Konfiguracja elektronowa - Polski Serwis Naukowy

Konfiguracja elektronowa (struktura elektronowa) pierwiastka – uproszczony opis atomu polegający na rozmieszczeniu elektronów należących do atomów danego pierwiastka na poszczególnych powłokach, podpowłokach i orbitalach. Każdy elektron znajdujący się w atomie opisywany jest przy pomocy zbioru liczb kwantowych.

Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub więcej elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub więcej elektronów z jednego atomu na atom i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.

Pojęcie liczby kwantowej pojawiło się w fizyce wraz z odkryciem mechaniki kwantowej. Okazało się, że właściwie wszystkie wielkości fizyczne mierzone w mikroświecie atomów i cząsteczek podlegają zjawisku kwantowania, tzn. mogą przyjmować tylko pewne ściśle określone wartości. Na przykład elektrony w atomie znajdują się na ściśle określonych orbitach i mogą znajdować się tylko tam, z dokładnością określoną przez zasadę nieoznaczoności. Z drugiej strony każdej orbicie odpowiada pewna energia. Bliższe badania pokazały, że w podobny sposób zachowują się także inne wielkości np. pęd, moment pędu czy moment magnetyczny (kwantowaniu podlega tu nie tylko wartość, ale i położenie wektora w przestrzeni albo jego rzutu na wybraną oś). Wobec takiego stanu rzeczy naturalnym pomysłem było po prostu ponumerowanie wszystkich możliwych wartości np. energii czy momentu pędu. Te numery to właśnie liczby kwantowe.

Przyjmuje się, że w podstawowym stanie energetycznym wszystkie atomy danego pierwiastka posiadają jednakową konfigurację elektronową, o ile nie są związane z innymi atomami.

Konfigurację tę, a ściślej – energie poszczególnych elektronów i rozkład przestrzenny ich funkcji falowych, można ustalić na podstawie obliczeń kwantowo-mechanicznych. Dla pierwiastków zawierających niewiele elektronów jest to stosunkowo proste. Obliczenia stają się skomplikowane w miarę wzrostu ilości elektronów, dlatego też najczęściej do wyznaczania energii elektronów stosuje się metody spektroskopowe. W przypadku wielu pierwiastków, zwłaszcza lantanowców, metali przejściowych i metali ziem rzadkich, istnieją wciąż liczne kontrowersje na temat ich konfiguracji elektronowej i dlatego w różnych tabelach i opracowaniach można często znaleźć sprzeczne dane na ten temat. Wynika to w znacznej mierze z faktu, że konfiguracja elektronowa ma ścisły sens tylko w spinowo ograniczonym przybliżeniu Hartree-Focka – a metoda ta dla wielu układów zupełnie zawodzi. Innymi słowy, konfiguracja elektronowa jest parametrem modelu RHF, a nie jakąś obserwowalną strukturą.

Konfiguracje elektronowe atomów obojętnych w stanie podstawowym. Rozpisane systemem podpowłokowym z wyszczególnieniem liczby elektronów w każdej powłoce.

Hel (He, łac. helium) – pierwiastek chemiczny, z grupy gazów szlachetnych w układzie okresowym. Jest po wodorze drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, jednak na Ziemi występuje wyłącznie w śladowych ilościach (4·10-7% w górnych warstwach atmosfery).

Konwencja zapisu konfiguracji

Konfigurację zapisuje się wg pewnej konwencji. Zapis ten może wyglądać na przykład tak: neon: 1s2s2p

lub w zapisie "klatkowym":

Liczby występujące przed literami oznaczają numery kolejnych powłok elektronowych. Ich numeracja zaczyna się od powłoki najbliższej jądra i rośnie wraz z oddalaniem się od niego. Małe litery ("s", "p", "d" i "f") oznaczają rodzaje typów orbitali, zaś górne indeksy liczbowe oznaczają liczbę elektronów znajdujących się na danym poziomie orbitalnym, w danym typie orbitalu.

Liczba atomowa ( Z ) (liczba porządkowa) określa, ile protonów znajduje się w jądrze danego atomu. Jest także równa liczbie elektronów niezjonizowanego atomu. Pojawia się ona w symbolicznym zapisie jądra izotopu:

Orbital – powierzchnia opisana funkcją falową, będącą rozwiązaniem równania Schrödingera dla szczególnego przypadku układu jednego elektronu znajdującego się na jednej z powłok atomowych lub tworzących wiązanie chemiczne.

