Κατασκευή ηλεκτρονιακής δομής

Με μια ματιά

Υπολογίζεις τον αριθμό ηλεκτρονίων ως $Z$ για ουδέτερο άτομο ή ως $Z-q$ για ιόν με προσημασμένο φορτίο $q$ σε μονάδες στοιχειώδους φορτίου. Για ουδέτερα άτομα και απλά ιόντα κύριων ομάδων συμπληρώνεις τις υποστιβάδες με την αρχή ηλεκτρονιακής δόμησης Aufbau, τηρώντας την απαγορευτική αρχή του Pauli και τον κανόνα του Hund. Ελέγχεις τις δοσμένες εξαιρέσεις για ουδέτερα άτομα χρωμίου και χαλκού. Για κατιόν πρώτης σειράς στοιχείου μετάπτωσης αφαιρείς πρώτα ηλεκτρόνια από την $4s$ και έπειτα από την $3d$. Σταματάς όταν το άθροισμα των εκθετών συμφωνεί με τον απαιτούμενο αριθμό ηλεκτρονίων και ελέγχεις χωριστά τη θεμελιώδη κατάσταση.

2Κεντρική ιδέα

Σε μια ηλεκτρονιακή δομή διαβάζεις κάθε εκθέτη ως κατάληψη της αντίστοιχης υποστιβάδας. Αθροίζεις τους εκθέτες για να ελέγξεις τον απαιτούμενο αριθμό ηλεκτρονίων και συγκρίνεις κάθε κατάληψη με τη χωρητικότητα της υποστιβάδας. Για τη θεμελιώδη κατάσταση, εφαρμόζεις την αρχή ηλεκτρονιακής δόμησης Aufbau. Συνδυάζεις την αρχή της ελάχιστης ενέργειας, την απαγορευτική αρχή του Pauli και τον κανόνα του Hund. Η σωστή άθροιση των ηλεκτρονίων δεν αρκεί από μόνη της για να αποδείξεις ότι η δομή αντιστοιχεί στη θεμελιώδη κατάσταση.

3Μηχανισμός

Για ουδέτερο άτομο με ατομικό αριθμό $Z$, χρησιμοποιείς $Z$ ηλεκτρόνια. Για ιόν με προσημασμένο φορτίο $q$ σε μονάδες στοιχειώδους φορτίου, χρησιμοποιείς $Z-q$ ηλεκτρόνια. Θετικό φορτίο αφαιρεί ηλεκτρόνια, ενώ αρνητικό φορτίο προσθέτει ηλεκτρόνια. Συμπληρώνεις τις υποστιβάδες με τη σειρά $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, $4s$, $3d$, $4p$, $5s$, $4d$, $5p$, $6s$, $4f$, $5d$, $6p$, $7s$. Σταματάς μόλις το άθροισμα των εκθετών γίνει ίσο με τον απαιτούμενο αριθμό ηλεκτρονίων. Τηρείς τις μέγιστες χωρητικότητες $2$, $6$, $10$ και $14$ ηλεκτρονίων για τις υποστιβάδες $s$, $p$, $d$ και $f$ αντίστοιχα. Σε κάθε ατομικό τροχιακό τοποθετείς έως $2$ ηλεκτρόνια με αντίθετους κβαντικούς αριθμούς spin. Σε ισοενεργειακά τροχιακά της ίδιας υποστιβάδας τοποθετείς πρώτα μονήρη ηλεκτρόνια με παράλληλο spin και μετά σχηματίζεις ζεύγη. Για τα ουδέτερα άτομα $\chem{Cr}$ και $\chem{Cu}$ χρησιμοποιείς αντίστοιχα τις δομές $[\chem{Ar}]\,3d^5\,4s^1$ και $[\chem{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1$. Δεν γενικεύεις αυτές τις εξαιρέσεις. Όταν σχηματίζεις κατιόν πρώτης σειράς στοιχείου μετάπτωσης, αφαιρείς πρώτα τα ηλεκτρόνια της $4s$ και μετά της $3d$.

