, this is 1s superscript 1. — Mynd 6.29 Þessi útgáfa af lotukerfinu sýnir rafeindaskipan ysta hvels hvers frumefnis. Takið eftir að niður hvern flokk er rafeindaskipanin oft svipuð.

Þegar við komum að næsta frumefni í lotukerfinu, alkalímálminum kalíum (sætistala 19), gætum við búist við því að við myndum byrja að bæta rafeindum við 3d undirhvelið. Hins vegar benda allar tiltækar efnafræðilegar og eðlisfræðilegar sannanir til þess að kalíum sé eins og litíum og natríum og að næstu rafeind sé ekki bætt við 3d orkuþrepið heldur sé henni bætt við 4s orkuþrepið (Mynd 6.29). Eins og áður var rætt hefur 3d svigrúmið, sem hefur enga geislahnúta, hærri orku vegna þess að það smýgur síður inn og er meira hulið frá kjarnanum en 4s svigrúmið, sem hefur þrjá geislahnúta. Þannig hefur kalíum rafeindaskipanina [Ar]4s¹. Þar af leiðandi samsvarar kalíum Li og Na í gildishvelaskipan sinni. Næstu rafeind er bætt við til að fullkomna 4s undirhvelið og kalsíum hefur rafeindaskipanina [Ar]4s². Þetta gefur kalsíum rafeindaskipan ysta hvels sem samsvarar rafeindaskipan beryllíums og magnesíums.

Frá og með hliðarmálminum skandíum (sætistala 21) bætast rafeindir smám saman við 3d-undirsviðið. Þetta undirsvið fyllist að fullu með 10 rafeindum (mundu að fyrir l = 2 [d-svigrúm] eru 2l + 1 = 5 gildi fyrir m_l, sem þýðir að það eru fimm d-svigrúm sem samanlagt rúma 10 rafeindir). 4p-undirsviðið fyllist næst. Taktu eftir að fyrir þrjár raðir frumefna, skandíum (Sc) til kopars (Cu), yttríum (Y) til silfurs (Ag) og lantan (La) til gulls (Au), bætast samtals 10 d-rafeindir smám saman við (n – 1) hvolfið við hliðina á n-hvolfinu til að fjölga rafeindum í (n – 1) hvolfinu úr 8 í 18. Fyrir tvær raðir, lantan (La) til lútetíums (Lu) og aktíníum (Ac) til lawrensíums (Lr), bætast 14 f-rafeindir (l = 3, 2l + 1 = 7 m_l gildi; þar af leiðandi sjö svigrúm með samanlagt 14 rafeinda rúmtak) smám saman við (n – 2) hvolfið til að fjölga rafeindum í því hvolfi úr 18 í samtals 32.

Dæmi 6.10

Skammtatölur og rafeindaskipanir

Hver er rafeindaskipan og svigrúmsmynd fyrir fosfóratóm? Hverjar eru fjórar skammtatölur síðustu rafeindarinnar sem bættist við?

Lausn

Sætistala fosfórs er 15. Því inniheldur fosfóratóm 15 rafeindir. Röðin sem orkustigin fyllast í er 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, . . . Þessar 15 rafeindir fosfóratómsins munu fylla upp að 3p-svigrúminu, sem mun innihalda þrjár rafeindir:

Síðasta rafeindin sem bættist við er 3p-rafeind. Þess vegna er n = 3 og fyrir p-gerð svigrúms er l = 1. m_l-gildið gæti verið –1, 0 eða +1. Þrjú p-svigrúmin eru úrkynjuð, þannig að hvaða m_l-gildi sem er er rétt. Fyrir óparaðar rafeindir er venjan að úthluta gildinu ${+\, \frac{1}{2}}$ fyrir spinnskammtatöluna; þannig, ${{m}_{s}=+\frac{1}{2}.}$

Kannaðu þekkingu þína

Greindu atómin út frá gefnum rafeindaskipanum:

(a) [Ar]4s²3d⁵

(b) [Kr]5s²4d¹⁰5p⁶

Lotukerfið getur verið öflugt tæki til að spá fyrir um rafeindaskipan frumefnis. Hins vegar finnum við undantekningar frá röðinni sem svigrúm fyllast í, sem sýnd er í Mynd 6.26 eða Mynd 6.27. Til dæmis eru rafeindaskipanir (sýndar í Mynd 6.29) hliðarmálmanna króms (Cr; sætistala 24) og kopars (Cu; sætistala 29), meðal annarra, ekki eins og við myndum búast við. Almennt séð fela slíkar undantekningar í sér undirsvið með mjög svipaða orku og lítil áhrif geta leitt til breytinga á röðinni sem þau fyllast í.

