Електронни конфигурации на 3d преходни метали

Вече разгледахме електронните конфигурации за калий и калций, но нека много бързо да го направим отново, понеже те ще повлияят на начина ни на мислене за d орбиталите. Намираме калия, който е в четвъртия период на периодичната таблица. Ако използваме обозначението с благороден газ, за да спестим малко време, работим назад и първият благороден газ, на който попадаме, е аргон и затова пишем аргон в скоби. Знаем, че аргонът има 18 електрона, а калият има 19 електрона. Калият има с един повече електрон от аргона и поставяме допълнителния електрон в 4s орбитала, понеже за калия 4s орбиталата е с по-ниска енергия от 3d орбиталите. Имаме увеличаваща се енергия и този електрон влиза в 4s орбитала, така че пълната електронна конфигурация за калия, като използваме обозначение с благороден газ, е аргон в скоби 4s1. Всъщност трябва да кажа за калция. Имаме още един електрон, отколкото при калия и този електрон също влиза в 4s орбиталата. Съчетаваме спиновете и пишем електронната конфигурация за калция като аргон в скоби 4s2. За калциевия 2+ йон, ако мислиш за създаване на йон тук, говорим за електронните конфигурации за неутрален атом, което означава равен брой протони и електрони. С атомно число от 20 – 20 протона и 20 електрона. Ако загубим 2 електрона, тогава имаме заряд от +2. Превръщаме калция в йон. Двата електрона, които ще загубим, за да създадем калциевия 2+ йон, са тези. Тези два електрона тук в 4s орбиталата. Електронната конфигурация за калций 2+ ще е същата като електронната конфигурация за благородния газ аргон. За калия, след като отбелязахме аргона, имахме един електрон, за който да помислим. За калция, след като преброихме аргона, имахме 2 електрона, за които да помислим. Да преминем към следващия елемент на периодичната таблица, това е скандий. Това е с един електрон повече от калция. Имаме три електрона, за които да се тревожим, след като поставим аргона тук. Тук нещата стават странни. Сега трябва да помислим за d орбиталите и, отново, тези неща са много сложни, след като стигнеш до скандия, понеже енергиите се променят. Когато стигнеш до скандия, въпреки че това са много малки енергийни разлики, сега енергията на 4s орбиталата е по-висока от енергията на 3d орбиталите. Говорим отново за увеличаване на енергията и това е доста странно. Ако помислиш за тези три електрона, къде ще ги поставим? Първото ти предположение, ако разбираш тези енергийни разлики, може да е "Е, ще следвам правилото на Хунд. Ще поставя тези електрони във възможно най-ниското енергийно ниво и няма да съчетавам спиновете, и ще запиша моята електронна конфигурация за скандия ето така." Може да мислиш, че ще е аргон 3d3, но не наблюдаваме това при електронната конфигурация на скандия. Всъщност два от тези електрона ще се преместят до орбитала с по-висока орбитала. Два от тези електрона се преместват нагоре към 4s орбиталата – ето така. Оказва се, че електронната конфигурация е 4s2 3d1. Всъщност е 4s2 3d1 или, ако предпочиташ, 3d1 4s2. Като отново имаме аргон отпред. Всяко от тези е приемливо. Това е странно, понеже защо тези електрони, защо тези два електрона отиват към орбитала с по-висока енергия? Няма просто обяснение за това. Въпреки че енергията за тези два електрона може да е по-висока, като цяло за целият атом скандий тя трябва да не е по-висока. Има много други фактори, които трябва да вземем предвид, неща като увеличаването на заряда на ядрото. Скандият има един допълнителен протон в сравнение с калция, а също така има и много други фактори, и са твърде много, че да навлизаме в тях в това видео. За нещастие няма лесно обяснение за това, но това е наблюдаваната електронна конфигурация за скандия. Откъде знаем, че е вярна? Откъде знаем, че 4s орбиталата наистина е с по-висока енергия от 3d орбиталите? Знаем това от йонизационни експерименти. Например ако създадеш скандий 1+ йон, електронната конфигурация за скандиевия 1+ йон – губим един електрон от неутралния атом на скандия. Оказва се, че това е аргон 4s1 3d1 или, отново, можеш да запишеш аргон 3d1 4s1. Откъде загубихме този електрон, за да създадем нашия йон? Изгубихме този електрон от 4s орбиталата. Имахме 4s2, а тук имаме 4s1. Загубихме този електрон и това е логично, само ако 4s орбиталата е най-висока по енергия, понеже когато губиш електрон при йонизация, губиш електрона, който е с най-висока енергия. Той е този, който е най-лесно да се премахне, за да се създаде йон. 4s орбиталата всъщност е с по-висока енергия от 3d орбиталите. Не виждаш това в много учебници и мисля, че основната причина за това е поради факта, че ако опитваш да помислиш само за записването на електронните конфигурации, целта ти е да запишеш... Да кажем, че правиш тест и целта ти е да запишеш електронната конфигурация за скандий. Най-лесният начин да направиш това... Нека използвам червено тук. Най-лесният начин да направиш това, ако искаш да запишеш електронната конфигурация за скандия, е да погледнеш периодичната таблица и, ако използваш обозначението за благородния газ, непосредствено предшестващият благороден газ е, разбира се, аргон. Това обозначава частта с аргона и после, като гледаш периодичната таблица, можеш да кажеш, че това ще е 4s1, 4s2 3d1. Това ти дава правилната електронна конфигурация, аргон 4s2 3d1. Но това намеква, че d орбиталите, 3d орбиталите се запълват след 4d орбиталите и, следователно, са с по-висока