Konfigurasi elektron

Dalam fizik atom dan kimia kuantum, konfigurasi elektron merupakan susunan elektron dalam atom, molekul, atau struktur fizikal lain (cth, hablur). Seperti zarah keunsuran, elektron adalah terikat kepada hukum mekanik kuantum, dan memaparkan ciri gelombang dan zarah. Biasanya, keadaan kuantum bagi elektron tertentu ditakrifkan oleh fungsi gelombang, fungsi ruang-masa bernilai kompleks. Menurut tafsiran Copenhagen bagi mekanik kuantum, kedudukan elektron tertentu tidak ditentukan sehingga pengukuran menyebabkan ia dikesan. Kebarangkalian pengukuran akan mengesan elektron pada titik dalam ruang tertentu adalah berkadaran kepada nilai mutlak fungsi gelombang yangdikuasaduakan pada titik tersebut. 

Elektron mampu bergerak dari satu aras tenaga ke aras yang lain melalui pancaran atau serapan tenaga kuantum, dalam bentuk foton. Disebabkan Prinsip pengecualian Pauli, tiada lebih dari dua elektron yang mampu wujud dalam satu-satu orbital atom; maka elektron hanya boleh beranjak ke orbital lain sekiranya terdapat kekosongan.

Pengetahuan tentang konfigurasi elektron bagi atom yang berbeza berguna untuk memahami struktur jadual berkala unsur. Konsep tersebut juga berguna untuk menerangkan ikatan kimia yang memegang atom-atom. Dalam bahan yang banyak, idea ini membantu untuk menerangkan ciri laser dan semikonduktor.

 Konfigurasi elektron dalam atom 
Perbincangan di bawah melibatkan maklumat dari orbitalal atom.

 Ringkasan nombor kuantum 

Keadaan elektron di dalam atom diberikan oleh empat nombor kuantum. Tiga daripadanya adalah integer dan merupakan ciri orbitalal atom tempat terletaknya elektron itu.

 Nombor  Simbol  Julat  Perwakilannombor kuantum utamaninteger, 1 atau lebihSebahagiannya adalah keseluruhan tenaga orbital, dan menunjukkan jarak dari nukleus secara am. Dipendekkan, aras tenaga ada di dalamnya. (1+)nombor kuantum azimutlinteger, 0 ke n-1Momentum sudut orbital, juuga dilihat sebagai bilangan nod dalam plot ketumpatan. Selain itu, ia dikenali sebagai orbitalnya. (s=0, p=1...)nombor kuantum magnetminteger, -l ke +l, termasuk sifar.Menentukan anjakan tenaga orbitalal atom disebabkan medan magnet luaran (kesan Zeeman).  Menunjukkan orientasi spatial.nombor kuantum spinms+½ atau -½ (kadang kala dipanggil "atas" dan "bawah")Spin merupakan ciri dalaman elektron dan tidak bergantung kepada nombor lain. s dan l merupakan sebahagian dalam menentukan elektron momen dwikutub magnet.

Tiada dua elektron dalam satu atom mempunyai satu set empat nombor kuantum yang sama, mengikut prinsip pengecualian Pauli.

 Petala dan subpetala 
Petala dan subpetala (juga dikenali sebagai aras dan subaras) ditakrifkan oleh nombor kuantum, bukan oleh jarak elektronnya dari nukleus, atau keseluruhan tenaganya. Dalam atom besar, petala di atas petala kedua adalah bertindih (lihat prinsip Aufbau).

Keadaan yang sama nilai n adalah berkaitan, dan dikatakan berada dalam petala elektron yang sama.
Keadaan yang sama nilai n dan l dikatakan berada dalam subpetala elektron yang sama, dan elektron yang mempunyai n dan l yang sama dipanggil elektron setara.
Jika keadaan juga berkongsi nilai m yang sama dikatakan berada dalam orbital atom yang sama.
Disebabkan elektron hanya mempunyai dua keadaan spin yang mungkin, orbital atom tidak boleh mempunyai lebih dari dua elektron (prinsip pengecualian Pauli).

Subpetala boleh mempunyai hingga 4l+2 elektron; petala boleh mempunyai hingga 2n² elektron; iaitu n sama dengan bilangan petala.

