66 Rafeindaskipan og lotubundnir eiginleikar frumefna

6.4 Rafeindaskipan atóma (Rafeindahýsingar)

6.4 Rafeindabygging atóma (rafeindaskipan)

Námsmarkmið

Að loknum þessum kafla munt þú geta:

leiða út spáða rafeindaskipan frumeinda í grunnástandi
bera kennsl á og útskýra undantekningar frá spáðri rafeindaskipan frumeinda og jóna
tengja rafeindaskipan við flokkun frumefna í lotukerfinu

Nú þegar við höfum kynnt grunnatriði frumeindabyggingar og skammtafræði, getum við notað skilning okkar á skammtatölum til að ákvarða hvernig svigrúm frumeinda tengjast innbyrðis. Þetta gerir okkur kleift að ákvarða hvaða svigrúm eru skipuð rafeindum í hverri frumeind. Hin tiltekna röðun rafeinda í svigrúmum frumeindar ræður mörgum af efnaeiginleikum hennar.

Orka svigrúma og frumeindabygging

Orka frumeindasvigrúma eykst eftir því sem höfuðskammtatalan, n, hækkar. Í öllum frumeindum með tveimur eða fleiri rafeindum veldur hrindingin milli rafeindanna því að orka undirhvolfa með mismunandi gildi á l verður ólík, þannig að orka svigrúmanna eykst innan hvolfs í röðinni s < p < d < f. Mynd 6.24 sýnir hvernig þessar tvær tilhneigingar til orkuaukningar tengjast. Svigrúmið 1s neðst á myndinni er það svigrúm sem hefur rafeindir með minnstu orkuna. Orkan eykst þegar farið er upp í svigrúmin 2s og síðan 2p, 3s og 3p. Þetta sýnir að hækkandi gildi á n hefur meiri áhrif á orku en hækkandi gildi á l fyrir litlar frumeindir. Þetta mynstur gildir þó ekki fyrir stærri frumeindir. Svigrúmið 3d hefur meiri orku en svigrúmið 4s. Slík skörun á sér oft stað eftir því sem ofar dregur í kerfinu.

Tafla sem ber heitið „Rafeindarýmd undirhvolfa“ er sýnd. Meðfram vinstri hlið töflunnar er teiknuð ör sem vísar upp og er merkt „E“. Taflan inniheldur þrjá dálka. Fyrsti dálkurinn er mjór og er merktur „2“. Annar dálkurinn er aðeins breiðari og er merktur „6“. Þriðji dálkurinn er enn breiðari og er merktur „10“. Fjórði dálkurinn er breiðastur og er merktur „14“. Fyrsti dálkurinn byrjar alveg neðst með láréttu línustriki sem er merkt „1s“. Línustrik með jöfnu millibili halda áfram upp að 7s nálægt toppi dálksins. Í öðrum dálki birtist lárétt brotalína merkt „2p“ á stigi milli 2s og 3s stiganna. Á sama hátt birtist 3p á stigi milli 3s og 4s, 4p birtist rétt neðan við 5s, 5p birtist rétt neðan við 6s og 6p birtist rétt neðan við 7s. Í þriðja dálki birtist brotalína merkt „3d“ rétt neðan við stig 4p. Á sama hátt birtist 4d rétt neðan við 5p og 5d birtist rétt neðan við 6p. 6d birtist hins vegar ofan við stig bæði 6p og 7s. Færslurnar í lengsta dálkinum til hægri byrja á brotalínu merktri „4f“, sem er staðsett á stigi rétt neðan við 5d. Á sama hátt birtist annað brotalínustrik rétt neðan við stig 6d, sem er merkt „5f“. — **Mynd 6.24.** Almennt orkuþreparit fyrir frumeindasvigrúm í frumeind með tveimur eða fleiri rafeindum (ekki í réttum hlutföllum).

