CONFIGURAŢIA ELECTRONICĂ

Electronul – particulă elementară a fost descoperit în razele catodice. Are sarcina e - = -1,602

x10-19C şi masa m = 9,1091x10-31 kg.

Electronul având un spin multiplu, impar, de ½ urmează statistica Fermi – Dirac.

Funcţiile de undă care îl descriu sunt antisimetrice, se supun principiului lui Pauli.

Electronul se mişcă extrem de rapid, în aşa numiţii orbitali. Orbitalii sunt domenii de formă şi

energie determinată în care există probabilitate maximă de a găsi electronii. În zona mijlocie a

orbitalilor probabiliatea de de mişcare a electronilor este maximă, spre interior şi spre exterior

această probabilitate scade. Este imposibil a determina simultan atât poziţia electronului, cât şi

viteza sa (W. Heisenberg).

Electronii se caracterizează prin 4 numere cuantice:

n - Numărul cuantic principal – determină nivelurile de energie de bază din atom şi

mărimea relativă a orbitalilor. Poate avea valorile n = 1,2,3,4...

l - Numărul cuantic secundar – determină forma spaţială a orbitalilor, simetria,

continuitatea şi discontinuitatea lor. Poate lua valori l = 0,1,2,3.......n-1

m - Numărul cuantic magnetic – determină orientarea în spaţiu a orbitalilor, în câmp

magnetic. Poate lua valori de la – 1 la +1, inclusiv 0, în total poate lua 2l+1 valori

s - Numărul cuantic de spin – defineşte sensul de rotaţie al electronului în jurul axei sale.

El poate avea valorile – ½ şi + ½

Stabilirea modului şi a regulilor după care orbitalii se ocupă cu electroni se numeşte regula lui

Aufbau. La atomii multielectronici , orbitalii se populează succesiv cu electroni şi anume mai

întâi orbitalii cu energie joasă şi apoi orbitalii cu energie mai înaltă.

W. Pauli enunţă principiul excluziunii care precizează că într-un atom nu pot exista doi electroni

cu aceleaşi valori pentru cele patru numere cuantice, electronii trebuie să difere cel puţin printr-

un număr cuantic. Dacă doi electroni se află în acelaşi orbital pentru care n, l şi m sunt identici

rezultă că ei trebuie să difere prin numărul cuantic de spin. Drept consecinţă a principiului lui

Nichita Tudoriţa 1

5p

Pauli rezultă că un orbital nu poate fi ocupat de doi electroni cu acelaşi spin, ei trebuie să difere

prin spin, să fie cuplaţi prin spin.

Dacă s-ar respecta numai aceast principiu ar fi suficienţi orbitalii primelor cinci nivele energetice

pentru ocuparea cu electroni dar se cunoaşte că elementele mai grele au electroni şi în nivelele de

număr cuantic principal 6 şi 7. De aceea sunt valabile şi alte reguli în repartiţia electronilor în

înveliş.

Cu regula sumei (n + l) minime (Klecicovschi) stabileşte ordinea crescătoare a energiei

orbitalilor:

Orbitalul cu suma ( n + l) mai mică este mai sărac în energie;

Dacă doi orbitali au aceeaşi sumă ( n + l) , orbitalul cu n mai mic are energie mai scăzută,

deci el se va ocupa mai întâi cu electroni.

Succesiunea energetică a orbitalilor în funcţie de suma (n+l)

Orbitali 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p( n + l) 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6Succesiune energetică 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6sorbitali 5d 5f 5g 6s 6p 6d 6f 6g 6h 7s 7p 7d( n + l) 7 8 9 6 7 8 9 10 11 7 8 9Succesiune energetică 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

Succesiunea orbitalilor după regula (n+l)

Nichita Tudoriţa 2

2s

7s

7p

5f

4f

4d

3d

6p

4p

3p

2p

1ss

3s

4s

5s

6s

6d

5g

5d

7d

6f

6g

7h

7g

7f

6h

7i

De la această regulă se cunosc două abateri:

- lantan - după ocuparea orbitalului 6s cu electroni , un electron se plasează în orbitalul 5d

şi după aceea începe ocuparea sunivelelui 4f.

- actiniu – în mod similar un electron populează orbitalul 6d , după care încep să se ocupe

orbitalii 5f.

Fiecare electron succesiv adăugat trebuie să aibă cea mai mică energie posibilă, imediat mai mare

decât a electronului precedent, exprimată prin cele 4 numere cuantice. Aceasta înseamnă valori

crescânde ale numerelor cuantice, începând de la cele mai mici până la cele mai mari posibile,

numărul cuantic principal limitează valoarea maximă posibilă a numărului cuantic secundar, iar

acesta limitează valoarea maximă posibilă a numărului cuantic magnetic. Această limitare

interconexată şi imposibilitatea existenţei într-un atom a doi electroni cu toate numerele cuantice

identice determină distribuirea electronilor pe straturi, substraturi şi orbitali, limitând capacitatea

în electroni a acestora. Toţi electronii cu acelaşi număr cuantic principal fac parte din acelaşi

strat. Prin trecerea de la un număr cuantic mai mic, la unul mai mare se trece de la un strat

inferior la unul superior.