Í tilfelli Cr og Cu komumst við að því að hálffyllt og alveg fyllt undirsvið virðast tákna ástand ákjósanlegs stöðugleika. Þessi stöðugleiki er slíkur að rafeind færist úr 4s-svigrúmi yfir í 3d-svigrúm til að ná auka stöðugleika hálffyllts 3d-undirsviðs (í Cr) eða fyllts 3d-undirsviðs (í Cu). Aðrar undantekningar koma einnig fyrir. Til dæmis er spáð að níóbíum (Nb, sætistala 41) hafi rafeindaskipanina [Kr]5s²4d³. Tilraunir sýna að rafeindaskipan þess í grunnástandi er í raun [Kr]5s¹4d⁴. Við getum rökstutt þessa athugun með því að segja að fráhrindikraftar milli rafeinda sem verða við pörun rafeinda í 5s-svigrúminu séu stærri en orkumunurinn á milli 5s- og 4d-svigrúmanna. Það er engin einföld aðferð til að spá fyrir um undantekningar fyrir atóm þar sem stærðargráða fráhrindikrafta milli rafeinda er meiri en litli orkumunurinn á milli undirsviða.

Rafeindaskipanir og lotukerfið

Eins og lýst var áður raðar lotukerfið atómum eftir hækkandi sætistölu þannig að frumefni með sömu efnafræðilegu eiginleika koma reglulega fyrir aftur. Þegar rafeindaskipanum þeirra er bætt við töfluna (Mynd 6.29) sjáum við einnig reglulega endurkomu svipaðra rafeindaskipana í ytri hvolfum þessara frumefna. Vegna þess að þær eru í ytri hvolfum atóms gegna gildisrafeindir mikilvægasta hlutverkinu í efnahvörfum. Ytri rafeindirnar hafa hæstu orku rafeinda í atómi og er auðveldara að missa þær eða deila þeim en kjarnarafeindirnar. Gildisrafeindir eru einnig afgerandi þáttur í sumum eðlisfræðilegum eiginleikum frumefnanna.

Frumefni í sama flokki (eða dálki) hafa sama fjölda gildisrafeinda; alkalímálmarnir litín og natrín hafa hvor um sig aðeins eina gildisrafeind, jarðalkalímálmarnir beryllín og magnesín hafa hvor um sig tvær og halógenarnir flúor og klór hafa hvor um sig sjö gildisrafeindir. Líkindi í efnafræðilegum eiginleikum meðal frumefna í sama flokki stafa af því að þau hafa sama fjölda gildisrafeinda. Það er missir, viðbót eða samnýting gildisrafeinda sem ræður því hvernig frumefni hvarfast.

Það er mikilvægt að muna að lotukerfið var þróað á grundvelli efnafræðilegrar hegðunar frumefnanna, löngu áður en nokkur hugmynd um atómbyggingu þeirra var til. Nú getum við skilið hvers vegna lotukerfið hefur þá uppröðun sem það hefur – uppröðunin setur frumefni, þar sem atómin hafa sama fjölda gildisrafeinda, í sama flokk. Þessi uppröðun er áréttuð í Mynd 6.29, sem sýnir í formi lotukerfis rafeindaskipan síðustu undirsvigskeljarinnar sem fyllist samkvæmt Aufbau-reglunni. Lituðu svæðin í Mynd 6.29 sýna þrjá flokka frumefna sem eru flokkuð eftir því hvaða svigrúm eru fyllt: aðalflokkafrumefni, hliðarfrumefni og innri hliðarfrumefni. Þessar flokkanir ákvarða hvaða svigrúm teljast til gildissvigrúma (e. valence shell), eða svigrúma atóms með hæsta orkustig.

