Konfigurazio elektroniko

Konfigurazio elektronikoa, fisika atomikoan eta kimikan, atomo bateko, molekula bateko edo beste edozein egitura fisikotako (esaterako, kristal bateko) elektroiek daukaten antolamenduari deritzo.

Beste partikula elemental batzuk bezala, elektroiek mekanika kuantikoaren legeen arabera jokatzen dute, eta bi motatako portaera erakusten dute: partikula gisakoa eta uhin gisakoa. Ikuspuntu formaletik, elektroi jakin baten kuantu-egoera bere uhin-funtzioaren arabera definituta dago, hau da, espazioa eta denbora integratzen dituen funtzio konplexu baten arabera. Mekanika kuantikoaren Copenhagen-eko interpretazioari kasu eginez, elektroi jakin baten kokapena ez dago ondo definiturik neurketa-ekintza batek berau detektatzen duen arte. Neurketa-ekintzak elektroia espazioaren puntu jakin batean detektatzeko duen aukera, uhin-funtzioak puntu horretan duen balio absolutuaren karratuarekiko proportzionala da.

Elektroiak energia-maila batetik beste batera higitzen dira energia-kuantu bat, fotoi eran, igortzen edo xurgatzen dutenean. Pauliren bazterketa printzipioaren arabera, orbital atomiko batean ezin dira existitu bi elektroi baino gehiago; hortaz, elektroi bat beste orbital batera higituko da bertan leku bat libre badago.

Atomoen konfigurazio elektronikoa ezagutzea oso erabilgarria da elementuen taula periodikoaren egitura ulertzeko. Atomoak elkarrekin lotuta mantentzen dituzten lotura kimikoak deskribatzeko ere erabiltzen da kontzeptu hau. Ideia honek laserren eta erdieroaleen propietate bereziak azaltzeko ere balio du.

Geruzak eta azpigeruzak 

Konfigurazio elektronikoa Bohr ereduaren bitartez asmatu zen. Elektroiaren izaera mekaniko-kuantikoari lotuta elektroiaren ulerpenean aurrerapenak izan diren arren, ohikoa da geruza eta azpigeruzei buruz hitz egitea oraindik.

Elektroi-geruza bat oinarrizko zenbaki kuantiko (n) berdina partekatzen duten egoera baimenduen zerrenda da. Atomo baten n. elektroi-geruzak 2n2 elektroi osta ditzake; adibidez, lehenengo geruzak 2 elektroi har dezake, bigarrenak 8, hirugarrenak 18, eta abar. 2 berretzailearen jatorria elektroi biraren egoerak ematen du. Orbital atomiko bakoitzak kontrako spina duten bi elektroi baimentzen ditu, bat +1/2 spinarekin (goranzko gezi batekin denotatuta normalean), eta bestea -1/2 spinarekin (beheranzko geziarekin).

Azpigeruza bat geruza baten barneko egoera taldea da, zenbaki kuantiko azimutal komun batek definituta, ℓ. ℓ = 0, 1, 2, 3 balioek s, p, d eta f etiketei dagozkie, hurrenez hurren. Esate baterako, 3d azpigeruzak n = 3 eta ℓ = 2 edukiko ditu. Azpigeruza batean kokatuta egon daitekeen elektroi kopuru maximoak 2(2ℓ+1) adierazpenak mugatzen du. Honek bi elektroi ematen dio s azpigeruzari, sei elektroi p azpigeruzari, hamar elektroi d azpigeruzari eta hamalau elektroi f azpigeruzari.
Geruzek eta azpigeruzek osta ditzaketen elektroi kopurua mekanika kuantikoaren ekuazioetatik dator, bereziki Pauliren bazterketa printzipiotik. Honek zehazten du atomo bereko bi elektroik ezin dituztela lau zenbaki kuantiko berdinak izan.

