Az atompályák betöltődési sorrendje (Aufbau-elv)

Korábbi videókban már volt szó atompályákról, amik különböző alhéjakon helyezkednek el, amely alhéjak az atom különböző héjain találhatók. Ebben a videóban jobban megérthetjük az atomok elektronszerkezetét. Közelebbről megismerkedünk az Aufbau-elvvel, azaz a pályák betöltődésének sorrendjével. Az Aufbau német szó; felépítést jelent. Ezzel a nagyon hasznos elvvel jól érthető az atomok elektronszerkezete a kalciumig bezárólag. Kezdjük egy kis bemelegítéssel! Mi a neon elektronszerkezete? Állítsd meg a videót, és próbáld meg kitalálni a periódusos rendszer segítségével! Most nézzük együtt: a neon rendszáma 10, a semleges neonatomnak tehát 10 elektronja van. Az első kettő megtölti az első héjat. Ez eddig 1s². A következő kettő a második héj 2s-alhéjára kerül, azaz 2s² -et írunk a szerkezetbe. El kell még helyezni hat elektront a tízből; ezek a 2p-alhéjat töltik fel; ide 2p⁶-ot írunk. Mi is a feltöltött alhéjak sorrendje? Először az 1s telítődött, utána a 2s, majd a 2p. Láthatjuk ezt a periódusos rendszerben is. A periódusos rendszer első sorában az első héj töltődik. A második sorban vagy második periódusban a második héj töltődik. Nézzük, mi a helyzet, ha például az argon szerkezetével foglalkozunk? Hogyan is néz ki az argon elektronszerkezete? Állítsd meg a videót, és próbáld egyedül kitalálni! Folytassuk! Használhatjuk a nemesgáz segítségével történő rövid írásmódot. A neontól fogunk tovább építkezni. Eddig tehát megvan a neon elektronszerkezete, a további elektronokat pedig a harmadik héjra helyezzük. A neon után először két elektront a 3s-alhéjra helyezünk, ami tehát 3s². Ahhoz, hogy mind a 18 elektron meglegyen, – mivel most 12-nél tartunk –, még 6 kell, amik a 3p-alhéjra kerülnek, így ide 3p⁶-ot írunk. Tehát itt az ábrán a 2s-sel és 2p-vel eljutottunk a neon szerkezetéig, majd az argon felé haladva következett a 3s és a 3p. Mi lehet a kalcium elektronszerkezete? Állítsd meg a videót, és próbáld egyedül kitalálni! Visszatérve: a kalciumnak 20 protonja van, így egy semleges kalciumatomban az elektronok száma is 20. Ez kettővel több, mint az argonban. Kiindulhatunk az argon elektronszerkezetéből, és megnézhetjük, hova kerül ez a két elektron. Innentől lesz igazán érdekes az Aufbau-elv. Van ugyan egy betölthető 3d-alhéj, de a kalcium esetében ez a két elektron a 3d alhéj helyett mégis a 4s-alhéjra kerül. Tehát a kalcium belső héjainak elektronszerkezete olyan, mint az argoné, a következő elektronok viszont a 3d² helyetta a 4s² konfigurációt veszik fel. Ezért rajzoltam így ezt az ábrát, ami bevezető kémiakurzusokon is ebben a formában szerepel. Először megtelik az 1s héj, nincs semmi meglepetés. Ezzel betöltődik az első héj. Utána megtelik a 2s, majd a 2p alhéj, és ezzel betöltődik a második héj. Utána megint semmi különös nincs, jön a 3s alhéj, majd ezt követi a 3p. Itt jön azonban a meglepetés, ami miatt hasznos ez az ábra a betöltődési sorrendről. Ha a kálium vagy a kalcium elektronszerkezetét nézzük, az extra elektronok a 4s-alhéjra kerülnek. Nézzük meg most, mi lehet a szkandium elektronszerkezete! Állítsd meg a videót, és próbáld egyedül kitalálni! Visszatérve: a szkandiumnak eggyel több protonja van, mint a kalciumnak. 21 protonja van, ha semleges, így elektronja is eggyel több van, mint a semleges kalciumatomnak. Következésképpen hasonló elektronszerkezete lehet; ezt is felépíthetjük az argontól indulva. Van két elektron a 4s-alhéjon, ez 4s², az Aufbau-elv pedig – ez a kis ábra itt – azt mutatja, hogy a fennmaradó elektron a 3d-alhéjra kerül, tehát 3d¹-et írhatunk ide. A szkandium elektronszerkezete valóban ilyen. Az Aufbau-elv alapján úgy gondolhatjuk, hogy egy szkandiumatom felépülése során a 4s pálya töltődik elsőként, majd utána a 3d, ahogyan az a legtöbb kémiakönyvben és a legtöbb kurzuson szerepel is. Valójában azonban, ha egy szkandium atommagból és 18 elektronból indulunk ki – aminek természetesen pozitív töltése van –, akkor az első hozzáadott elektron nem a 4s-alhéjra kerül, hanem a 3d-re. Ide kerül az elektron elsőként, ha az elektronszerkezet felépítéséről van szó. Azért nem akarok itt nagy zavart okozni. Ennek a videónak csak az elektronszerkezet a témája, amihez nagyon hasznos az Aufbau elv ismerete. Ha csak az elektronszerkezet érdekes, akkor elég azt tudni, hogy a 3d pálya után jön a 4p, az 5s. Ezt az ábrát láthatod legtöbb elsőéves kémiakönyvben is. A legfontosabb ismeret, amit itt megtanulhattunk, az az Aufbau elv: ez az ábra, amely az elektronszerkezetek megállapításában sokat segít, miközben elektronról elektronra felépítjük az atomot. Ha viszont a valóság pontos ismerete érdekel, a kalcium után bizony ennél komplikáltabb a helyzet. A másik, amit érdemes a tanultak alapján megfigyelned, az a periódusos rendszer mintázatos szerkezete. Mely elemeknél épül az s-alhéj? Láthatod, hogy minden elemnél itt az első két oszlopban az s-alhéj van kiépülőben. Úgy tűnik azonban, hogy innen valami hiányzik. Van még valami, ahol az s-alhéj épül? Eszerint a szempont szerint a héliumnak még itt volna a helye, hiszen annak az esetében még az 1s-alhéj töltődik. Emiatt azt mondhatjuk, hogy ezek az elemek alkotják az s-mezőt. Mely elemeknél épül ki a p-alhéj? Nos, minden itteni elem a p-alhéját építgeti, vagy éppen már feltöltötte. Emiatt az itt lévő elemeket, illetve ezt a területet p-mezőnek nevezzük. Ezek pedig itt középen, beleértve a szkandiumot is, a d-mezőt alkotják. Miért is nevezzük ezt d-mezőnek? Ha az Aufbau-elvet komolyan vesszük az atomok felépítése során, könnyen arra jutunk, hogy itt a negyedik sorban a 3d-alhéj épül, itt az ötödikben pedig a 4d alhéj. Már tudjuk, hogy ez nem felel meg a valóságnak, de ha csak az elektronszerkezet érdekes, akkor mégis úgy tűnhet. Ezért nevezzük ezt d-mezőnek. Ezt a videót pedig itt fejezzük be.