A 3d mező átmenetifémeinek elektronszerkezete

Már tanulmányoztuk a kálium és a kalcium elektronszerkezetét, de nézzük át gyorsan újra, mert ezeknek fontos szerepe lesz a d-pályák tárgyalása során. A káliumot a periódusos rendszer negyedik periódusában találjuk. Az egyszerűség kedvéért a nemesgázt tartalmazó írásmódhoz visszafelé keresünk. Az első nemesgáz, amit találunk, az argon, így ezt ideírjuk zárójelbe. Tudjuk, hogy az argonnak 18 elektronja van, a káliumnak pedig 19: eggyel több, mint az argonnak. Ezt az újabb elektront a 4s-pályára helyezzük, mivel a kálium esetén a 4s-pálya kisebb energiájú, mint a 3d-pályák. Az ábrán fölfelé nő az energia, és ez az elektron a 4s-pályára kerül, így a kálium teljes elektronszerkezete a nemesgázt tartalmazó írásmóddal [Ar] 4s¹. A kalciumnak eggyel több elektronja van, mint a káliumnak. Ez az elektron is a 4s-pályára kerül ellentétes spinnel, egy elektronpárt alkotva. Így a kalcium elektronszerkezete [Ar] 4s². Nézzük meg a Ca²⁺-ion esetét is, ha ezt az iont hozzuk létre... Eddig a semleges atom elektronszerkezetéről volt szó, amelyben azonos a protonok és elektronok száma. 20-as rendszámnál ez 20 proton és 20 elektron. Ha az atom elveszít két elektront, +2 lesz a töltése. Létrejön a Ca²⁺-ion. A két elektron, melyeket az atom lead, ez a kettő itt a 4s-pályán. A Ca²⁺ elektronszerkezetének képlete így azonos lesz az argon nemesgázéval. A káliumnál, ha az argon elektronjai már megvannak, csak egy elektronnal kell foglalkoznunk. A kalciumnál ez már kettő. Ha tovább haladunk a negyedik periódusban, a következő elem a szkandium. Eggyel több elektronja van, mint a kalciumnak, azaz három elektronnal kell foglalkoznunk, miután az argont ideírjuk. Itt kezdődik a szokatlan betöltődés. Figyelembe kell vennünk a d-pályákat, és meglehetősen bonyolulttá válik a helyzet, mert a szkandiumot elérve megváltozik az energiaszintek sorrendje. Bár az energiakülönbségek nagyon kicsik, a 4s-pálya energiája nagyobb, mint a 3d-pályáké. Ezúttal is a növekvő energia az ábrán fölfelé van. Szóval ez eléggé szokatlan. Vajon hova helyezzük most ezt a három elektront? Az első tippünk, ha már tudjuk ezt az energiakülönbséget, az lehet, hogy rendesen kövessük a Hund-szabályt. Elhelyezzük az elektronokat a legkisebb lehetséges energiaszintre, nem párosítva őket, ezzel így nézne ki a szkandium elektronszerkezete. Azt gondolhatnánk, hogy [Ar] 3d³, de a kísérletek nem ezt mutatják a szkandium elektronszerkezetére. Valójában két elektron nem itt, hanem a nagyobb energiájú 4s-pélyán van: azaz az elektronszerkezet 4s² 3d¹. 4s² 3d¹, amit írhatunk 3d¹ 4s² alakban is. előtte természetesen az argonnal. Mind a két változat használatos. Miért van ez a váratlan furcsa viselkedés? Miért töltik be az elektronok először a nagyobb energiájú pályát? Erre nincs egyszerű magyarázat. Annak ellenére, hogy ennek a két elektronnak így nagyobb az energiája, az egész szkandiumatomra nézve mégsem nagyobb az összenergia. Sok más szempontot is figyelembe kell venni, például a növekvő magtöltést. A szkandiumnak eggyel több protonja van, mint a kalciumnak, és ahogy már mondtam, sok további tényező is számít. Több, mint amivel itt