 Contoh 
Di sini adalah konfigurasi elektron bagi petala kelima yang terisi:
Petala    Subpetala    Orbital     Elektronn = 5  l = 0  m = 0  → 1 jenis orbital s  → maksimum 2 elektron  l = 1  m = -1, 0, +1  → 3 jenis orbital p  → maksimum 6 elektron  l = 2  m = -2, -1, 0, +1, +2  → 5 jenis orbital d  → maksimum 10 elektron  l = 3  m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3  → 7 jenis orbital f  → maksimum 14 elektron  l = 4  m = -4, -3 -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4  → 9 jenis orbital g  → maksimum 18 elektron     Jumlah: maksimum 50 elektronMaklumat ini boleh ditulis sebagai 5s2 5p6 5d10 5f14 5g18 (lihat bawah untuk perincian tatatanda).

 Tatatanda 
Ahli fizik dan kimia menggunakan untuk menerangkan konfiguurasi elektron. Dalam tatatanda ini, subpetala ditulis dalam bentuk nxy, iaitu n merupakan bilangan petala, x merupakan label subpetala dan y merupakan bilangan elektron dalam subpetala. Subpetala atom ditulis susunan mengikut kenaikan tenaga – dalam kata lain, kedudukan elektron diisi (lihat prinsip Aufbau).

Sebagai contoh, hidrogen berkeadaan asas mempunyai satu elektron dalam orbital s dalam petala pertama, maka konfigurasinya ditulis 1s1. Litium mempunyai dua elektron dalam subpetala 1s dan satu dalam subpetala 2s (bertenaga tinggi), maka konfigurasi keadaan asasnya ditulis 1s2 2s1. Fosforus (bilangan atom 15), adalah seperti berikut: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3.

Bagi atom dengan bilangan elektron yang banyak, tatatanda ini akan menjadi lebih panjang. Ia sering dipendekkan dengan menyatakan beberapa subpetala yang pertama sama dengan salah satu gas adi. Fosforus, sebagai contoh, berbeza dengan neon (1s2 2s2 2p6) hanya dengan kehadiran petala ketiga. Maka, konfigurasi elektron neon digantikan, dan fosforus ditulis sebagai: [Ne]3s2 3p3.

Malah, ada juga pernyataan yang hanya menulis bilangan elektron dalam setiap petala, cth. (fosforus): 2-8-5.

 Prinsip Aufbau 
Dalam keadaan asas dalam atom (syarat untuk ia ditemui), konfigurasi elektron lazimnya mengikut prinsip Aufbau. Menurut prinsip ini, elektron memasuki ke dalam keadaan mengikut kenaikan tenaga keadaan iaitu elektron pertama akan memasuki keadaan bertenaga rendah dahulu, yang kedua akan memasuki keadaan bertenaga kedua terendah dan seterusnya. Kedudukan yang keadaan itu terisi adalah seperti berikut:

         1   1           2   2  3        3   4  5  7     4   6  8  10  13  5   9  11  14  17  21 6   12  15  18  22  7   16  19  23     8   20  24       
Susunan kenaikan tenaga subpetala boleh dibina dengan menurun secara menyerong ke kiri bawah, dari atas menyerong ke bawah. Pepenjuru yang pertama akan melalui 1s; pepenjuru kedua akan melalui 2s; pepenjuru ketiga akan melalui 2p dan 3s; pepenjuru keempat melalui 3p dan 4s; pepenjuru kelima akan melalui 3d, 4p, dan 5s; dan seterusnya. Secara umum, subpetala yang bukan "s" sering diikuti oleh subpetala yang lebih "rendah" bagi petala berikutnya; cth. 2p diikuti oleh 3s; 3d diikuti oleh 4p, yang diikuti oleh 5s, 4f yang diikuti oleh 5d, yang diikuti oleh 6p, dan kemudian 7s. Ini menerangkan susunan blok dalam jadual berkala.

Sepasang elektron dengan spin serupa mempunyai tenaga yang lebih kecil daripada sepasang elektron yang mempunyai spin yang berbeza. Memandangkan dua elektron dalam orbital yang sama haruslah mempunyai spin yang berbeza, ini menyebabkan elektron lebih cenderung untuk mengisi orbital yang berbeza (yang kurang tenaganya). Tatarajah ini menunjukkan bahawa sekiranya subpetala dengan  (mengandungi lebih dari satu orbital), ia akan kurang penuh. Sebagai contoh, jika subpetala p mengandungi empat elektron, dua elektron akan dipaksa mengisi satu orbital, tetapi dua elektron yang lain akan mengisi kedua-dua orbital yang lain, dan spinnya akan menjadi sama. Fenomena ini dipanggil Petua Hund.

