Výnimky a ióny

Poradie zapĺňania z lekcie Pravidlá zapĺňania orbitálov funguje pre väčšinu prvkov. Príroda však nečíta učebnice a pár prvkov sa správa trochu inak. Najznámejšie výnimky sú chróm a meď.

Prvok	Z	očakávali by sme	skutočnosť
chróm Cr	24	[Ar] 3d⁴ 4s²	[Ar] 3d⁵ 4s¹
meď Cu	29	[Ar] 3d⁹ 4s²	[Ar] 3d¹⁰ 4s¹

V oboch prípadoch jeden elektrón „preskočí“ zo 4s do 3d.

Prečo?

Úprimne: presné vysvetlenie je zložité a patrí do vysokoškolskej chémie. Zjednodušene sa dá povedať toto:

• Energie podvrstiev 4s a 3d sú veľmi blízko seba. Presunúť elektrón zo 4s do 3d preto „nestojí“ veľa energie.
• Napoly zaplnená podvrstva d (d⁵, v každom z piatich orbitálov jeden elektrón) a úplne zaplnená podvrstva d (d¹⁰) sú mimoriadne stabilné usporiadania.

Chróm teda radšej obetuje jeden elektrón zo 4s a získa stabilnú polovičnú podvrstvu 3d⁵. Meď urobí to isté a získa plnú podvrstvu 3d¹⁰.

Rámčekový zápis chrómu (za [Ar]):

3d	4s
[↑ ][↑ ][↑ ][↑ ][↑ ]	[↑ ]

Podobné výnimky existujú aj pri ďalších prvkoch (napríklad striebro, zlato alebo molybdén), ale na strednej škole ti väčšinou stačí zapamätať si Cr a Cu.

Pri chemických reakciách atómy často elektróny odovzdávajú alebo prijímajú. Vznikajú tak ióny:

• katión je kladne nabitý ión, atóm elektróny stratil (napríklad Na⁺, Mg²⁺),
• anión je záporne nabitý ión, atóm elektróny prijal (napríklad Cl⁻, O²⁻).

Počet elektrónov v ióne vypočítame jednoducho: od protónového čísla odpočítame náboj.

$$\text{počet elektrónov} = Z - \text{náboj}$$

Pre Mg²⁺: 12 − 2 = 10 elektrónov. Pre O²⁻: 8 − (−2) = 10 elektrónov.

Jednoduché katióny

Kovy hlavných skupín strácajú svoje valenčné elektróny a dosahujú konfiguráciu predchádzajúceho vzácneho plynu:

Atóm	konfigurácia	Ión	konfigurácia iónu
Na	[Ne] 3s¹	Na⁺	[Ne], teda 1s² 2s² 2p⁶
Mg	[Ne] 3s²	Mg²⁺	[Ne]
K	[Ar] 4s¹	K⁺	[Ar]
Ca	[Ar] 4s²	Ca²⁺	[Ar]

Preto sa sodík vyskytuje takmer vždy ako Na⁺ a horčík ako Mg²⁺.

Katióny prechodných kovov

Tu pozor! Elektróny odchádzajú z podvrstvy s najvyšším n, nie z podvrstvy, ktorá sa zapĺňala ako posledná. Pri prechodných kovoch to znamená: najprv 4s, až potom 3d.

Železo: Fe [Ar] 3d⁶ 4s²

• Fe²⁺: odídu 2 elektróny zo 4s, zostane [Ar] 3d⁶
• Fe³⁺: odídu 2 elektróny zo 4s a 1 z 3d, zostane [Ar] 3d⁵

Všimni si, že Fe³⁺ má napoly zaplnenú podvrstvu 3d⁵. Aj to je jeden z dôvodov, prečo je ión Fe³⁺ taký stály (hrdza obsahuje práve železo v tejto forme).

Najčastejšia chyba je napísať Fe²⁺ ako [Ar] 3d⁴ 4s². To je nesprávne, pretože 4s sa vyprázdni ako prvá.

Anióny

Nekovy elektróny prijímajú do najbližšej voľnej podvrstvy, kým nedosiahnu konfiguráciu nasledujúceho vzácneho plynu:

Atóm	konfigurácia	Ión	konfigurácia iónu
Cl	[Ne] 3s² 3p⁵	Cl⁻	[Ne] 3s² 3p⁶ = [Ar]
O	1s² 2s² 2p⁴	O²⁻	1s² 2s² 2p⁶ = [Ne]
S	[Ne] 3s² 3p⁴	S²⁻	[Ne] 3s² 3p⁶ = [Ar]

Častice, ktoré majú rovnaký počet elektrónov (a teda rovnakú konfiguráciu), nazývame izoelektrónové. Napríklad všetky tieto častice majú 10 elektrónov a konfiguráciu 1s² 2s² 2p⁶:

Častica	Z (protóny)	elektróny
O²⁻	8	10
F⁻	9	10
Ne	10	10
Na⁺	11	10
Mg²⁺	12	10

Aj keď majú rovnaký elektrónový obal, nie sú to rovnaké častice: líšia sa počtom protónov v jadre. Čím viac protónov, tým silnejšie jadro priťahuje elektróny a tým je častica menšia. Mg²⁺ je preto najmenšia a O²⁻ najväčšia z tejto skupiny.

Vyskúšaj si to v interaktívnom cvičení pod textom: dostaneš atóm alebo ión a tvojou úlohou je správne naplniť jeho orbitály. Nezabudni na náboj!