Elektronkonfigurációk az első periódusban

Nézzük meg, hogyan lehet felírni az első periódusban az elektronszerkezeteket! A periódusos rendszer első periódusában csak két elemmel kell foglalkoznunk: a hidrogénnel és a héliummal. Kezdjük az 1-es rendszámú hidrogénnel! Ha a rendszáma 1, az azt jelenti, hogy az atom egy protont tartalmaz. Egy semleges atomban a protonok és az elektronok száma megegyezik. Tehát ha egy proton van, akkor elektronból is egynek kell lennie. Így ehhez az egy elektronhoz kell felírnunk a megfelelő konfigurációt. Ehhez az energiaminimum (Aufbau) elvet alkalmazzuk. Az Aufbau németül felépítést jelent. Ugyanis amikor elektronszerkezetet írunk fel, az atom felépítésének megfelelő módját keressük. Azt kell meggondolnunk, hogy hova tegyük az elektronokat. Itt csak egy elektronnal kell foglalkoznunk. Mi a legjobb hely, ahova a hidrogénatom egyetlen elektronját tehetjük? A lehető legközelebb akarjuk tenni az atommaghoz, hogy a pozitív és a negatív töltések közti vonzóerő maximális legyen. Az elektron így a legalacsonyabb energiaszintre kerül. Ez az a szint, ahol a főkvantumszám n = 1. Beszéltünk korábban a kvantumszámokról. Ha n = 1, akkor l-nek egyetlen értéke lehet, mégpedig 0. Ha l értéke 0, akkor ugye mₗ-nek is csak egy értéke lehet. Ennek megfelelően a mágneses kvantumszám értéke 0. Ha l = 0, akkor s-pályáról van szó, amiből tudjuk annak irányítottságát is. mₗ-nek egytlen értéke, tehát csak egy iránya lehet egy s-pályának. Az s-pálya gömb alakú. Ez a gömb, ez a háromdimenziós térrész itt, ez az a hely, ahol az elektront nagy valószínűséggel megtalálhatjuk. Tehát a hidrogénatom elektronja egy s-pályán található. Az atom első energiaszintjén egy s-pályán. Írjuk le most ezt az elektronszerkezetet! Ezt úgy szokás írni, hogy 1s¹. Nézzük meg, mit is jelent ez! Az első 1-es az energiaszintet mutatja meg: n = 1, azaz az első héjon vagyunk. Az s azt jelenti, hogy a hidrogén elektronja s-pályán van. A felső indexbe írt 1-es azt árulja el, hogy hány elektron van ezen a pályán. Ebben az esetben persze csak egy elektronról van szó. 1s¹ azt jelenti, hogy egy elektron van s-pályán, az első energiaszinten (héjon). Van egy másik jelölésmód is az elektronszerkezet felírására, illetve inkább felrajzolására. Rajzolunk egy vonalat, ami egy pályát jelképez. Itt egy s-pályájáról van szó az első energiaszinten, ennek megfelelően jelölhetjük 1s pályaként. A hidrogén egyetlen elektronját ezen az s-pályán helyezzük el. Az elektron spinje mutasson mondjuk fölfelé. Ez a felfelé mutató nyíl jelenti a felfelé mutató spinű elektront. A negyedik kvantumszám, mₛ tehát így +½ lesz. Láttuk, hogy két lehetőség van az elektronszerkezet felírására: vagy azt írjuk, hogy 1s¹, vagy lerajzoljuk, amit itt látunk. Ezzel készen vagyunk a hidrogén 1 elektronjával. Térjünk át most a héliumra, ahol két elektronnal kell foglalkoznunk! A hélium rendszáma kettő, tehát 2 protonja és 2 elektronja van. (Alapállapotban) az első héjon, azaz az első energiaszinten vagyunk, azaz a főkvantumszám n = 1. Ha n = 1, akkor l = 0, és mₗ is 0; ezúttal is egy s-pályáról van szó az első energiaszinten. Nézzük a rajzos megjelenítést a hélium esetében! Két elektronja van, így elegendő egy s-pálya az első héjon. Az első elektront rajzolhatjuk felfelé mutató spinnel. A másodiknak ekkor lefelé kell mutatnia, mivel a spineknek párban kell lenniük, azaz egy fölfelé, egy pedig lefelé mutat. Miért is így kell ezt így ábrázolnunk? Felírom ide a -½ spint. A spineket a Pauli-féle kizárási elv miatt kell párba állítanunk. Eszerint: „Egy atomban nem lehet két olyan elektron, melyeknek mind a négy kvantumszáma megegyezik.” Az első elektronnak, amelyet az egyetlen s-pályán helyeztünk el, felfelé mutat a spinje. Ennek ugyanaz a négy kvantumszáma, mint itt fölül, úgyhogy újraírás helyett bekarikázom a hidrogénnél. A második elektronnak, amelyet lefelé mutató spinnel rajzoltam, nem lehetnek ugyanezek a kvantumszámai. n = 1, l = 0, mₗ = 0; ezek ugyan azonosak, de az utolsó különbözik. Ezért kell ennek -½-nek lennie, azaz a spinjének lefelé mutatni. Így a hélium két elektronjának nem azonos minden kvantumszáma. Az utolsó kvantumszámuk különböző. Ez tehát a Pauli-elv lényege. A Pauli-elvből következik, hogy egy atompályán maximum két elektron lehet, mivel ezzel a kvantumszámoknak minden lehetséges kombinációját kimerítjük. Ennek megfelelően az 1s-pálya meg is telik. Felírhatjuk a hélium elektronszerkezetét úgy is, hogy 1s². Mit is jelent ez? Egy s-pályáról beszélünk, az első energiaszinten (héjon), és ezen az s-pályán két elektron van. A hélium (alapállapotú) elektronszerkezete tehát 1s². És mivel az 1s-pályán két elektron van, több elektron már nem férhet oda. Így az első héj lezárult. Ez egy telített héj; nincs több pálya az első energiaszinten. Ha hozzá akarnánk adni még egy elektront, az már csak a következő héjra kerülhetne. Ez pedig már a periódusos rendszer második sorába visz.