Rafeindir í röð frumeinda í lotukerfinu hafa tilhneigingu til að fylla fyrst svigrúm með lága orku. Því finnst mörgum nemendum ruglandi að til dæmis 5p svigrúmin fyllist strax á eftir 4d og strax á undan 6s. Fyllingarröðin byggist á mældum tilraunaniðurstöðum og hefur verið staðfest með fræðilegum útreikningum. Eftir því sem höfuðskammtatalan, n, hækkar, stækkar svigrúmið og rafeindirnar verja meiri tíma lengra frá kjarnanum. Þar af leiðandi er aðdráttaraflið að kjarnanum veikara og orkan sem tengist svigrúminu er meiri (minna stöðug). En þetta eru ekki einu áhrifin sem þarf að taka með í reikninginn. Innan hvers hvolfs, eftir því sem gildið á l hækkar, smjúga rafeindirnar síður inn (sem þýðir að minni rafeindaþéttleiki finnst nálægt kjarnanum), í röðinni s > p > d > f. Rafeindir sem eru nær kjarnanum hrinda lítillega frá sér rafeindum sem eru utar. Þetta vegur lítillega upp á móti ríkjandi aðdráttarafli milli rafeinda og kjarna (munum að allar rafeindir hafa −1 hleðslu, en kjarnar hafa + Z hleðslu). Þetta fyrirbæri kallast skygging og verður rætt nánar í næsta kafla. Rafeindir í svigrúmum sem verða fyrir meiri skyggingu eru minna stöðugar og hafa því meiri orku. Fyrir lítil svigrúm (1s til 3p) er orkuaukningin vegna n mun meiri en aukningin vegna l. Fyrir stærri svigrúm eru þessar tvær tilhneigingar hins vegar sambærilegar og ekki er hægt að spá fyrir um þær á einfaldan hátt. Við munum ræða aðferðir til að muna þessa röð.

Uppröðun rafeinda í svigrúmum frumeindar kallast rafeindaskipan frumeindarinnar. Við lýsum rafeindaskipan með tákni sem inniheldur þrenns konar upplýsingar (mynd 6.25):

Númer hvolfsins (höfuðskammtatalan, n),
Bókstafurinn sem tilgreinir gerð svigrúmsins (undirhvolfið, l), og
Háletruð tala sem tilgreinir fjölda rafeinda í því tiltekna undirhvolfi.

Til dæmis gefur rithátturinn 2p⁴ (lesið „tvö-p-fjögur“) til kynna fjórar rafeindir í p-undirhvolfi (l = 1) með höfuðskammtatöluna n = 2. Rithátturinn 3d⁸ (lesið „þrjú-d-átta“) gefur til kynna átta rafeindir í d-undirhvolfi (l = 2) hvolfsins þar sem n = 3.

Ljósblátt hálfhvel er merkt H. Á stað um það bil miðja vegu milli miðju og ytri brúnar hálfhvelsins er sýnd lítil gulappelsínugul kúla sem er merkt með mínusmerki. Hægra megin við þessa mynd er rafeindaskipanin 1s með hávísinum 1. Hávísirinn er sýndur í litlum gulappelsínugulum hring. Þessi hávísir er merktur „Fjöldi rafeinda í undirhvolfi“ og s-ið er merkt „Undirhvolf.“ — **Mynd 6.25.** Skýringarmynd af rafeindaskipan tilgreinir undirhvolfið (gildi n og l, ásamt bókstafstákni) og fjölda rafeinda í hávísi.

Uppbyggingarreglan

Til að ákvarða rafeindaskipan tiltekinnar frumeindar getum við byggt rafeindaskipanina upp í röð sætistalna. Við byrjum á vetni og förum áfram yfir lotur lotukerfisins, bætum einni róteind í senn við kjarnann og einni rafeind í viðeigandi undirhvolf þar til við höfum lýst rafeindaskipan allra frumefnanna. Þessi aðferð kallast uppbyggingarreglan, dregin af þýska orðinu Aufbau („að byggja upp“). Hver ný rafeind fer í það undirhvolf sem hefur lægstu tiltæku orkuna, í samræmi við uppbyggingarröðina.

