Substraturi și orbitali

Un strat electronic cuprinde substraturi, iar fiecare substrat cuprinde orbitali. Un orbital este regiunea din jurul nucleului în care electronul se găsește cu probabilitate maximă. Un orbital $s$ primește cel mult doi electroni; un substrat $p$ conține trei orbitali și primește cel mult șase electroni. În notația $1s^{2}2s^{2}2p^6$, cifra din față arată stratul, litera arată substratul, iar exponentul numărul electronilor. Electronii ocupă mai întâi orbitalii de energie mai joasă. Într-un orbital încap cel mult doi electroni cu spini opuși; în orbitalii $p$ de aceeași energie intră mai întâi câte un electron, apoi se formează perechi.

Stratul cu numărul $n$ conține $n$ substraturi: stratul $1$ are $1s$; stratul $2$ are $2s$ și $2p$; stratul $3$ are $3s$, $3p$ și $3d$; stratul $4$ are $4s$, $4p$, $4d$ și $4f$. Substraturile $s$, $p$, $d$, $f$ conțin $1$, $3$, $5$, respectiv $7$ orbitali și primesc cel mult $2$, $6$, $10$, respectiv $14$ electroni. Pentru stratul $3$ se obține $2+6+10=18=2\cdot 3^2$ electroni. Orbitalul $s$ are formă sferică; cei trei orbitali $p$ au câte două lobi orientați pe axele $x$, $y$ și $z$ și se notează $p_x,p_y,p_z$; au aceeași energie.

Ordinea creșterii energiei pentru primele $20$ de elemente este $1s,2s,2p,3s,3p,4s$. Substratul $4s$ se ocupă înaintea lui $3d$, de aceea potasiul și calciul au electroni pe stratul al patrulea. Principiul lui Pauli limitează un orbital la doi electroni cu spini opuși, iar regula lui Hund cere ocuparea separată a orbitalilor echivalenți înaintea împerecherii. Într-o diagramă cu casete, fiecare orbital este o casetă, iar electronii sunt săgeți: $\uparrow$ pentru un electron singur și $\uparrow \downarrow$ pentru o pereche.

Exemplu rezolvat 1: fosforul, $Z=15$.

1. Distribuim $15$ electroni în ordinea energiilor: $1s^2$ ia $2$, $2s^2$ ia $2$, $2p^6$ ia $6$, $3s^2$ ia $2$.
2. Rămân $15-12=3$ electroni pentru substratul $3p$.
3. Configurația este $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^3$. Cei trei electroni $3p$ ocupă trei orbitali diferiți, cu spini paraleli, deci fosforul are $3$ electroni neîmperecheați.
4. Numărând pe straturi, obținem repartiția $2,8,5$.

Exemplu rezolvat 2: potasiul, $Z=19$.

1. Prima parte este aceeași ca la argon: $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^6$, adică $18$ electroni.
2. Al nouăsprezecelea electron merge în $4s$, nu în $3d$, fiindcă $4s$ are energie mai mică.
3. Configurația este $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^1$, cu un singur electron neîmperecheat.

Spinul este o proprietate a electronului cu două orientări posibile, desenate ca $\uparrow$ și $\downarrow$. Doi electroni din același orbital se găsesc în același strat, în același substrat și în aceeași regiune, deci se deosebesc numai prin spin; de aceea un al treilea electron nu mai încape în orbital. Cele trei reguli de ocupare se aplică împreună: principiul energiei minime (se ocupă întâi orbitalii cu energie mai mică), principiul lui Pauli și regula lui Hund.

Exemplu rezolvat 3: umplerea substratului $2p$ la carbon, azot și oxigen.

1. Carbonul, $2p^2$: doi electroni în doi orbitali diferiți, cu spini paraleli; sunt $2$ electroni neîmperecheați.
2. Azotul, $2p^3$: câte un electron în fiecare dintre cei trei orbitali; sunt $3$ electroni neîmperecheați.
3. Oxigenul, $2p^4$: un orbital conține o pereche $\uparrow \downarrow$, iar ceilalți doi conțin câte un electron singur; sunt $2$ electroni neîmperecheați.