Aðalflokkafrumefni (stundum kölluð fulltrúafrumefni) eru þau þar sem síðasta rafeindin sem bætist við fer á s- eða p-svigrúm í ystu svigskel, sýnd með bláu og rauðu í Mynd 6.29. Þessi flokkur inniheldur öll málmleysingjaefni, auk margra málma og málmunga. Gildisrafeindir fyrir aðalflokkafrumefni eru þær sem hafa hæsta n-gildið. Til dæmis hefur gallín (Ga, sætistala 31) rafeindaskipanina [Ar]4s²3d¹⁰4p¹, sem inniheldur þrjár gildisrafeindir (undirstrikaðar). Fullfylltu d-svigrúmin teljast sem innri rafeindir, ekki gildisrafeindir.
Hliðarfrumefni eða hliðarmálmar. Þetta eru málmkennd frumefni þar sem síðasta rafeindin sem bætist við fer á d-svigrúm. Gildisrafeindirnar (þær sem bætast við eftir síðustu eðalgasskipan) í þessum frumefnum innihalda ns og (n – 1) d rafeindirnar. Opinber skilgreining IUPAC á hliðarfrumefnum tilgreinir þau sem hafa að hluta til fyllt d-svigrúm. Þannig eru frumefnin með fullfyllt svigrúm (Zn, Cd, Hg, auk Cu, Ag og Au í Mynd 6.29) tæknilega séð ekki hliðarfrumefni. Hins vegar er hugtakið oft notað til að vísa til allrar d-blokkarinnar (lituð gul í Mynd 6.29), og við munum tileinka okkur þá notkun í þessari kennslubók.
Innri hliðarmálmar eru málmkennd frumefni þar sem síðasta rafeindin sem bætist við fer á f-svigrúm. Þeir eru sýndir með grænum lit í Mynd 6.29. Gildishvolf innri hliðarmálma samanstanda af (n – 2)f, (n – 1)d og ns undirhvolfum. Það eru tvær raðir innri hliðarmálma:
1. Lanþaníðaröðin: lanþan (La) til lútetín (Lu)
2. Aktiníðaröðin: aktín (Ac) til lawrensín (Lr)

Lanþan og aktín eru, vegna líkinda þeirra við aðra meðlimi raðanna, talin með og notuð til að nefna raðirnar, jafnvel þótt þau séu hliðarmálmar án f-rafeinda.

Rafeindaskipan jóna

Jónir myndast þegar frumeindir fá eða missa rafeindir. Katjón (jákvætt hlaðin jón) myndast þegar ein eða fleiri rafeindir eru fjarlægðar úr móðurfrumeind. Fyrir aðalhópa frumefna eru rafeindirnar sem bættust við síðast þær fyrstu sem eru fjarlægðar. Fyrir hliðarmálma og innri hliðarmálma er hins vegar auðveldara að fjarlægja rafeindir á s-svigrúmi en d- eða f-rafeindir, og því tapast fyrst ns-rafeindirnar með hæstu orkuna og síðan eru (n – 1)d- eða (n – 2)f-rafeindirnar fjarlægðar. Anjón (neikvætt hlaðin jón) myndast þegar einni eða fleiri rafeindum er bætt við móðurfrumeind. Rafeindunum sem bætast við er raðað í þeirri röð sem Aufbau-reglan segir fyrir um.

Dæmi 6.11

Að spá fyrir um rafeindaskipan jóna

Hver er rafeindaskipan:

(a) Na⁺

(b) P^3–

(c) Al²⁺

(d) Fe²⁺

(e) Sm³⁺

Lausn

Fyrst skaltu skrifa niður rafeindaskipan hverrar móðurfrumeindar. Við höfum valið að sýna fullar, óstyttar skipanir til að veita nemendum sem vilja það meiri æfingu, en það er einnig ásættanlegt að skrá styttu rafeindaskipanina.

Næst skaltu ákvarða hvort rafeind bætist við eða tapast. Mundu að rafeindir eru neikvætt hlaðnar, þannig að jónir með jákvæða hleðslu hafa misst rafeind. Fyrir aðalhópa frumefna fær síðasta svigrúmið rafeindina eða missir hana. Fyrir hliðarmálma missir síðasta s-svigrúmið rafeind á undan d-svigrúmunum.

(a) Na: 1s²2s²2p⁶3s¹. Natrínkatjón missir eina rafeind, þannig að Na⁺: 1s²2s²2p⁶3s¹ = Na⁺: 1s²2s²2p⁶.

(b) P: 1s²2s²2p⁶3s²3p³. Fosfórþrífalt anjón fær þrjár rafeindir, þannig að P³⁻: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

(c) Al: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. Áltvífalt katjón missir tvær rafeindir Al²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹ =

Al²⁺: 1s²2s²2p⁶3s¹.

(d) Fe: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶. Járn(II) missir tvær rafeindir og þar sem það er hliðarmálmur eru þær fjarlægðar af 4s svigrúminu Fe²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶ = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶.

(e). Sm: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁶. Samaríumþríkatjón missir þrjár rafeindir. Fyrstu tvær tapast af 6s svigrúminu og sú síðasta er fjarlægð af 4f svigrúminu. Sm³⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁶ = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶4f⁵.

Kannaðu þekkingu þína

Hvaða jón með +2 hleðslu hefur rafeindaskipanina 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶4d⁵? Hvaða jón með +3 hleðslu hefur þessa skipan?