Þessi mynd inniheldur töflu sem notuð er til að raða fyllingu rafeinda í frumeindir. Efst er blár hringur merktur „1s“. Í röð neðan við þennan hring eru 6 viðbótar bláir hringir merktir „2s“ til „7s“. Dálkur til hægri byrjar rétt hægra megin við 2s og inniheldur bleika hringi merkta 2p til 7p. Dálkur til hægri byrjar rétt hægra megin við 3p og inniheldur gula hringi merkta 3d til 6d. Engir hringir eru settir hægra megin við 7s og 7p hringina. Lokadálkur lengst til hægri byrjar hægra megin við 4d. Hann inniheldur gráa hringi merkta „4f“ og „5f“. Engir hringir eru settir hægra megin við 6d. Í gegnum þessa hringi eru örvar á myndinni sem vísa niður og til vinstri. Fyrsta örin byrjar efst til hægri og fer í gegnum 1s. Önnur örin byrjar rétt fyrir neðan og fer í gegnum 2s. Þriðja örin fer í gegnum 2p og 3s. Fjórða örin fer í gegnum 3p og 4s. Þetta mynstur samsíða örva sem vísa niður til vinstri heldur áfram í gegnum alla hringi og klárar mynstrið 1s² s 2p³ s 3p⁴ s 3d⁴ p 5s⁴ d 5p⁶ s 4f⁵ d 6p⁷ s 5f⁶ d 7p. — **Mynd 6.26.** Þessi skýringarmynd sýnir orkuröð frumeindasvigrúma og er gagnleg til að leiða út rafeindaskipan í grunnástandi.

In this figure, a periodic table is shown that is entitled, “Electron Configuration Table.” Beneath the table, a square for the element hydrogen is shown enlarged to provide detail. The element symbol, H, is placed in the upper left corner. In the upper right is the number of electrons, 1. The lower central portion of the element square contains the subshell, 1s. Helium and elements in groups 1 and 2 are shaded blue. In this region, the rows are labeled 1s through 7s moving down the table. Groups 3 through 12 are shaded orange, and the rows are labeled 3d through 6d moving down the table. Groups 13 through 18, except helium, are shaded pink and are labeled 2p through 6p moving down the table. — **Mynd 6.27.** Þessi hluti lotukerfisins sýnir rafeindaskipan fyrir gildisundirhvolf frumeinda. Með því að „byggja upp“ frá vetni er hægt að nota þessa töflu til að ákvarða rafeindaskipan fyrir frumeindir flestra frumefna í lotukerfinu. (Rafeindaskipan lantaníða og aktiníða er ekki spáð nákvæmlega fyrir um með þessari einföldu nálgun. Sjá mynd 6.29.)

Við setjum nú fram rafeindaskipan í grunnástandi og svigrúmamynd fyrir valdar frumeindir í fyrstu og annarri lotu lotukerfisins. Svigrúmamyndir eru myndrænar framsetningar á rafeindaskipan sem sýna einstök svigrúm og pörun rafeinda. Við byrjum á einni vetnisfrumeind (sætistala 1), sem samanstendur af einni róteind og einni rafeind. Með vísun í mynd 6.26 eða mynd 6.27 mætti búast við að finna rafeindina í 1s-svigrúminu. Samkvæmt venju er gildið mₛ = +1/2 venjulega fyllt fyrst. Rafeindaskipan vetnis og svigrúmamynd þess eru:

In this figure, the element symbol H is followed by the electron configuration is 1s superscript 1. An orbital diagram is provided that consists of a single square. The square is labeled below as, “1s.” It contains a single upward pointing half arrow.

Á eftir vetni kemur eðalgasið helín, sem hefur sætistöluna 2. Helínfrumeindin inniheldur tvær róteindir og tvær rafeindir. Fyrri rafeindin hefur sömu fjórar skammtatölur og rafeind vetnisfrumeindarinnar (n = 1, l = 0, mₗ = 0, mₛ = +1/2). Seinni rafeindin fer einnig í 1s-svigrúmið og fyllir það. Hún hefur sömu skammtatölur fyrir n, l og mₗ, en verður að hafa andstæða spunaskammtatölu, mₛ = −1/2. Þetta er í samræmi við einsetulögmál Paulis: Engar tvær rafeindir í sömu frumeind geta haft nákvæmlega sama mengi allra fjögurra skammtatalnanna.

In this figure, the element symbol H e is followed by the electron configuration, “1s superscript 2.” An orbital diagram is provided that consists of a single square. The square is labeled below as “1s.” It contains a pair of half arrows: one pointing up and the other down.

Hvolfið n = 1 er að fullu fyllt í helínfrumeind.