foglalkozhatnánk. Sajnos nincs ennek egyszerű magyarázata, de ez a szkandium kísérletekben megfigyelt elektronszerkezete. Honnan is tudjuk, hogy így van? Honnan tudjuk, hogy a 4s-pálya energiája energiája nagyobb, mint a 3d-pályáké? Ezt az ionizációs kísérletekből tudjuk. Például ha létrehozunk egy Sc⁺-iont, annak az elektronszerkezete, miután elveszített egy elektront a semleges szkandiumatomhoz képest, [Ar] 4s¹ 3d¹ lesz, vagy másképpen írva [Ar] 3d¹ 4s¹. Honnan távozott az elektron az ion keletkezésénél? A 4s-pálya elektronját adta le az atom. 4s² volt, és maradt 4s¹. Erről a pályáról veszítette el az elektront, ami csak úgy értelmezhető, hogy a 4s-pálya energiája a nagyobb, mivel ha ionizáljuk az atomot, a legnagyobb energiájú elektron távozik. Azt a legkönnyebb eltávolítani az ion létrehozásához. A 4s-pálya energiája nagyobb, mint a 3d-pályáké. A tankönyvek ezzel nem nagyon foglalkoznak; szerintem főként azért, mert ha csak fel akarjuk írni az atomok elektronszerkezetét, például egy iskolai dolgozatban a szkandiumét, akkor a legegyszerűbb... ezt pirossal írom... A szkandium elektronszerkezetét legegyszerűbben úgy írhatjuk fel, hogy megnézzük a periódusos rendszert, és ha nemesgázzal írjuk a szerkezetet, az előtte levő nemesgáz az argon, utána pedig a periódusos rendszerben láthatjuk, hogy 4s¹, 4s², 3d¹ következik. Ebből megkapjuk a helyes elektronszerkezetet: [Ar] 4s² 3d¹. Ez azonban azt jelzi, hogy a 3d-pályák a 4s-pálya után töltődnek, tehát nagyobb energiájúak, ami viszont már nem igaz. Ha az elektronszerkezetet kell felírni, akkor ez hasznos feltevés, de a valóságban így nem teljesül. Térjünk át most az itt következő többi elemre! A szkandium megvolt, a következő a titán. A titán a következő elem a negyedik periódusban, és ha egy dolgozatban az a feladat, hogy írjuk fel a titán elektronszerkezetét, az megint csak az argon segítségével a legkönnyebb. Írjuk ide zárójelben az argont, és gondoljuk végig: ez 4s¹, ez 4s², ez 3d¹, ez pedig 3d². Tehát 4s²-t és utána 3d²-t írhatunk, vagy szokás szerint megcserélhetjük; lehet 3d² és 4s². Ez megint arra utalna, hogy a d-pályák a 4s-pálya után töltődnek be, ami így nem igaz, de elvezet a helyes válaszhoz. Mindkét módon át lehet gondolni. Érdemes a valóságnak megfelelően gondolkodni az energiaszintekről, de ha az a cél, hogy a legegyszerűbben eljussunk a válaszhoz, érdemesebb a periódusos rendszert nézni, végighaladva az elektronszerkezeteken – például egy dolgozatfeladat megoldásakor. Nézzünk meg még néhány elemet a szkandium és a titán után! Menjünk lejjebb, és nézzük ezeket a sorokat. Az előbb a szkandiumot és a titánt néztük. A szkandium elektronszerkezete [Ar] 4s² 3d¹, két elektronnal a 4s-pályán és eggyel a 3d-pályán. A titán [Ar] 4s² 3d², illetve a két utolsó pálya lehet felcserélve is. Ha a pályákat is nézzük, a d-pályákra kerülő második elektront nem párosítottuk a másikkal. Követtük a Hund-szabályt. A következő elem a vanádium, ennél is ugyanezt csináljuk. Eggyel több elektronja van, amit egy d-pályán helyezünk el, de nem azok egyikére, amelyekkel elkezdtük a feltöltést. Egy üres d-pályán helyezzük el az elektront, ismét követve a Hund-szabályt. A krómnál viszont