Prinsip Aufbau boleh digunakan, dalam bentuk yang diubah, kepada proton dan neutron dalam nukleus atom (lihat model petala fizik nuklear).

 Jadual orbital 
Jadual ini menunjukkan konfigurasi semua orbital hingga 7s, maka ia meliputi konfigurasi elektron mudah bagi semua unsur dalam jadual berkala hingga kopernisium (unsur 112) dengan pengecualian lawrensium (unsur 103), yang memerlukan orbital 7p.

 s (l=0) p (l=1) d (l=2) f (l=3)n=1 50pxn=2 50px 137pxn=3 50px 137px 225pxn=4 50px 137px 225px 313pxn=5 50px 137px 225pxn=6 50px 137pxn=7 50px

 Pengecualian dalam 3d, 4d, 5d 

Subpetala d yang terri separuh atau penuh (5 atau 10 elektron) adalah lebih stabil berbanding subpetala s dalam petala seterusnya. Ini disebabkan kurang tenaga yang diperlukan untuk mengekalkan satu elektron dalam subpetala d yang terisi separuh berbanding subpetala s yang terisi. Sebagai contoh, kuprum (nombor atom 29) mempunyai konfigurasi [Ar]4s1 3d10, bukan [Ar]4s2 3d9 seperti yang dijangka oleh Prinsip Aufbau. Begitu juga kromium (nombor atom 24) mempunyai konfigurasi [Ar]4s1 3d5, bukan [Ar]4s2 3d4 dan [Ar] adalah mewakili argon.

Pengecualian dalam Kala 4:

 Unsur  Z  Konfigurasi Elektron  Konfigurasi Gas Adi Skandium  21  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 [Ar] 4s2 3d1 Titanium  22  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2 [Ar] 4s2 3d2 Vanadium  23  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3 [Ar] 4s2 3d3 Kromium  24  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6  4s1 3d5  [Ar]  4s1 3d5  Mangan  25  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 [Ar] 4s2 3d5 Ferum  26  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 [Ar] 4s2 3d6 Kobalt  27  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7 [Ar] 4s2 3d7 Nikel  28   1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8 [Ar] 4s2 3d8 Kuprum  29  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10  [Ar] 4s1 3d10 Zink  30  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 [Ar] 4s2 3d10 Galium  31  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p1 [Ar] 3d10 4s2 4p1

Pengecualian dalam Kala 5:

 Unsur  Z  Konfigurasi Elektron  Konfigurasi Gas Adi Ytrium  39  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6  4s2 3d10 4p6 5s2 4d1 [Kr] 5s2 4d1 Zirkonium  40  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d2  [Kr] 5s2 4d2 Niobium  41  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d4 [Kr] 5s1 4d4 Molibdenum  42  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d5 [Kr] 5s1 4d5 Teknetium  43  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2  3d10 4p6 5s2 4d5</font> [Kr] 5s2 4d5 Rutenium  44  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d7 [Kr] 5s1 4d7  Rodium  45  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d8 [Kr] 5s1 4d8 Paladium  46  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 4d10 [Kr] 4d10 Argentum  47  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d10 [Kr] 5s1 4d10Kadmium 48  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6  5s2 4d10 [Kr] 5s2 4d10 Indium  49  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p1 [Kr] 5s2 4d10 5p1

Pengecualian dalam Kala 6:

 Unsur  Z  Konfigurasi Gas Adi Iridium  77  [Xe] 6s2 4f14 5d7  Platinum  78  [Xe] 6s1 4f14 5d9 Aurum  79  [Xe] 6s1 4f14 5d10 Raksa  80  [Xe] 6s2 4f14 5d10  Talium  81  [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p1

 Lihat juga 
 Jadual konfigurasi elektron atom
 Jadual berkala (konfigurasi elektron)
Orbital atom
 Aras tenaga
 Kumpulan jadual berkala

 Pautan luar 


Kategori:Ciri kimia
Kategori:Fizik atom
Kategori:Fizik molekul
Kategori:Kimia kuantum
Kategori:Kimia teori