Næsta frumeind er alkalímálmurinn litín með sætistöluna 3. Fyrstu tvær rafeindirnar í litíni fylla 1s-svigrúmið og hafa sama mengi fjögurra skammtatalna og rafeindirnar tvær í helíni. Eftirstandandi rafeind verður að fara í svigrúmið með næstlægstu orkuna, 2s-svigrúmið (mynd 6.26 eða mynd 6.27). Þannig eru rafeindaskipan og svigrúmamynd litíns:

In this figure, the element symbol L i is followed by the electron configuration, “1s superscript 2 2s superscript 1.” An orbital diagram is provided that consists of two individual squares. The first square is labeled below as, “1s.” The second square is similarly labeled, “2s.” The first square contains a pair of half arrows: one pointing up and the other down. The second square contains a single upward pointing arrow.

Frumeind jarðalkalímálmsins beryllíns, með sætistöluna 4, inniheldur fjórar róteindir í kjarnanum og fjórar rafeindir umhverfis kjarnann. Fjórða rafeindin fyllir það rými sem eftir er í 2s-svigrúminu.

In this figure, the element symbol B e is followed by the electron configuration, “1s superscript 2 2s superscript 2.” An orbital diagram is provided that consists of two individual squares. The first square is labeled below as, “1s.” The second square is similarly labeled, “2s.” Both squares contain a pair of half arrows: one pointing up and the other down.

Frumeind bórs (sætistala 5) inniheldur fimm rafeindir. n = 1 hvolfið er fyllt með tveimur rafeindum og þrjár rafeindir fara í n = 2 hvolfið. Þar sem hvert s-undirhvolf getur aðeins innihaldið tvær rafeindir verður fimmta rafeindin að fara á næsta orkuþrep, sem er 2p-svigrúm. Til eru þrjú jafnorku 2p-svigrúm (mₗ = −1, 0, +1), og rafeindin getur farið í hvert þeirra. Þegar svigrúmamyndir eru teiknaðar setjum við inn tóma kassa til að sýna öll tóm svigrúm í sama undirhvolfi.

In this figure, the element symbol B is followed by the electron configuration, “1s superscript 2 2s superscript 2 2p superscript 1.” The orbital diagram consists of two individual squares followed by 3 connected squares in a single row. The first square is labeled below as, “1s.” The second is similarly labeled, “2s.” The connected squares are labeled below as, “2p.” All squares not connected contain a pair of half arrows: one pointing up and the other down. The first square in the group of 3 contains a single upward pointing arrow.

Kolefni (sætistala 6) hefur sex rafeindir. Fjórar þeirra fylla 1s- og 2s-svigrúmin. Eftirstandandi tvær rafeindir fara í 2p-undirhvolfið. Nú er hægt að velja milli þess að fylla eitt 2p-svigrúm og para rafeindirnar eða að hafa þær óparaðar í tveimur mismunandi en jafnorku p-svigrúmum. Svigrúmin fyllast samkvæmt reglu Hunds: lægsta orka fyrir frumeind með rafeindir í mengi jafnorkusvigrúma fæst þegar fjöldi óparaðra rafeinda er hámarkaður.

In this figure, the element symbol C is followed by the electron configuration, “1s superscript 2 2s superscript 2 2p superscript 2.” The orbital diagram consists of two individual squares followed by 3 connected squares in a single row. The first blue square is labeled below as, “1s.” The second is similarly labeled, “2s.” The connected squares are labeled below as, “2p.” All squares not connected to each other contain a pair of half arrows: one pointing up and the other down. The first two squares in the group of 3 each contain a single upward pointing arrow.

Köfnunarefni (sætistala 7) fyllir 1s- og 2s-undirhvolfin og hefur eina rafeind í hverju þriggja 2p-svigrúmanna, í samræmi við reglu Hunds. Þessar þrjár rafeindir hafa óparaðan spuna. Súrefni (sætistala 8) hefur rafeindapar í einu 2p-svigrúmi (rafeindirnar hafa andstæðan spuna) og eina rafeind í hvoru hinna tveggja. Flúor (sætistala 9) hefur aðeins eitt 2p-svigrúm með óparaða rafeind. Allar rafeindirnar í eðalgasinu neoni (sætistala 10) eru paraðar og öll svigrúmin í n = 1 og n = 2 hvolfunum eru fyllt.