4Παράδειγμα

Για ουδέτερο άτομο με $Z=4$, γράφεις την ηλεκτρονιακή δομή της θεμελιώδους κατάστασης.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Χρησιμοποιείς $4$ ηλεκτρόνια, επειδή το άτομο είναι ουδέτερο και έχει $Z=4$.

2. Δείξε το βήμα 2

   Τοποθετείς $2$ ηλεκτρόνια στην $1s$ και τα υπόλοιπα $2$ στην $2s$, ακολουθώντας τη σειρά συμπλήρωσης και τη χωρητικότητα κάθε υποστιβάδας.

3. Δείξε το βήμα 3

   Γράφεις $1s^2\,2s^2$ και ελέγχεις ότι το άθροισμα των εκθετών είναι $2+2=4$.

5Παράδειγμα

Για ουδέτερο άτομο με $Z=17$, γράφεις τη θεμελιώδη ηλεκτρονιακή δομή, βρίσκεις την περίοδο και τον τομέα και κρίνεις αν είναι παραμαγνητικό.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Χρησιμοποιείς $17$ ηλεκτρόνια, επειδή το άτομο είναι ουδέτερο.

2. Δείξε το βήμα 2

   Συμπληρώνεις τις υποστιβάδες και γράφεις $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$, με άθροισμα εκθετών $17$.

3. Δείξε το βήμα 3

   Εντοπίζεις ως υψηλότερη κατειλημμένη στιβάδα τη στιβάδα με $n=3$ και κατατάσσεις το άτομο στην περίοδο $3$.

4. Δείξε το βήμα 4

   Εντοπίζεις ότι το τελευταίο ηλεκτρόνιο εισέρχεται στην $3p$ και κατατάσσεις το άτομο στον τομέα $p$.

5. Δείξε το βήμα 5

   Η υποστιβάδα $p$ διαθέτει $3$ τροχιακά. Κατανέμεις τα $5$ ηλεκτρόνια της $3p$ ως δύο ζεύγη και ένα μονήρες ηλεκτρόνιο, σύμφωνα με τον κανόνα του Hund, και χαρακτηρίζεις το άτομο παραμαγνητικό.

6Παράδειγμα

Για το ιόν $\ion{Br^-}$, γράφεις τη θεμελιώδη ηλεκτρονιακή δομή.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Προσθέτεις $1$ ηλεκτρόνιο στα $35$ ηλεκτρόνια του ουδέτερου ατόμου και βρίσκεις συνολικά $36$ ηλεκτρόνια.

2. Δείξε το βήμα 2

   Συμπληρώνεις τις υποστιβάδες μέχρι τα $36$ ηλεκτρόνια και γράφεις $[\chem{Ar}]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^6$.

3. Δείξε το βήμα 3

   Ελέγχεις ότι η ηλεκτρονιακή δομή αντιστοιχεί στον απαιτούμενο αριθμό των $36$ ηλεκτρονίων.

7Συχνά λάθη

• Μην χρησιμοποιείς $Z$ ηλεκτρόνια για ένα ιόν χωρίς να λάβεις υπόψη το προσημασμένο φορτίο του.
• Ελέγχεις τη μέγιστη χωρητικότητα κάθε υποστιβάδας και διορθώνεις τυχόν υπέρβασή της.
• Μην θεωρείς ότι μια δομή είναι θεμελιώδης κατάσταση μόνο επειδή έχει σωστό συνολικό αριθμό ηλεκτρονίων.
• Σε ισοενεργειακά τροχιακά της ίδιας υποστιβάδας τοποθετείς πρώτα μονήρη ηλεκτρόνια με παράλληλο spin και έπειτα σχηματίζεις ζεύγη.
• Μην αφαιρείς ηλεκτρόνια από την $3d$ πριν από την $4s$ όταν σχηματίζεις κατιόν πρώτης σειράς στοιχείου μετάπτωσης.
• Μην επινοείς εξαιρέσεις από τη σειρά συμπλήρωσης πέρα από τις ρητά δοσμένες δομές.