Notazioa 

Notazio estandarra erabiltzen da atomoen eta molekulen konfigurazio elektronikoa ezaugarritzeko. Atomoentzako, notazioak orbital atomikoen definizioa du (n ℓ itxuran, adibidez, 1s, 2p, 3d, 4f orbital bakoitzari esleitutako elektroi kopurua aginduz (edo azpigeruza beraren orbital multzoari) goi-indize baten bitartez. Adibidez, hidrogenoak elektroi bat du lehenengo geruzaren s orbitalean, hortaz bere adierazpena 1s1 da. Litioak bi elektroi ditu 1s azpigeruzan eta bat 2s azpigeruzan (energia handiagokoa). Hori dela eta, bere konfigurazioa 1s2 2s1 idazten da (bat-ese-bat, bi-ese-bat ahoskatua). Fosforoarentzako (zenbaki atomikoa: 15), horrela idatziko da: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3.

Elektroi kopuru handia duten atomoentzako notazio hau oso luzea izan daiteke, eta horregatik, notazio laburtua erabiltzen da, lehenengo azpigeruzak gas noble batenak direla kontuan hartzen. Adibidez, fosforoa argon eta neonetik (1s2 2s2 2p6) aldentzen da bakarrik hirugarren geruzaren presentziaren ondorioz. Horrela, neonaren konfigurazio elektronikoarekiko adieraz daiteke fosforoaren konfigurazio elektronikoa: [Ne] 3s2 3p2. Notazio hau erabilgarria da gogoan hartzen bada elementuen propietate kimiko gehienak kanpoko geruzetatik baldintzatuta datozela.

Orbitalen idazte ordena orbitalen egonkortasun erlatibotik dator, energia orbital txikiena dutenak idatziz lehentasunez. Honen esangura da, idazkerak erregela batzuk jarraitzen dituen arren, salbuespenak aurkitzen direla. Atomoen gehienezkoak Madelung erregelak zehaztutako ordena jarraitzen du. Horren arabera, burdinaren konfigurazio elektronikoa honela idatziko litzateke: [Ar] 4s2 3d6. Beste notazio eredu batek orbitalak antolatzen ditu lehenengo zenbaki kuantikoaren arabera, burdinaren adierazpena era honetan aldatuz: [Ar] 3d6 4s2 (argonaren konfigurazioan inplizituak aurkitzen diren 3s eta 3p orbitalekin elkartuz 3d orbitala).
Elektroi batek betetako orbitalen 1 goi-indizea ez da derrigorrezkoa.

Jatorri historikoa 

Niels Bohr (1923) izan zen elementuen propietateen periodizitatea atomoaren elektroi egituran azalduta egon zitekeela proposatu zuen lehenengo pertsona. Haren proposamenak oraingo Bohren atomo ereduan oinarrituta daude, non elektroi geruzak orbitalak ziren nukleotik distantzia batera zehaztuta. Gaur egun, Bohren jatorrizko konfigurazioa erabili beharrean, era laburtua erabiltzen da: sufrea 2, 4, 4, 6 eran, 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 (2.8.6) idatzi beharrean.
Hurrengo urtean, E. C. Stonerrek Sommerfeldren hirugarren zenbaki kuantikoa barneratu zion elektroi geruzen deskribapenari, eta zuzenki aurreikusi zuen sufrearen egitura 2, 8, 6 eran. Hala ere, Bohren eta Stonerren sistemek ezin zuten zuzenki deskribatu eremu magnetiko baten barneko espektro atomikoa (Zeeman efektua).
Bohrek ezagutzen zituen eragozpen hauek (eta beste batzuk), eta Wolfgang Pauli bere lagunari idatzi zion laguntza eske teoria kuantikoa salbatzeko asmoz (gaur egun “teoria kuantiko zaharra” gisa ezagutzen dena). Pauli konturatu zen Zeeman efektuaren eragile bakarra atomoaren kanpoaldeko geruza zela. Hortaz, Pauli Stonerren geruza egitura erreproduzitzeko gai izan zen, baina azpigeruzen egitura zuzena erabiliz, laugarren zenbaki atomikoaren barnerapenarekin bere inklusio printzipioaren (1925)  bitartez.