This figure includes electron configurations and orbital diagrams for four elements, N, O, F, and N e. Each diagram consists of two individual squares followed by 3 connected squares in a single row. The first square is labeled below as, “1s.” The second is similarly labeled, “2s.” The connected squares are labeled below as, “2p.” All squares not connected to each other contain a pair of half arrows: one pointing up and the other down. For the element N, the electron configuration is 1s superscript 2 2s superscript 2 2p superscript 3. Each of the squares in the group of 3 contains a single upward pointing arrow for this element. For the element O, the electron configuration is 1s superscript 2 2s superscript 2 2p superscript 4. The first square in the group of 3 contains a pair of arrows and the last two squares contain single upward pointing arrows. For the element F, the electron configuration is 1s superscript 2 2s superscript 2 2p superscript 5. The first two squares in the group of 3 each contain a pair of arrows and the last square contains a single upward pointing arrow. For the element N e, the electron configuration is 1s superscript 2 2s superscript 2 2p superscript 6. The squares in the group of 3 each contains a pair of arrows.

Alkalímálmurinn natrín (sætistala 11) hefur einni rafeind meira en neonfrumeindin. Þessi rafeind fer í lægsta tiltæka undirhvolfið, 3s-svigrúmið, sem gefur rafeindaskipanina 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Rafeindirnar sem eru í svigrúmum ysta hvolfsins (hæsta gildið á n) kallast gildisrafeindir, en rafeindir í innri hvolfum kallast kjarnarafeindir (mynd 6.28). Þar sem hvolf kjarnarafeinda samsvara rafeindaskipan eðalgasa getum við stytt rafeindaskipan með því að skrifa tákn viðeigandi eðalgass í hornklofa.

Þessi mynd inniheldur frumefnatáknið Na, og þar á eftir kemur rafeindaskipan frumefnisins. Fyrsti hluti rafeindaskipanarinnar, 1s í veldinu 2 2s í veldinu 2 2p í veldinu 6, er skyggður fjólublár og merktur „kjarnarafeindir“. Síðasti hlutinn, 3s í veldinu 1, er skyggður appelsínugulur og merktur „gildisrafeind“. Hægra megin við þessa rafeindaskipan er orðið „Stytting“ og þar á eftir kemur [Ne] 3s í veldinu 1. — **Mynd 6.28.** Stytt rafeindaskipan (til hægri) skiptir út kjarnarafeindunum fyrir tákn þess eðalgass sem hefur rafeindaskipan sem samsvarar kjarnarafeindaskipan hins frumefnisins.

Á sama hátt má tákna stytta rafeindaskipan litíns sem [He]2s¹, þar sem [He] stendur fyrir rafeindaskipan helínfrumeindarinnar, sem er nákvæmlega eins og fyllt innra hvolf litíns. Þessi ritháttur leggur áherslu á líkindin milli rafeindaskipanar litíns og natríns. Báðar frumeindirnar, sem tilheyra alkalímálmum, hafa aðeins eina rafeind í s-undirhvolfi gildishvolfsins utan við fyllt mengi innri hvolfa.

\begin{array}{l} Li: [He] 2 s^{1} \\ Na: [Ne] 3 s^{1} \end{array}

Jarðalkalímálmurinn magnesín (sætistala 12), með 12 rafeindir í rafeindaskipaninni [Ne]3s², er hliðstæður fjölskyldumeðlimi sínum beryllíni, [He]2s². Báðar frumeindirnar hafa fyllt s-undirhvolf utan við fyllt innri hvolf sín. Ál (sætistala 13), með 13 rafeindir og rafeindaskipanina [Ne]3s² 3p¹, er hliðstætt fjölskyldumeðlimi sínum bór, [He]2s² 2p¹.

Rafeindaskipan kísils (14 rafeindir), fosfórs (15 rafeindir), brennisteins (16 rafeindir), klórs (17 rafeindir) og argons (18 rafeindir) er hliðstæð rafeindaskipan ytri hvolfa samsvarandi fjölskyldumeðlima þeirra, kolefnis, köfnunarefnis, súrefnis, flúors og neons, að því undanskildu að höfuðskammtatala ytra hvolfs þyngri frumefnanna hefur hækkað um einn í n = 3. Mynd 6.29 sýnir rafeindaskipan lægstu orku, eða grunnástands, fyrir þessi frumefni sem og fyrir frumeindir allra þekktra frumefna.