La sulf, după $3s^2$ rămân patru electroni în $3p^4$: trei ocupă separat orbitalii $p$, iar al patrulea se împerechează cu unul dintre ei, deci sulful are $2$ electroni neîmperecheați.

După ultimul substrat ocupat, atomii aparțin blocului $s$ (grupele $1$ și $2$ și heliul) sau blocului $p$ (grupele $13$–$18$): $\mathrm{Na}$ ($3s^1$) este în blocul $s$, iar $\mathrm{Al}$ ($3p^1$) și $\mathrm{Cl}$ ($3p^5$) sunt în blocul $p$. Electronii de valență sunt cei de pe stratul cu numărul cel mai mare.

Configurația unui ion se obține din cea a atomului. ${\mathrm{Mg}}^{2+}$: atomul $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^2$ cedează cei doi electroni $3s$ și rămâne $1s^{2}2s^{2}2p^6$. ${\mathrm{O}}^{2-}$: atomul $2p^4$ primește doi electroni și ajunge la $2p^6$.

Un orbital $s$ găzduiește maximum doi electroni, iar cei trei orbitali ai unui substrat $p$ găzduiesc maximum șase; configurația $2p^7$ este imposibilă. Pentru azot, $Z=7$, configurația este $1s^{2}2s^{2}2p^3$: cei trei electroni din $2p$ ocupă orbitali diferiți, cu spini paraleli. Pentru oxigen, $1s^{2}2s^{2}2p^4$, un orbital $2p$ conține deja o pereche. Atomii neutri au $3$ electroni neîmperecheați la $\mathrm{N}$ și $2$ la $\mathrm{O}$. În problemele cu ioni, schimbă mai întâi numărul de electroni și abia apoi reconstruiește configurația; configurația ionului nu se folosește pentru a atribui atomului altă grupă.

Exemplu de complement grupat. Configurația $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^6$ corespunde speciilor:

1. $\mathrm{Ar}$;
2. ${\mathrm{Cl}}^{-}$;
3. ${\mathrm{K}}^{+}$;
4. ${\mathrm{S}}^{2-}$.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
• D. Numai 4 este corectă.
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare: configurația conține $2+2+6+2+6=18$ electroni, iar $\mathrm{Ar}$ are $18$, ${\mathrm{Cl}}^{-}$ are $17+1=18$, ${\mathrm{K}}^{+}$ are $19-1=18$ și ${\mathrm{S}}^{2-}$ are $16+2=18$. Toate cele patru specii au această configurație, deci răspunsul este E.

Exemplu de complement simplu: câți electroni neîmperecheați are atomul de siliciu, $Z=14$? Configurația este $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^2$; cei doi electroni $3p$ ocupă orbitali diferiți, deci sunt $2$ electroni neîmperecheați, iar siliciul are $4$ electroni de valență. Substratul $3p$ complet ocupat, $3p^6$, apare la argon, $Z=18$.

Exemplu cu ion: pentru ${\mathrm{Al}}^{3+}$, atomul ($Z=13$) are $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^1$, pierde cei $3$ electroni de pe stratul $3$ și rămâne $1s^{2}2s^{2}2p^6$, ca neonul.

Exemplu numeric: câți electroni se află în substraturile $p$ ale atomului de clor, $Z=17$? Configurația este $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^5$, deci $6+5=11$ electroni $p$; dintre ei, unul singur este neîmperecheat, în $3p$.

Greșeli frecvente

• Greșit: Un orbital $p$ conține șase electroni.
  Corect: un orbital conține cel mult doi; întregul substrat $p$, cu trei orbitali, conține cel mult șase.
• Greșit: La $3p^3$, cei trei electroni se așază în primul orbital.
  Corect: ocupă separat cei trei orbitali $p$.
• Greșit: Electronul al nouăsprezecelea al potasiului intră în $3d$, pentru că stratul $3$ nu este plin.
  Corect: $4s$ are energie mai mică, deci configurația este $\dots 3p^{6}4s^1$.
• Greșit: Substratul $2d$ există, pentru că toate straturile au substraturi $s$, $p$ și $d$.
  Corect: stratul $n$ are $n$ substraturi, deci stratul $2$ are numai $2s$ și $2p$.

Înainte și după