Structurile electronice ale cationilor

Atunci când formează un cation, un atom al unui element din grupul principal tinde să-și piardă toți electronii de valență, preluând astfel structura electronică a gazului nobil care îl precede în tabelul periodic. Pentru grupele 1 (metale alcaline) și 2 (metale alcalino-pământoase), numerele grupelor sunt egale cu numărul de electroni de înveliș de valență și, în consecință, cu sarcinile cationilor formați din atomii acestor elemente când toți electronii de înveliș de valență sunt eliminați. De exemplu, calciul este un element din grupa 2 ai cărui atomi neutri au 20 de electroni și o configurație electronică de stare fundamentală de 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s². Când un atom de Ca își pierde ambii electroni de valență, rezultatul este un cation cu 18 electroni, o sarcină 2+ și o configurație electronică de 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶. Prin urmare, ionul de Ca²⁺ este izoelectronic cu gazul nobil Ar.

Pentru grupele 13-17, numerele grupelor depășesc numărul de electroni de valență cu 10 (luând în considerare posibilitatea unor subînvelișuri d complete în atomii de elemente în perioada a patra și cea mai mare). Astfel, sarcina unui cation format prin pierderea tuturor electronilor de valență este egală cu numărul grupului minus 10. De exemplu, aluminiul (în grupa 13) formează 3+ ioni (Al³⁺).

Excepțiile de la comportamentul așteptat implică elemente spre partea de jos a grupelor. Pe lângă ionii așteptați Tl³⁺, Sn⁴⁺, Pb⁴⁺ și Bi⁵⁺, o pierdere parțială a electronilor învelișului de valență ai acestor atomi poate duce, de asemenea, la formarea ionilor Tl⁺, Sn²⁺, Pb²⁺ și Bi³⁺. Formarea acestor cationi 1+, 2+ și 3+ este atribuită efectului de pereche inertă, care reflectă energia relativ scăzută a perechii de electroni de valență pentru atomii elementelor grele din grupele 13, 14 și 15. Mercurul (grupa 12) prezintă și un comportament neașteptat: formează un ion diatomic, Hg₂²⁺ (un ion format din doi atomi de mercur, cu o legătură Hg-Hg), pe lângă ionul monoatomic așteptat Hg²⁺ (format dintr-un singur atom de mercur).

Elementele de tranziție și interioare ale metalelor de tranziție se comportă diferit față de elementele grupului principal. Majoritatea cationilor metalelor de tranziție au sarcini de 2+ sau 3+ care rezultă din pierderea electronilor lor cei mai exteriori, uneori urmate de pierderea unuia sau a doi electroni d din învelișul cel mai apropiat. De exemplu, fierul (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²) formează ionul Fe²⁺ (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶) prin pierderea electronilor 4s și ionul Fe³⁺ (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵) prin pierderea electronilor 4s și a unuia din electronii 3d. Deși orbitalii d ai elementelor de tranziție sunt – conform principiului Aufbau – ultimii care se umplu la construirea configurațiilor electronice, electronii cei mai îndepărtați sunt primii care se pierd atunci când acești atomi se ionizează. Când metalele interioare de tranziție formează ioni, ele au de obicei o sarcină 3+, rezultată din pierderea electronilor lor cei mai exteriori s și a unui electron d sau f.

Exemplul 7.1

Determinarea structurilor electronice ale cationilor

Există cel puțin 14 elemente clasificate drept „oligoelemente esențiale” pentru corpul uman. Ele sunt numite „esențiale” pentru că sunt necesare pentru funcțiile sănătoase ale corpului, „oligo” pentru că sunt necesare doar în cantități mici, și „elemente” în ciuda faptului că sunt cu adevărat ioni. Două dintre aceste oligoelemente esențiale, cromul și zincul, sunt necesare sub forma de Cr³⁺ și Zn²⁺. Scrieți configurațiile electronice ale acestor cationi.

Soluţie

Mai întâi, scrieți configurația electronică pentru atomii neutri:

Zn: [Ar]3d¹⁰4s²

Cr: [Ar]3d⁵4s¹

Apoi, eliminați electronii din orbitalul cu cea mai mare energie. Pentru metalele de tranziție, electronii sunt îndepărtați mai întâi din orbitalul s și apoi din orbitalul d. Pentru elementele blocului p, electronii sunt îndepărtați din orbitalii p și apoi din orbitalul s. Zincul este membru al grupei 12, deci ar trebui să aibă o sarcină de 2+ și astfel pierde doar cei doi electroni din orbitalul său. Cromul este un element de tranziție și ar trebui să-și piardă electronii s și apoi electronii d atunci când formează un cation. Astfel, găsim următoarele configurații electronice ale ionilor:

Zn²⁺: [Ar]3d¹⁰

Cr³⁺: [Ar]3d³

Exercițiu

Potasiul și magneziul sunt necesare în dieta noastră. Scrieți configurațiile electronice ale ionilor așteptați de la aceste elemente.

Răspuns:

K⁺: [Ar].

Mg²⁺: [Ne]