A periodic table, entitled, “Electron Configuration Table” is shown. The table includes the outer electron configuration information, atomic numbers, and element symbols for all elements. A square for the element hydrogen is pulled out beneath the table to provide detail. The blue shaded square includes the atomic number in the upper left corner, which is 1; the element symbol, H, in the upper right corner; and the outer electron configuration in the lower, central portion of the square. For H, this is 1s superscript 1. — **Mynd 6.29.** Þessi útgáfa af lotukerfinu sýnir rafeindaskipan ysta hvolfs hvers frumefnis. Takið eftir að niður hvern flokk er rafeindaskipanin oft svipuð.

Þegar við komum að næsta frumefni í lotukerfinu, alkalímálminum kalíni (sætistala 19), mætti búast við að byrjað væri að bæta rafeindum í 3d-undirhvolfið. Öll fyrirliggjandi efna- og eðlisfræðileg gögn benda hins vegar til þess að kalín líkist litíni og natríni og að næsta rafeind fari ekki í 3d-þrepið heldur í 4s-þrepið (mynd 6.29). Eins og áður hefur verið rætt hefur 3d-svigrúmið án geislahnúta hærri orku vegna þess að það smýgur síður inn að kjarnanum og er meira varið frá kjarnahleðslunni en 4s-svigrúmið.

Byrjað er á hliðarmálminum skandíni (sætistala 21) og viðbótarrafeindum er bætt í röð við 3d-undirhvolfið. Þetta undirhvolf fyllist með 10 rafeindum (munið að fyrir l = 2 [d-svigrúm] eru 2l + 1 = 5 gildi á mₗ, sem þýðir að fimm d-svigrúm hafa samanlagt rými fyrir 10 rafeindir). 4p-undirhvolfið fyllist næst. Takið eftir að í þremur röðum frumefna, skandíni (Sc) til kopars (Cu), yttríni (Y) til silfurs (Ag) og lantani (La) til gulls (Au), er alls 10 d-rafeindum bætt við (n − 1)d-undirhvolfið næst fyrir neðan ysta ns-undirhvolfið.

Dæmi 6.10

Skammtatölur og rafeindaskipan

Hver er rafeindaskipan og svigrúmamynd fosfórfrumeindar? Hverjar eru skammtatölurnar fjórar fyrir síðustu rafeindina sem bætt var við?

Lausn

Sætistala fosfórs er 15. Því inniheldur fosfórfrumeind 15 rafeindir. Orkuþrepin fyllast í röðinni 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s,... Rafeindirnar 15 í fosfórfrumeindinni fylla upp að 3p-svigrúmunum, sem innihalda þrjár rafeindir:

This figure provides the electron configuration 1s superscript 2 2s superscript 2 2p superscript 6 3s superscript 2 3p superscript 3. It includes a diagram with two individual squares followed by 3 connected squares, a single square, and another connected group of 3 squares all in a single row. The first square is labeled below as, “1s.” The second is similarly labeled, “2s.” The first group of connected squares is labeled below as, “2p.” The square that follows is labeled, “3s,” and the final group of three squares is labeled, “3p.” All squares except the last group of three squares has a pair of half arrows: one pointing up and the other down. Each of the squares in the last group of 3 contains a single upward pointing arrow.

Síðasta rafeindin sem bætt er við er 3p-rafeind. Þess vegna er n = 3 og, fyrir p-svigrúm, l = 1. Gildið á mₗ gæti verið −1, 0 eða +1. p-svigrúmin þrjú eru jafnorkusvigrúm, þannig að hvert þessara mₗ-gilda er rétt. Fyrir óparaðar rafeindir er venjan að úthluta gildinu $+ \frac{1}{2}$ fyrir spunaskammtatöluna; því er $m_{s} = + \frac{1}{2} .$

Prófaðu þig

Greindu frumeindirnar út frá eftirfarandi rafeindaskipan:

(a) [Ar]4s² 3d⁵

(b) [Kr]5s² 4d¹⁰ 5p⁶

Lotukerfið getur verið öflugt verkfæri til að spá fyrir um rafeindaskipan frumefnis. Hins vegar finnum við undantekningar frá þeirri röð sem svigrúm fyllast í, eins og sýnt er á mynd 6.26 eða mynd 6.27. Til dæmis er rafeindaskipan hliðarmálmanna króms (Cr; sætistala 24) og kopars (Cu; sætistala 29), meðal annarra, ekki sú sem við myndum búast við. Almennt fela slíkar undantekningar í sér undirhvolf með mjög svipaða orku, og lítil áhrif geta breytt fyllingarröðinni.

