A harmadik és negyedik periódus atomjainak elektronszerkezete

Az előző videót a neon elektronszerkezetével fejeztük be: 1s² 2s² 2p⁶. Megnéztük, hogyan lehet a periódusos rendszerben áttekinteni az atomok elektronszerkezetét. Ez itt például 1s¹, 1s², aztán ez itt 2s¹, majd 2s², végül a következő hattal eljutunk 2p⁶-ig, a neonig. Most a harmadik periódus érdekel minket. Ez az első periódus, ez a második, ez a harmadik. Kezdjük ezt a nátriummal! A nátriumnak 11 elektronja van, eggyel több, mint a neonnak. A második héja viszont már teljesen megtelt. A nátrium tizenegyedik elektronja így már a harmadik héjra, azaz a harmadik energiaszintre kerül. n értéke a harmadik héjon 3, így l értéke lehet 0, 1 vagy 2. A harmadik héjon egyetlen s-pálya van, van még három p-pálya, ha pedig l = 2, akkor d-pályákról van szó. A d-pályák esetében a mágneses kvantumszám ötféle értéket vehet fel, tehát öt különböző d-pálya lehet a harmadik héjon. Rajzoljuk fel ezeket a pályákat növekvő energia szerinti sorrendben! Errefelé növekszik az energia, és legyen itt a 3s-pálya, a harmadik héj egyetlen s-pályája. Utána jön a három p-pálya. Berajzoljuk ide ezeket is. Ezek a 3p-pályák. Végül vannak a d-pályák is; ezek öten vannak a harmadik héjon. Öt d-pálya. Ezeket is berajzoljuk. Nekik lesz a legnagyobb energiájuk. Itt lesznek: 1, 2, 3, 4, és 5. Most térjünk rá a nátriumra! A nátriumnak 11 elektronja van, az első tizet elhelyezhetjük úgy, mint a neonnál. 1s² 2s² 2p⁶ Ne feledd: a felső indexben levő számok az elektronok számát jelentik. Ez kettő, ezzel négy, ezzel pedig tíz. Megvan az első 10 elektron. Még egyet kell elhelyeznünk, a nátrium 11. elektronját ami a harmadik héjra kerül, ahol a legkisebb energiájú a 3s-pálya. Tehát a nátrium 11. elektronját a 3s-pályán helyezzük el, azaz még 3s¹-et kell írnunk az elektronszerkezetbe, mivel a harmadik héj s-pályáján ez az egy elektron van. A nátrium teljes elektronszerkezete ezzel 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Figyeld meg, hogy az 1s² 2s² 2p⁶ éppen azonos a neon elektronszerkezetével, ezért ezt röviden úgy is írhatjuk, hogy a neont szögletes zárójelbe tesszük, és melléírjuk még a 3s¹-et. Így is fel lehet írni a nátrium elektronszerkezetét. Ezt hívjuk nemesgázszerkezettel történő leírásnak, mivel a nátriumot megelőző nemesgáz szerepel benne. Ha a periódusos rendszerben rendszámok szerint a nátriumtól visszafelé haladunk, az első nemesgáz a neon. A nátrium belső héjainak elektronszerkezete ugyanaz, mint a neoné, amihez még hozzáírjuk a 3s¹-et. Ez a [Ne] 3s¹ a nátrium elektronszerkezete nemesgázt tartalmazó rövid írásmóddal. Térjünk most rá a harmadik periódus egy másik elemére; foglalkozzunk az alumínium elektronszerkezetével Az alumíniumnak 13 elektronja van. Használjuk a nemesgázt tartalmazó rövid írásmódot! Tudjuk, hogy az elektronszerkezet eleje azonos a neonéval. Ezzel ide jutunk. Másik színt fogok használni. Szóval itt vagyunk. Utána jön a nátrium a 3s¹-gyel, a magnézium 3s²-vel. Ezeket iderajzolom. Ezeken kívül kell még egy elektron az alumínium elektronszerkeztéhez. Kell még egy elektron, ami természetesen már az egyik p-pályára kerül. Írjuk fel az elektronszerkezetet! Nézzük meg, mi van itt felrajzolva a pályákra! Két elektron a 3s-pályán, tehát 3s², és egy elektron az egyik 3p-pályán, ezért 3p¹-et írunk. Összegezve tehát [Ne] 3s² 3p¹ az alumínium elektronszerkezete. Ugorjunk tovább most egészen az argonig! Írjuk fel az argon elektronszerkezetét a nemesgázt tartalmazó rövídített írásmóddal! Az argon előtti nemesgáz a neon, tehát ezt írjuk szögletes zárójelbe, és utána folytatjuk. Ez itt a 3s¹, ez pedig a 3s²; szóval eddig van 3s². Átmegyünk innen a túloldalra; itt a 3p¹ következik, majd sorban a 3p², 3p³, 3p⁴, 3p⁵ és 3p⁶. Az argon elektronszerkezetébe tehát beírhatjuk a 3s² 3p⁶-ot. Ha be is akarjuk rajzolni az elektronokat a pályákra, sorrend tekintetében a Hund-szabályt kell követnünk, amelyről az előző videóban is volt szó. Berajzolva ide az összes elektront láthatjuk, hogy a 3p-pályák mind megteltek. Ezzel végeztünk az argonnal. A következő elem a kálium, ami a periódusos rendszer negyedik periódusában van. Ha az argontól eggyel nagyobb rendszámra lépünk tovább, átkerülünk a negyedik sorba, a káliumhoz. Gondolhatnánk, hogy itt van még egy elektron az argon után, ami bizonyára egy d-pályára kerül. Logikusnak tűnik. Ez a d-pálya ugyan itt