Konfiguracje elektronowe atomów i jonów do Z=20

Budowę elektronową opisuje się, wychodząc od liczby atomowej $Z$. Określa ona liczbę protonów w jądrze. W atomie obojętnym liczba elektronów jest taka sama jak liczba protonów, dlatego atom o $Z=12$ ma $12$ elektronów.

Elektrony rozmieszczają się wokół jądra na powłokach elektronowych. Oznacza się je liczbami $1$, $2$, $3$, $4$ albo tradycyjnie literami K, L, M, N. Im większy numer powłoki, tym dalej od jądra znajduje się dana powłoka.

Każda powłoka składa się z podpowłok. W zakresie atomów do $Z=20$ najważniejsze są podpowłoki $s$ i $p$. Pierwsza powłoka ma tylko podpowłokę $1s$. Druga zawiera $2s$ i $2p$, a trzecia: $3s$ i $3p$.

Podpowłoka $s$ może mieć najwyżej $2$ elektrony, natomiast podpowłoka $p$ najwyżej $6$ elektronów. Liczba zapisana jako indeks górny informuje, ile elektronów znajduje się na danej podpowłoce. Na przykład $2p^5$ oznacza pięć elektronów na podpowłoce $2p$.

Nie należy mylić pojemności podpowłoki z liczbą elektronów na całej powłoce. Druga powłoka może pomieścić łącznie $8$ elektronów, ponieważ obejmuje $2s^2$ oraz $2p^6$.

Konfigurację elektronową zapisuje się zgodnie z kolejnością zajmowania podpowłok: $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, $4s$. Taka kolejność wystarcza do opisu pierwiastków od wodoru do wapnia, czyli do $Z=20$.

Aby ułożyć konfigurację, trzeba rozdzielić tyle elektronów, ile wynosi $Z$, pamiętając o maksymalnej pojemności każdej podpowłoki. Dla azotu o $Z=7$ otrzymujemy $1s^2 2s^2 2p^3$. Suma indeksów górnych musi wynosić siedem.

Ten sam rozkład elektronów można przedstawić krócej jako konfigurację powłokową. W takim zapisie podaje się liczbę elektronów na każdej kolejnej powłoce, bez rozróżniania podpowłok. Dla magnezu konfiguracja $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$ odpowiada układowi $2,8,2$.

Szczególne znaczenie mają elektrony walencyjne, czyli elektrony na powłoce o najwyższym numerze. To one najczęściej biorą udział w tworzeniu wiązań i jonów. Sód ma konfigurację kończącą się $3s^1$, więc ma jeden elektron walencyjny. Chlor kończy konfigurację zapisem $3s^2 3p^5$, a więc ma siedem elektronów walencyjnych.

Podczas tworzenia kationu atom oddaje elektrony, a podczas tworzenia anionu je przyjmuje. Liczba protonów w jądrze nie ulega wtedy zmianie. Ładunek dodatni oznacza niedobór elektronów, a ujemny ich nadmiar.

Aby obliczyć liczbę elektronów w jonie, od liczby atomowej odejmuje się wartość ładunku dodatniego lub dodaje wartość ładunku ujemnego. Atom magnezu ma $12$ elektronów, zatem jon $Mg^{2+}$ ma ich $10$. Atom chloru ma $17$ elektronów, natomiast jon $Cl^-$ ma ich $18$.

W konfiguracji kationów elektrony usuwa się z najbardziej zewnętrznej zajętej powłoki. Sód o konfiguracji $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$ po oddaniu elektronu tworzy $Na^+$ o konfiguracji $1s^2 2s^2 2p^6$.

Atomy i jony mające tyle samo elektronów nazywa się izoelektronowymi. Mają one identyczną konfigurację elektronową, choć mogą różnić się liczbą protonów i ładunkiem. Przykładowo $Ne$, $Na^+$ i $F^-$ mają po $10$ elektronów. Tak samo po $18$ elektronów mają $Ar$, $Cl^-$, $K^+$ oraz $Ca^{2+}$.

Przy rozwiązywaniu zadań zawsze kontroluj dwie rzeczy: sumę indeksów górnych w konfiguracji oraz zgodność tej sumy z liczbą elektronów atomu lub jonu. W atomie obojętnym suma ma być równa $Z$; dla jonu trzeba najpierw uwzględnić jego ładunek.