Í tilfelli Cr og Cu kemur í ljós að hálffyllt og fullfyllt undirhvolf virðast hafa aukinn stöðugleika. Stöðugleikinn er nægur til þess að rafeind færist úr 4s-svigrúminu yfir í 3d-svigrúmið til að mynda hálffyllt 3d-undirhvolf í Cr eða fullfyllt 3d-undirhvolf í Cu. Aðrar undantekningar koma einnig fyrir. Til dæmis er spáð að níóbín (Nb, sætistala 41) hafi rafeindaskipanina [Kr]5s² 4d³. Tilraunir sýna hins vegar að rafeindaskipan þess í grunnástandi er [Kr]5s¹ 4d⁴.

Rafeindaskipan og lotukerfið

Eins og áður hefur komið fram raðar lotukerfið frumeindum eftir vaxandi sætistölu þannig að frumefni með sömu efnaeiginleika endurtaka sig með reglulegu millibili. Þegar rafeindaskipan þeirra er bætt við töfluna (mynd 6.29) sjáum við einnig reglubundna endurtekningu á svipaðri rafeindaskipan í ystu hvolfum þessara frumefna. Þar sem gildisrafeindir eru í ystu hvolfum frumeindar gegna þær mikilvægasta hlutverkinu í efnahvörfum. Ystu rafeindirnar hafa mesta orku allra rafeinda í frumeindinni og eiga auðveldara með að tapast eða deilast en kjarnarafeindirnar. Gildisrafeindir eru einnig ráðandi þáttur í sumum eðliseiginleikum frumefnanna.

Frumefni í sama flokki (eða dálki) hafa sama fjölda gildisrafeinda; alkalímálmarnir litín og natrín hafa aðeins eina gildisrafeind hvor, jarðalkalímálmarnir beryllín og magnesín hafa tvær hvor og halógenin flúor og klór hafa sjö gildisrafeindir hvert. Líkindin í efnaeiginleikum frumefna í sama flokki stafa af því að þau hafa sama fjölda gildisrafeinda. Það er tap, viðtaka eða deiling gildisrafeinda sem ræður því hvernig frumefni hvarfast.

Mikilvægt er að muna að lotukerfið var þróað á grundvelli efnafræðilegrar hegðunar frumefnanna, löngu áður en nokkur hugmynd um frumeindabyggingu þeirra kom fram. Nú getum við skilið hvers vegna lotukerfið er uppsett eins og það er — uppsetningin setur frumefni sem hafa sama fjölda gildisrafeinda í sama flokk. Þessi uppsetning er áréttuð á mynd 6.29, sem sýnir á formi lotukerfis rafeindaskipan síðasta undirhvolfsins sem fyllist samkvæmt uppbyggingarreglunni. Lituðu hlutarnir á mynd 6.29 sýna þrjá flokka frumefna sem flokkuð eru eftir þeim svigrúmum sem verið er að fylla: aðalflokksfrumefni, hliðarmálma og innri hliðarmálma. Þessar flokkanir ákvarða hvaða svigrúm teljast til gildishvolfsins, eða svigrúma á hæsta orkuþrepi frumeindar.