Substratul este precizat de numărul cuantic secundar l. În interiorul aceluiaşi strat prin trecerea de

la un număr secundar mai mic la unul mai mare, se trece de la un substrat inferior la unul

superior. Toţi electronii care fac parte din acelaşi substrat au aceleaşi numere cuantice n şi l.

Fiecare substrat de ordinul l are 2l+1 orbitali. În cadrul aceluiaşi substrat prin trecerea de la un

număr cuantic m la altul se trece de la un orbital la altul. Un orbital poate avea maximum 2

electroni, numerele lor cuantice de spin diferind, unul are +½ şi celălalt – ½ .

Fiecare substrat are o energie determinată, variaţia de energie are loc prin trecerea de la un

substrat la altul. Orbitalii din cadrul aceluiaşi substrat au aceeaşi energie. În ceea ce priveşte

numărul cuantic magnetic primul electron care se plasează într-un substrat este cel cu numărul

cuantic –l, apoi cel cu numărul cuantic –l+l...până la ultimul care va avea numărul cuantic +l.În

fiecare substrat orbitalii se ocupă numai cu câte un electron ( toţi aceşti electroni având spinii

paraleli de valoare -1/2 ) şi numai după ce s-au ocupat toţi orbitalii se adaugă succesiv cel de-al

doilea electron cu spinul antiparalel +1/2 (regula multiplicităţii maxime a lui Hund).

Substraturile se notează prin simbolurile 1s,2s,2p,3s,3p,3d.... în care cifra arată stratul, iar litera

substratul.

Nichita Tudoriţa 3

Componenţa straturilor ar putea fi rezumată astfel:

Stratul 1 (K) 2 (L) 3 (M) 4 (N) ..........Număr de substraturi

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Număr de orbitali

1 1 3

1 3 5 1 3 5 7

Notarea straturilor cu lirere K,L,M,N,O,P,Q este preluată din spectroscopia cu raze X

Gruparea electronilor pe straturi conform numerelor cuantice:

n l m s electroni substratul stratul1 0 0 -1/2 +1/2 2 Substratul 1, 1 orbital (2e-) StratulI (2e-)

20 0 -1/2 +1/2 2 Substratul 1, 1 orbital (2e-)

Stratul II (8e-)1

-1 -1/2 +1/2 2Substratul 2, 3 orbitali (6e-)0 -1/2 +1/2 2

+1 -1/2 +1/2 2

3

0 0 -1/2 +1/2 2 Substratul 1, 1 orbital (2e-)

Stratul III (18 e-)1

-1 -1/2 +1/2 2Substratul 2, 3 orbitali (6e-)0 -1/2 +1/2 2

+1 -1/2 +1/2 2

2

-2 -1/2 +1/2 2

Substratul 3, 5 orbitali (10e-)-1 -1/2 +1/2 20 -1/2 +1/2 2

+1 -1/2 +1/2 2+2 -1/2 +1/2 2

4

0 0 -1/2 +1/2 2 Substratul 1, 1 orbital (2e-)

Stratul IV (32 e-)

1-1 -1/2 +1/2 2

Substratul 2, 3 orbitali (6e-)0 -1/2 +1/2 2+1 -1/2 +1/2 2

2

-2 -1/2 +1/2 2

Substratul 3, 5orbitali (10e-)-1 -1/2 +1/2 20 -1/2 +1/2 2

+1 -1/2 +1/2 2+2 -1/2 +1/2 2

3

-3 -1/2 +1/2 2

Substratul 4, 7orbitali (14e-)

-2 -1/2 +1/2 2-1 -1/2 +1/2 20 -1/2 +1/2 2

+1 -1/2 +1/2 2+2 -1/2 +1/2 2+3 -1/2 +1/2 2

Nichita Tudoriţa 4

Regula lui Hund sau regula multiplicităţii maxime subliniază că: orbitalii de energie egală

(orbitali degeneraţi ai unui subnivel) se ocupă pe rând cu câte un electron de spin paralel şi numai

după semiocuparea totală, urmează acuparea acestor orbitali cu al doilea electron de spin opus.

Semiocuparea orbitalilor de acelaşi tip duce la o configuraţie electronică stabilă. Pe măsura

ocupării subnivelelor cu electroni are loc o redistribuire a orbitalilor între nivelele atomilor cu Z

mai mare astfel că, pentru aceste elemente crescând atracţia nucleului pentru electronii din

înveliş, nivelele interioare se apropie de nucleu suferind un fenomen de contracţie. Fenomenul

este foarte puternic pentru orbitalii de tip f, urmat apoi de contracţia orbitalilor de tip d şi p.