Debekatuta dago n zenbaki kuantiko nagusia duten elektroi bat baino gehiagok beste hiru zenbaki kuantiko berdinak izatea k [l], j [ml] eta m [ms].
Schrödingerren ekuazioak, 1926an argitaratuak, adierazten du lau zenbaki kuantikoetatik hiru hidrogeno atomoarentzako haren ebazpenaren ondorio zuzenak direla. Soluzio hau gaur egungo kimikako testuliburuetan aurkitzen den orbital atomikoak ematen ditu. Espektro atomikoaren ikerkuntzak atomoen konfigurazio elektronikoa esperimentalki zehazteko aukera eman zuen, eta arau enpiriko bati (Madelung erregelaz (1936) ezagutua) bidea eman zion orbital atomikoen elektroi antolaketa zehazteko.

Antolaketa elektronikoa 

Azpi-maila eta orbitaletan antolatutako elektroien antolaketa da. Elementuen konfigurazio elektronikoa Moellerren diagramaren bitartez irudikatzen da.
Moellerren diagrama ulertzeko hurrengo taula erabiltzen da:

Distribuzio elektronikoa aurkitzeko diagonaletan idazten dira notazioak, goitik behera eta eskuinetik ezkerrera (koloreak jarraitu).

Eraiketa printzipio hau (Aufbau printzipio izenarekin, alemanetik “eraikuntza”) Bohri esleitutako konfigurazio elektronikoko kontzeptu oso garrantzitsua izan zen. Era honetan formula daiteke:

Orbitalak bakarrik egon daitezke okupatuta bi elektroiez gehienez, maila energetikoen orden gorakorrarekin: energia gutxiagoko orbitalak energia handiagokoak baino lehen betetzen dira.

Hala, elementuen atomoak duten egitura elektronikoa deskribatzeko orbitalen maila energetikoaren ordena erabil daitekeela ikusten da. Azpi-maila bat 1 edo 2 elektroirekin bete daiteke. p azpi-mailak 1 eta 6 arteko elektroi izan ditzake; d azpi-mailak 1 eta 10 bitartean eta f azpi-mailak 1 eta 14 elektroi bitartean.
Orain, posiblea da deskribatzea atomoen egitura elektronikoa elektroien azpi-maila edo distribuzio orbitala zehazten. Elektroiak energia gutxiagoko orbitaletan kokatuko dira lehenengo; hauek guztiz beteta daudenean, energia handiagoko hurrengo azpi-maila erabiltzen da. Hau hurrengo taularen bitartez adierazi daiteke:

Konfigurazio elektronikoa aurkitzeko aurreko prozedura berbera erabiltzen da, orbital bakoitzeko elektroi kopuru maximoa gaineratuz.

Azkenik, konfigurazioa hurrengo moduan geratzen da: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6.
Elementu baten konfigurazio elektronikoa zehazteko, zenbat elektroi moldatu behar diren kalkulatzearekin aski da, eta gero azpigeruzetan antolatu behar dira energia gutxikoetatik hasiz eta azpigeruzak betez. Beste elementu batekin konparatuz, unitate batez zenbaki atomiko handiagoa duen elementu batek elektroi unitate bat gehiago izango du. Energia azpigeruzak horrela areagotzen dira:

- s, p, d, f azpi-mailak: energia areagotzen da.

Dena den, salbuespenak existitzen dira trantsizio elementu batzuk kobre eta kromoaren kokapenean jartzean, non elektroia bultzatu egiten baita ez-ohiko konfigurazio bat emanez.

Elementu kimikoen konfigurazio elektronikoen zerrenda 

 Konfigurazio elektroniko etzanak Moeller-diagramaren salbuespenak dira.
 Konfigurazio elektroniko lodiak iragarpenak dira.

Erreferentziak

Kanpo estekak 

Kimika kuantikoa
Kimika teorikoa
Ezaugarri kimikoak
Fisika atomikoa
Fisika molekularra