szokatlanul alakul az elektronszerkezet. Másik színt használok hozzá. Milyen lehet a króm elektronszerkezete? Eggyel több elektronja van, mint a vanádiumnak. Azt gondolhatnánk, hogy csak hozzáadjuk ezt az elektront egy 3d-pályához, és ezzel kész az elektronszerkezet. Így eljárva 4s² 3d⁴ lesz a javaslatunk. Fel is írom ide kérdőjellel: 4s² 3d⁴? A valóság azonban nem ez, hanem 4s¹ 3d⁵. Ez az elektron – bekarikázom itt pirossal –, azt várnánk, hogy itt van, azt várnánk, hogy 4s² 3d⁴ lesz. Olyan, mintha ez az elektron átmenne erre az üres pályára, és így alakulna ki ez az elrendeződés. Így egyszerűnek hangzik, de a valóságban nem így történik az elektronszerkezet felépülésekor a különböző energiaszintek miatt. Az egyszerűség kedvéért azonban, amikor felírjuk az elektronszerkezeteket, azt gondolhatjuk: egy elektron a 4s-pályáról átkerül az utolsó üres 3d-pályára. Szokás erről azt is mondani, hogy ez a félig betöltött d-alhéj, amit itt bekarikázok, különösen stabil, ami igaz lehet a krómatom esetében, de nem mindig teljesül, ezért nem a legjobb magyarázat. A valódi magyarázat rendkívül bonyolult, túlzás volna részletezni egy általánoskémia-kurzuson. A következő elem a mangán. Maradok a kék színnél. A mangánnak eggyel több elektronja van, mint a krómnak. A krómban hat elektron van, a mangánban hét. Ezt várjuk, ahogy haladunk a negyedik periódusban. Következik tehát a mangán, jelöljük ezt zöld színnel. Sorban haladva ez itt 4s¹, 4s², azután 3d¹, 3d², 3d³, 3d⁴, 3d⁵, 4s² 3d⁵, ahogy várjuk. Hasonlóan van ez a vasnál is: 4s² 3d⁶. Készen van tehát a vas, és innentől elkezdjük párosítani az elektronokat a megfelelő spinnel, ahogy azt korábban is láttuk. Következik a kobalt, még eggyel több elektronnal. A szerkezet itt 4s² 3d⁷, azzal az elektronnal, amit hozzáadtunk, és ismét párosítottuk a spineket. Ezután következik a nikkel, szintén eggyel több elektronnal: 3d⁸. Itt az elektron, amit a vashoz képest hozzáadtunk. Majd megint valami furcsa történik, amikor eljutunk a rézhez. Azt gondolhatnánk... legyen ez piros – tudjuk, hogy a réz vörös. Gondoljuk meg, hol lesz még egy elektron, ha a nikkel elektronjaihoz hozzáadunk egyet. Azt gondolhatnánk, ilyen lesz a réz pályáinak a szerkezete, ezzel szemben nem ezt látjuk. Át kell helyeznünk ezt az elektront ide. Ezzel a d-alhéj telítődik. Itt is lehet egyik magyarázat az, hogy ez különlegesen stabil elrendezés, ami igaz lehet a réz esetében. Így a 4s-pályán ezúttal is csak egy elektron marad. Az elektronszerkezet 4s¹ 3d¹⁰. Ezek az általános kémiai magyarázatok azonban valamelyest túl vannak egyszerűsítve a valósághoz képest. Kezdőként azonban egyszerűbb ezt a gondolatmenetet követni. Végül nézzük a cinket, ami követi a szabályt. Hogy elérjük a cink szerkezetét, hozzáadunk még egy elektront. A réz szerkezete megvolt, ehhez még egy elektron kell. Az elektronszerkezet lehet 4s² és 3d¹⁰, egy, kettő, három, négy, öt, hat, hét, nyolc, kilenc, tíz. 4s² 3d¹⁰, vagy 3d¹⁰ 4s², előtte az argonnal, megadja a teljes elektronszerkezetet. Láthatjuk, hogy most a 4s- és a 3d-pályák is telítődtek. Ez is egy elég bonyolult téma, de remélem, hogy azért valamennyire meg lehetett érteni, miről van itt szó.