Elektronenconfiguraties opschrijven, stap voor stap

Wat de notatie betekent

Elk deel van een configuratie bestaat uit drie onderdelen. In 2p⁴ is de 2 de schil (het hoofdenergieniveau), de letter p het type subschil en het superscript 4 het aantal elektronen in die subschil. De superscripts tellen altijd op tot het totale aantal elektronen, dat bij een neutraal atoom gelijk is aan het atoomnummer.

Er zijn vier typen subschillen, elk met een vaste capaciteit: s bevat 2 elektronen (1 orbitaal), p bevat er 6 (3 orbitalen), d bevat er 10 (5 orbitalen) en f bevat er 14 (7 orbitalen). Elke orbitaal bevat maximaal 2 elektronen.

De aufbau-volgorde

Elektronen vullen eerst de subschillen met de laagste energie. Dit is het aufbau-principe, van het Duitse woord voor “opbouwen”. De vulvolgorde is 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p.

Merk op dat 4s wordt gevuld vóór 3d, en 6s vóór 4f. De n + l-regel verklaart dit: tel het schilnummer n op bij l (0 voor s, 1 voor p, 2 voor d, 3 voor f) en vul van het laagste totaal omhoog; bij gelijke totalen wordt de kleinere n eerst gevuld. Veel leerlingen tekenen in plaats daarvan een diagonaal schema van subschillen en volgen de pijlen.

Het periodiek systeem toont dezelfde volgorde: binnen een periode loop je door het s-blok (groep 1–2), het d-blok (groep 3–12, één schil lager) en het p-blok (groep 13–18), waarbij het f-blok (twee schillen lager) in periode 6 en 7 past.

Uitgewerkt voorbeeld: zuurstof

Zuurstof heeft atoomnummer 8, dus het heeft 8 elektronen om te plaatsen. Zet er 2 in 1s (6 over), dan 2 in 2s (4 over), dan de laatste 4 in 2p, dat er maximaal 6 kan bevatten. Het resultaat is 1s² 2s² 2p⁴. Controle: 2 + 2 + 4 = 8.

De hoogste schil is 2, met 2 + 4 = 6 elektronen, dus zuurstof heeft 6 valentie-elektronen. Binnen de 2p-subschil zegt de regel van Hund dat elektronen de drie p-orbitalen eerst afzonderlijk bezetten voordat ze paren vormen, dus een zuurstofatoom heeft twee ongepaarde elektronen.

Uitgewerkt voorbeeld: ijzer

IJzer heeft atoomnummer 26, dus het heeft 26 elektronen. Vul in de aufbau-volgorde: 1s² (2 geplaatst), 2s² (4), 2p⁶ (10), 3s² (12), 3p⁶ (18), 4s² (20), en de resterende 6 gaan in 3d. De volledige configuratie is 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.

Veel leerboeken, en deze site, noteren de subschillen in plaats daarvan op volgorde van schilnummer: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Beide beschrijven hetzelfde atoom. Wanneer ijzer ionen vormt, staat het eerst zijn 4s-elektronen af, dus Fe²⁺ is [Ar] 3d⁶ en Fe³⁺ is [Ar] 3d⁵.

Edelgasnotatie

Elke subschil opschrijven wordt lang voor zware atomen, dus scheikundigen vervangen de binnenste elektronen door het symbool van het voorgaande edelgas tussen rechte haken. [He] staat voor 1s², [Ne] voor 1s² 2s² 2p⁶ en [Ar] voor 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. De zwaardere kernen zijn [Kr] (36 elektronen), [Xe] (54) en [Rn] (86).

Om het te gebruiken schrijf je het voorgaande edelgas tussen haken en voeg je alleen de elektronen toe die daarna komen. Zuurstof wordt [He] 2s² 2p⁴, natrium wordt [Ne] 3s¹ en ijzer wordt [Ar] 3d⁶ 4s².

Uitzonderingen: chroom en koper

Een paar elementen volgen de aufbau-volgorde niet precies. Van chroom (24 elektronen) wordt [Ar] 3d⁴ 4s² voorspeld, maar de werkelijke configuratie is [Ar] 3d⁵ 4s¹. Van koper (29 elektronen) wordt [Ar] 3d⁹ 4s² voorspeld, maar het is in werkelijkheid [Ar] 3d¹⁰ 4s¹.

In beide gevallen gaat één 4s-elektron naar 3d. De 4s- en 3d-subschillen liggen energetisch heel dicht bij elkaar, en een halfgevulde (d⁵) of helemaal gevulde (d¹⁰) d-subschil is bijzonder stabiel. Sommige zwaardere elementen gedragen zich op dezelfde manier: molybdeen is [Kr] 4d⁵ 5s¹, zilver is [Kr] 4d¹⁰ 5s¹ en goud is [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹. Ongeveer 20 elementen in het d- en f-blok hebben onregelmatige configuraties, dus raadpleeg voor zwaardere elementen een betrouwbare tabel.