Aðalflokksfrumefni (stundum kölluð dæmigerð frumefni) eru þau þar sem síðasta rafeindin sem bætist við fer í s- eða p-svigrúm í ysta hvolfi, sýnd með bláu og rauðu á mynd 6.29. Þessi flokkur nær yfir öll málmleysingjaefnin, auk margra málma og hálfmálma. Gildisrafeindir aðalflokksfrumefna eru þær sem hafa hæsta n-gildið. Til dæmis hefur gallín (Ga, sætistala 31) rafeindaskipanina [Ar]4s² 3d¹⁰ 4p¹, sem inniheldur þrjár gildisrafeindir. Fullfylltu d-svigrúmin teljast til kjarnarafeinda, ekki gildisrafeinda.
Hliðarfrumefni eða hliðarmálmar eru málmar þar sem síðasta rafeindin sem bætist við fer í d-svigrúm. Gildisrafeindirnar, það er rafeindirnar sem bætast við eftir síðustu rafeindaskipan eðalgass, innihalda ns- og (n − 1)d-rafeindir. Opinber skilgreining IUPAC á hliðarmálmum tilgreinir frumefni með hlutfyllt d-svigrúm. Því eru frumefni með fullfyllt d-svigrúm (Zn, Cd, Hg, auk Cu, Ag og Au á mynd 6.29) tæknilega séð ekki hliðarmálmar. Hugtakið er þó oft notað um alla d-blokkina (lituð gul á mynd 6.29), og við notum það þannig í þessari kennslubók.
Innri hliðarmálmar eru málmar þar sem síðasta rafeindin sem bætist við fer í f-svigrúm. Þeir eru sýndir með grænu á mynd 6.29. Gildishvolf innri hliðarmálma samanstanda af (n − 2)f-, (n − 1)d- og ns-undirhvolfum. Það eru tvær raðir innri hliðarmálma:
1. Lantaníðröðin: lantan (La) til lútetíns (Lu)
2. Aktiníðröðin: aktín (Ac) til lárensíns (Lr)

Lantan og aktín eru tekin með og notuð til að nefna raðirnar vegna líkinda þeirra við aðra meðlimi raðarinnar, þó að þau séu hliðarmálmar án f-rafeinda.

Rafeindaskipan jóna

Jónir myndast þegar frumeindir bæta við sig eða tapa rafeindum. Katjón (jákvætt hlaðin jón) myndast þegar ein eða fleiri rafeindir eru fjarlægðar frá upprunalegri frumeind. Fyrir aðalflokksfrumefni eru þær rafeindir sem síðast var bætt við þær fyrstu sem eru fjarlægðar. Fyrir hliðarmálma og innri hliðarmálma er hins vegar auðveldara að fjarlægja rafeindir úr s-svigrúmi en úr d- eða f-svigrúmum. Því tapast ystu ns-rafeindirnar fyrst og síðan eru (n − 1)d- eða (n − 2)f-rafeindir fjarlægðar. Anjón (neikvætt hlaðin jón) myndast þegar ein eða fleiri rafeindir bætast við upprunalega frumeind.

Dæmi 6.11

Að spá fyrir um rafeindaskipan jóna

Hver er rafeindaskipan:

(a) Na⁺

(b) P³⁻

(d) Fe²⁺

(e) Sm³⁺

Lausn

Fyrst skal skrifa upp rafeindaskipan fyrir hverja upprunalega frumeind. Við höfum valið að sýna fulla, óstutta rafeindaskipan til að veita nemendum sem þess óska meiri þjálfun, en einnig er ásættanlegt að skrá stutta rafeindaskipan með eðalgaskjarna.

Næst skal ákvarða hvort rafeind bætist við eða tapist. Munum að rafeindir eru neikvætt hlaðnar, þannig að jónir með jákvæða hleðslu hafa tapað rafeind. Fyrir frumefni í aðalflokkum bætir síðasta svigrúmið við sig eða tapar rafeindinni. Fyrir hliðarmálma tapar síðasta s-svigrúmið rafeind á undan d-svigrúmunum.

(a) Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Natrínkatjón tapar einni rafeind, þannig að Na⁺: 1s² 2s² 2p⁶.

(b) P: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³. Fosfórþríanjón fær þrjár rafeindir, þannig að P³⁻: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.

(d) Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶. Járn(II) tapar tveimur rafeindum og þar sem það er hliðarmálmur eru þær fjarlægðar úr 4s-svigrúminu: Fe²⁺: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶.

(e) Sm: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f⁶. Samaríumþríkatjón tapar þremur rafeindum. Fyrstu tvær tapast úr 6s-svigrúminu og sú síðasta er fjarlægð úr 4f-svigrúminu: Sm³⁺: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 4f⁵.

Prófaðu þig

Hvaða jón með hleðsluna +2 hefur rafeindaskipanina 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 4d⁵? Hvaða jón með hleðsluna +3 hefur þessa rafeindaskipan?