енергия, а това всъщност не е вярно. Това ти помага да предположиш, че това е така, ако записваш електронна конфигурация, но в реалността не се случва това. Тук трябва да помислим за другите елементи. Току-що се справихме със скандия. След това нека преминем към титан. Да помислим за титана. Следващият елемент в периодичната таблица, ако въпросът ти на теста беше да напишеш електронната конфигурация за титания, най-лесният начин да направиш това, отново, е да помислиш за аргона. Поставяш аргон в скоби и после си мислиш: "Това ще е 4s1, това ще е 4s2, това ще е 3d1 и това ще е 3d2." Можеш да запишеш 4s2 и после 3d2 или, отново, можеш да промениш местата на 3d2 и 4s2. И това намеква, че d орбиталите се запълват след 4s орбиталата, което не е вярно, но ти дава верния отговор. Полезно е да мислим за това и по двата начина. Полезно е да мислим правилно за енергийните нива, но в същото време, ако целта ти е да стигнеш до отговора по най-бързия възможен начин, като гледаш периодичната таблица, създаването на електронната конфигурация може да е най-добрият начин за теста. Нека разгледаме някои от тези други елементи тук. Току-що говорихме за скандий и титан. Нека слезем тук долу. Нека разгледаме тази малка група тук. Току-що направихме скандий и титан. Скандият беше аргон 4s2 3d1. Говорихме за два електрона в 4s орбиталата, един електрон в 3d орбиталата. Направихме и титания, 4s2 3d2 като можеш да смениш местата им. Когато използваш орбиталното обозначение, добавяйки този втори електрон към d орбитала... Това е електронът, който добавихме. Не съчетахме спиновете. Следваме правилото на Хунд. Следващият елемент е ванадий. Още един електрон, добавяме този електрон към d орбитала, но не го добавяме към една от орбиталите, които вече започнахме да запълваме, добавяме електрона към друга d орбитала. И пак следваме правилото на Хунд. Нещата стават странни, когато стигнеш до хром. Нека използвам друг цвят за хром. И така, хромът има с един електрон повече от ванадия. Може да помислиш, че просто ще добавиш този един електрон към една 3d орбитала ето така и готово. Ако помислиш за това, може да сметнеш, че това е 4s2 3d4. Нека запишем това. 4s2 3d4, въпросителен. Но всъщност не получаваме точно това. Получаваме 4s1 3d5. Този електрон тук – нека използвам червено. Можеш да помислиш за този електрон. Очакваме той да е тук, очакваме да е 4s2 3d4. Сякаш този електрон се е преместил ето тук, в тази празна орбитала, за да ти даде това орбитално обозначение. Това беше просто един лесен начин да помислим за това, а в реалността не се случва това, ако надграждаш един атом тук, поради различните енергийни нива. Но за да улесним нещата, когато пишеш електронните конфигурации, можеш да помислиш за преместване на един електрон от 4s орбиталата към последната празна d орбитала тук. Някои хора казват, че това е полузапълнен d подслой. Нека заградя това. Този полузапълнен d подслой е супер стабилен и това може да е вярно за хромния атом, но не е винаги вярно, така че не е най-доброто обяснение. Реалното обяснение е супер сложно и е твърде трудно, че да навлизаме в него в курс по обща химия. Следващият елемент е манган. Нека се придържам към синия цвят. Манган – има с един електрон повече от хрома. Хромът имаше шест електрона, а при мангана трябва да помислим за седем електрона. Това очакваме, като преминаваме през периодичната таблица. Нека се заема с мангана. Нека използвам зелено. Може да си кажеш, че това е 4s1, това е 4s2, а после 3d1, 3d2, 3d3, 3d4, 3d5. Може да си кажеш – 4s2 3d5. И това предхожда отговора ни, както очакваме. Същото нещо е с желязото. 4s2 3d6. Готови сме с желязото и отново можеш да започваш да съчетаваш спиновете. Виждали сме това в предишни електронни конфигурации. Следва кобалт – още един допълнителен електрон. Добре 4s2 3d7, логично е. И можеш да видиш, че тук ще е електронът, който добавихме, и отново съчетахме спиновете. Никел – същият модел. Добавяме още един електрон, 3d8. Това е логично, ето го електрона, който добавихме. И ето че пак стигнахме до едно по-странно. Стигаме до мед. За медта може да помислиш... Нека използвам червено за мед. Знаем, че медта е червена. Записваме още един електрон. Ако вземем електронната конфигурация тук – за никел – добавяме още един електрон. Може да предположиш, че това ще е орбиталното обозначение за медта, но всъщност не е така. Взели сме този електрон тук и сме го преместили насам, ето така. Това ни дава запълнен d подслой тук. Още един начин да обясним това е, че така се получава изключително стабилна конфигурация за атома на медта. Това ни оставя само един електрон тук в нашата 4s орбитала. Електронната конфигурация е 4s1 3d10, но всички тези обяснения от общата химия са малко прекалено опростени за реалността. Ако тепърва започваш с химията, те са доста добър начин да помислим за нещата. Последно, цинк – при цинка виждаме логиката. Добавяме още един, записваме още един електрон. Погрижихме се за медта, а за цинка имаме още един допълнителен електрон и можеш да помислиш за това като за 4s2 ето тук и после имаме 3d10. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. 4s2 3d10 или 3d10 4s2, като отпред имаме аргон. Това ти дава пълната електронна конфигурация и можеш да видиш, че сега 4s орбиталата е запълнена и 3d орбиталата е запълнена. Отново, това е доста сложна тема и се надявам, че това ти дава представа за онова, което се случва.