Dla uproszczenia podaje się często zapis skrócony. Np. węgiel: hel + 2s2p

lub upraszczając: C: [He]2s2p

gdzie hel [He] to konfiguracja elektronowa helu (tzw. rdzeń helowy), do której dodane są kolejne elektrony. Zapis "klatkowy" przybiera teraz postać

Ogólne zasady ustalania konfiguracji

Elektrony zajmują kolejne orbitale na kolejnych powłokach tak aby atom jako całość posiadał jak najniższą energię. W przypadku pierwiastków z grup głównych układu okresowego teoretyczne obliczenie energii elektronów na poszczególnych orbitalach jest stosunkowo proste. Dlatego można tu podać ogólne reguły zapełniania kolejnych orbitali, dzięki której znając liczbę atomową danego pierwiastka można łatwo samemu ustalić jego konfigurację.

Neon (Ne, łac. neon) - pierwiastek chemiczny z grupy gazów szlachetnych w układzie okresowym. Jego zawartość w górnych warstwach Ziemi wynosi 5 × 10-7%. Stabilne izotopy neonu to 20Ne, 21Ne i 22Ne. Jest to bezwonny i bezbarwny gaz. Stosuje się go do wypełniania lamp neonowych, jako tańszy od helu środek chłodniczy oraz w laserach.

Poziom energetyczny - wartość energii stanu dostępnego dla cząstki. Poziom fermionu może być zdegenerowany, jeśli dana wartość energii cechuje więcej niż jeden stan.

Reguły te to:

najpierw zapełnieniu ulegają orbitale "s", potem "p", potem "d" i na końcu "f".

orbitale z wyższych warstw są zapełniane dopiero po całkowitym zapełnieniu warstw niższych.

na orbitalach s mogą być tylko 2 elektrony, na p 6, na d 10 i na f 14

w pierwszej powłoce jest tylko orbital s, w drugiej są orbitale s i p, w trzeciej s, p i d i w końcu w czwartej i piątej pojawiają się jeszcze orbitale f.

Warunki pisania konfiguracji elektronowej: reguła Hunda - elektrony w stanie stacjonarnym rozmieszczane są w podpowłokach i powłokach, zaczynając od tych o najniższej energii.

Reguła Hunda - reguła mówiąca, że w atomie, w celu uzyskania najbardziej korzystnego energetycznie zapełnienia orbitali atomowych, powinno być jak najwięcej elektronów niesparowanych. Elektrony ulegają sparowaniu po pojedynczym zapełnieniu wszystkich form przestrzennych danych orbitali danej powłoki elektronowej.

Układ okresowy pierwiastków - zestawienie wszystkich pierwiastków chemicznych w postaci rozbudowanej tabeli, uporządkowanych według ich rosnącej liczby atomowej, grupujące pierwiastki według ich cyklicznie powtarzających się podobieństw właściwości, zgodnie z prawem okresowości Dmitrija Mendelejewa.

W przypadku ciężkich metali z grup pobocznych oraz lantanowców reguły te jednak zawodzą. Np. zdarza się tu, że przed pełnym obsadzeniem orbitali z powłoki drugiej, zaczynają już się zapełniać orbitale s i p powłoki trzeciej (tak zwana promocja elektronowa).

Jest tak na przykład w przypadku palladu (promocja dwóch elektronów) – ostatnie orbitale powłok s i d nie zapełniają się według wzoru 5s4d. Zamiast tego dwa elektrony z powłoki s "przeskakują" do powłoki d i tak zanika 5s, którego wszystkie elektrony przechodzą do 4d i otrzymujemy 4d.

Jądro atomowe – centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie dla środowiska.

Orbital s – orbital, czyli falowa funkcja własna elektronu w polu oddziaływania jądra lub rdzenia atomowego, który odpowiada pobocznej liczbie kwantowej l = 0. Energia elektronu na orbitalu s jest zależna od wartości głównej liczby kwantowej, n. Wartości funkcji falowej w różnych punktach sferycznej chmury elektronowej otaczającej ładunek centralny nie zależą od kierunku promienia sfery. Charakter ich zależności od odległości od centrum jest różny dla różnych liczb kwantowych n. Najbardziej prawdopodobne jest znalezienie elektronu w takiej odległości od jądra, która jest zbliżona do promienia odpowiedniej orbity Bohra.

Zobacz też

lista konfiguracji elektronowych pierwiastków chemicznych

informacja o tabeli Alberta Tarantoli, która pozwala bezpośrednio odczytać konfigurację elektronową pierwiastków