Orbitalii de tip s fiind cei mai stabili suferă contracţia într-o măsură mai mică. Ca urmare a cestui

fenomen de contracţie, pe măsură ce orbitalii d şi f se completează, îşi modifică energia,

stabilizându-se şi ajung să aparţină nivelului indicat de numărul cuantic principal pe care-l

posedă. Există şi excepţii de la aceste reguli, cele mai multe în cazul lantanidelor şi actinidelor

prin trecerea de regulă a electronului (n-1) d în orbitalul (n-2) f.

Este greu de descris electronul în cazul unui atom polielectronic deoarece fiecare electron se află

concomitent sub atracţia nucleului şi sub influenţa respingerii electrostatice a celorlalţi electroni

aflaţi între el şi nucleu. Slater propune o metodă a efectului de ecranare prin care se apreciază

efectul de ecranare produs de electronii aflaţi între nucleu şi electronul considerat. Acest efect

evaluat pri constanta de ecranare, δ , indică diminuarea atracţiei electrostatice a sarcinii nuleare

Z, pentru electronul considerat, electron care va fi atras de nucleu prin sarcina nucleară efectivă

Zef = Z - δ. Slater împarte orbitalii atomici în funcţie de capacitatea lor de ecranare în

următoarele grupuri de ecranare:

1s

2s şi 2p

3s şi 3p

3d

4s şi 4p

4d

4f

Nichita Tudoriţa 5

5s şi 5p .....

Valorile constantelor de ecranare se stabilesc conform regulilor lui Slater:

1. Contribuţia la ecranare a electronilor de număr cuantic principal mai mare decât a

electronului considerat se neglizează;

2. Coeficientul de ecranare al fiecărui electron din acelaşi grup de ecranare cu electronul

considerat este de 0,35 excepţie fac doar electronii din grupul de ecranare 1s care se

ecranează unul pe celălalt cu coeficientul 0,30 ;

3. Electronii s sau p sunt ecranaţi cu coeficientul 0,85 de fiecare electro dintr-un strat

precedent (n-1), şi cu coeficientul 1 de fiecare electron din starturile mai adânci;

4. Electronii d sau p sunt ecranaţi cu coeficientul 1 de fiecare electron din grupurile de ecranare precedente.

Deci , regula după care energia orbitalilor creşte paralel cu valoarea sumei (n+l) este valabilă

numai până la începerea ocupării lor cu electroni, după aceea , orbitalii d şi f devin orbitali

interiori, ei ocupându-şi locul în ordinea creşterii valorii lui n. În cadrul unui strat, orbitalii

subnivelelor se dispun în ordinea creşterii valorii lui l. Acest fenomen este cunoscut su numele de

contracţia orbitalelor atomici şi are consecinţe împortante pentru proprietăţile elementelor.

După tipul orbitalului în care se plasează electronul distinctiv, elementele chimice pot fi

clasificate în blocuri de elemente s, p, d sau f.

Blocul de elemente s

Elementele din grupele IA şi II A au electronul distinctiv situat într-un orbital exterior s şi

configuraţiile exterioare ale învelişurilor de electroni de tipul :

(n-1)s2p6 ns1

(n-1) s2p6 ns2

Blocul de elemente de tip p

Elementele din grupele III A – VIII A, au electronul distinctiv într-un orbital de tip p,

cofiguraţiile învelişurilor electronice exterioare de fiind de tipul

ns2p1-6

Blocul de elemente d

Nichita Tudoriţa 6

Cuprinde elementele din grupele III B – VIII B şi IB , II B au electronul distinctiv situat într-un

orbital (n-1) d şi configuraţia învelişukui exterior de forma : (n-1) d1-10ns1-2

Blocul de elemente f

Aceste elemente conţin electronul distinctiv într-un orbital (n-2) f iar configuraţia electronică

ideală a stratului exterior de forma: (n-2) f1-14(n-1) d1ns2.

- Lantanoidele au configuraţie electronică generală: [Xe] 4f1-145d16s2

- Actinoidele au configuraţie electronică generală: [Rn] 5f1-146d17s2

Bibliografie :

1, Carazeanu Ionela, Chimie anorganică, Baze teoretice, Ovidius University Press, Constanţa,19992. Constantinescu G.C., Negoiu M., Chimie anorganică ,Editura Tehnică Bucureşti 19863. Ceauşescu D., Chimie anorganică, Editura albatros Bucureşti 19764. Marcu Gh. şi colaboratorii Chimie anorganică, EDP Bucureşti, 19815. Negoiu D., Tratat de chimie anorganică, Editura Tehnică Bucureşti, 1972

Nichita Tudoriţa 7