van, azonban mégsem ez töltődik be. Töröljük is ki ezt az elektront a d-pályáról! A negyedik periódusban vagyunk, ezért meg kell nyitnunk egy új héjat, ahol n = 4. A negyedik héjon... Itt már nem rajzolok, nem írom be ide l lehetséges értékeit, de mindenképpen van itt egy s-pálya. Egy s-pálya a negyedik héjon; ennek az energiája valamivel kisebb, mint a 3d-pályáké. Más színnel rajzolom, hogy ne keverjük őket össze. A 4s-pálya energiája kicsivel kisebb. Legyen ez egy másik kék, nehogy összekeveredjenek. Ez jelképezi a 4s-pályát. A káliumnál, mivel a 4s-pálya energiája kicsivel kisebb, a következő elektron erre a 4s-pályára kerül. Már fel is írhatjuk a kálium elektronszerkezetét. Ha ezt nemesgáz felhasználásával tesszük, visszafelé kell mennünk: melyik nemesgáz van a kálium előtt? Visszafelé haladva természetesen itt éppen az argont találjuk. A kálium elektronszerkezete majdnem azonos az argonéval, csak még egy elektront kell elhelyeznünk. Ez az elektron, a kálium 19. elektronja, amit a 4s-pályára helyezhetünk. Ugyanaz a belső héjak elektronszerkezete, mint az argonnál, és még egy elektron van a 4s-pályán, tehát ide még 4s¹-et írunk. A káliumnál jön még egy elektron. Bocsánat, kalciumot kell mondani. Szóval a kalcium; itt még egy elektront kell elhelyezni. A kalciumot megelőző nemesgáz ugyancsak az argon. A kalcium elektronszerkezete ugyanúgy kezdődik, utána eggyel több elektronnal mint az előbb, és tudjuk, hogy ez is elfér itt a 4s-pályán. Hozzáadhatunk ide még egy elektront, ami párosítható a 'fel' spinűvel. Ezzel itt 4s² szerepel a kalcium elektronszerkezetében. Ismét megfigyelhető egy jellegzetes mintázat a periódusos rendszerben. Ezt most kékkel mutatom. Ez itt a 4s¹, ez meg a 4s². Ezt itt mind a bal oldalon, mivel mindenhol s-pályák töltődnek, a periódusos rendszer s-mezőjének nevezzük. Így tehát megvan a kalcium, utána pedig ezek az elemek következnek itt középen. Tudjuk, hogy a harmadik héjon már vannak d-pályák is. Térjünk vissza most ezekre! Bejelölöm őket, hogy látsszanak. Tudjuk, hogy öt d-pálya van a harmadik héjon is. Minden d-pályán 2 elektron fér el, ez 5・2, összesen 10 elektron. Hány hely van itt? Egy, kettő, három, négy, öt, hat, hét, nyolc, kilenc, tíz. 10 hely van itt. Lesz egy külön videó a d-pályákról, ezért most itt ne menjünk bele a részletekbe; a lényeg, hogy van 10 helyünk. A harmadik héjon vagyunk, és 10 hely van az elektronok számára. A 3d¹⁰ konfiguráció éppen betölti ezeket a d-pályákat. Ezért néz ki a periódusos rendszer éppen így, ahogy itt is látszik. Ez nagy segítség az elektronszerkezetek felírásában. Példaként most nézzük meg a galliumot! Írjuk fel a gallium elektronszerkezetét! A nemesgázt tartalmazó felírásban a gallium előtti nemesgáz az argon. Ezt fel is írjuk ide. Ezzel ebben a mezőben vagyunk itt: 4s¹, 4s²; leírjuk ide a 4s²-t. Ezután következik itt az összes d-elektron. Ideírjuk a 3d¹⁰-et, és most visszatérünk a 4. héjra. A negyedik héjon vagyunk, n = 4, így l = 1 is egy lehetséges érték, aminek a p-pályák felelnek meg. A negyedik héjon is három p-pálya van, itt érünk oda a p-pályákhoz, itt kezdődik azok feltöltődése. Ez egy p-pálya a negyedik héjon, amin egy elektron található, így tehát ide 4p¹-et írhatunk. A gallium elektronszerkezetét így lehet tehát nemesgáz bevonásával felírni: [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p¹ Néha a 3d¹⁰-et és a 4s-t fordított sorrendben írják, így előfordul 3d¹⁰ 4s² 4p¹ alakban is. Nem érdekes a sorrend; mindkét változat előfordul. Végül nézzük meg a kripton elektronszerkezetét! Ez lesz most az utolsó példánk. Az előző nemesgáz az argon. Ehhez választok egy olyan színt, ami látszani is fog. Az argon itt található, utána jön a 4s², majd az összes d-pálya: 3d¹⁰, amivel eddig jutunk. Itt érkezünk a negyedik héj p-pályáihoz: egy, kettő, három, négy, öt, hat. Tehát 4s² 3d¹⁰ 4p⁶. Ez az egyik lehetőség a kripton elektronszerkezetének felírására. Itt is felcserélhetjük a 3d¹⁰-et és a 4s²-t, ha akarjuk. A kripton elektronszerkezete tehát nemesgáz bevonásával [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ alakban is írható. Szóval írd csak úgy, ahogy azt az iskolában szeretnék. Ezzel átnéztük a harmadik és negyedik periódus elektronszerkezetét, de ne felejtsük el, hogy a d-pályákkal nem foglalkoztunk. Ahogy már mondtam, róluk külön videó lesz, mert azok betöltési sorrendje meglehetősen komplikált.