Elektron Dizilimi Nasıl Yazılır? Kurallar, Örnekler ve Periyot Bulma

Elektron dizilimi gösterimi

Elektron dizilimi, alt kabukların elektronlarla dolma durumunu sembollerle ifade eder. Örneğin 1s² gösteriminde baştaki 1 enerji düzeyini, s alt kabuk türünü, üstteki 2 ise bu alt kabukta bulunan elektron sayısını belirtir. Bu nedenle 2p⁵ ifadesi, ikinci enerji düzeyindeki p alt kabuğunda beş elektron olduğunu anlatır. Üst simgedeki elektron sayısı, o alt kabuğun kapasitesini aşamaz.

Bir dizilim okunurken her parça ayrı ayrı değerlendirilir ve üst simgeler toplanarak toplam elektron sayısı bulunur. Karbon atomunun dizilimi 1s² 2s² 2p² şeklindedir; burada elektronlar 2 + 2 + 2 = 6 olduğundan nötr karbonun atom numarasıyla uyumludur. Sodyumun dizilimi ise 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ biçimindedir ve toplam elektron sayısı 11'dir.

Dizilimler kısaltılmış olarak da yazılabilir. Dolu bir iç katmanın soy gaz gösterimi köşeli parantez içinde kullanılır; sodyum için 1s² 2s² 2p⁶ bölümü [Ne] ile gösterildiğinden dizilim [Ne] 3s¹ olur. Kısaltma yalnızca yazımı kolaylaştırır; köşeli parantez içindeki soy gaz, iç elektronların tamamını temsil eder.

Enerji düzeyleri, alt kabuklar ve orbitaller

Elektronlar atomda enerji düzeyi, alt kabuk ve orbital olarak düşünülen iç içe bölümlerde bulunur. Başındaki sayı enerji düzeyini gösterir: 1s birinci düzeyde, 2s ve 2p ikinci düzeydedir. Aynı enerji düzeyinde s, p, d ve f türünde alt kabuklar bulunabilir; ancak her düzeyde bütün alt kabuklar yer almaz. Örneğin 1p ve 2d gösterimleri kullanılmaz.

Alt kabukların elektron kapasitesi orbital sayılarıyla ilişkilidir. s alt kabuğunda bir orbital ve en fazla 2 elektron, p alt kabuğunda üç orbital ve en fazla 6 elektron, d alt kabuğunda beş orbital ve en fazla 10 elektron, f alt kabuğunda yedi orbital ve en fazla 14 elektron bulunur. Aynı alt kabuktaki orbitallerin enerjileri temel düzeyde birbirine eşit kabul edilir; elektronlar bu orbitallere yerleşirken önce daha düşük enerjili alt kabuklar dikkate alınır.

Örneğin 2p alt kabuğu üç orbitalden oluştuğu için toplam altı elektron alabilir. Oksijenin 1s² 2s² 2p⁴ diziliminde ilk iki alt kabuk toplam dört elektronu taşır, kalan dört elektron ise üç orbitalli 2p alt kabuğuna yerleşir. Böylece dizilimdeki 2p⁴ ifadesi hem enerji düzeyini hem alt kabuk türünü hem de elektron sayısını birlikte verir.

Elektronların orbitallere yerleşme sırası

Elektronlar yalnızca enerji düzeyi numarasına bakılarak değil, alt kabukların göreli enerjilerine göre yerleşir. Temel hâlde elektron, kullanılabilir en düşük enerjili alt kabuğa gider; o alt kabuk kapasitesine ulaştığında bir sonraki uygun alt kabuk doldurulur. Bu nedenle 4s alt kabuğu, 3d alt kabuğundan önce dolar. Dizilim yazarken kullanılan temel sıra şöyledir: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p ve devamı.

Bu sıra, elektron dizilimini adım adım kurmayı sağlar. Örneğin argonun 18 elektronu sırasıyla 1s², 2s², 2p⁶, 3s² ve 3p⁶ alt kabuklarına dağıtılır. Bir sonraki element olan potasyumda 3p dolduktan sonra yeni elektron 3d'ye değil 4s'ye yerleşir; bu yüzden potasyumun dizilimi [Ar] 4s¹ olur. Kalsiyumda aynı alt kabuk ikinci elektronu da alır ve dizilim [Ar] 4s² şeklinde yazılır.

Enerji sırasını hatırlamak için alt kabukları satırlara yerleştirip çapraz oklar izlenebilir; ancak her enerji düzeyinde izin verilmeyen alt kabuklar yazılmaz. Özellikle daha karmaşık atomlarda beklenen sıradan sapmalar görülebileceği için geçiş metalleri ve istisnai elektron dizilimleri ayrı bir konudur.

Aufbau, Pauli ve Hund kuralları

Aufbau kuralına göre elektronlar mevcut en düşük enerjili alt kabuktan başlayarak yerleşir ve daha yüksek enerjili alt kabuğa geçmeden önce düşük enerjili olanın kapasitesi doldurulur. Pauli dışarlama ilkesine göre aynı atomdaki iki elektronun dört kuantum sayısının tamamı aynı olamaz; lise düzeyindeki gösterimde bunun sonucu, bir orbitalde en fazla iki elektron bulunması ve bu elektronların zıt spinli olmasıdır. Hund kuralına göre eş enerjili orbitaller içeren bir alt kabuk doldurulurken elektronlar önce orbitallere tek tek ve eşleşmeden yerleşir, ardından eşleşme başlar.

Örneğin karbonun 2p² kısmında iki elektron aynı p orbitalinde eşleştirilmez; üç eş enerjili p orbitalinden ikisine birer elektron yerleşir. Azotun 2p³ kısmında üç p orbitalinin her birinde bir elektron bulunur. Oksijenin 2p⁴ kısmında ise önce üç orbital tek tek dolduğu için dördüncü elektron bu orbitallerden birinde eşleşir.

Atom numarasından elektron dizilimi oluşturma

Nötr bir atomun elektron sayısı atom numarasına eşittir. Bu nedenle dizilim oluşturmak için önce elementin atom numarası kadar elektronu belirlemek, sonra elektronları enerji sırasına göre alt kabuklara dağıtmak gerekir. Her alt kabuğun kapasitesi dikkate alınır: s için 2, p için 6, d için 10 ve f için 14 elektron.

Uygulama için kükürdü ele alalım. Kükürdün atom numarası 16 olduğundan nötr kükürt atomunda 16 elektron vardır. Sıra izlenerek 1s² ile 2, 2s² ile 4, 2p⁶ ile 10, 3s² ile 12 elektron yerleştirilir; kalan dört elektron 3p alt kabuğuna gider. Sonuç 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ olur. Üst simgelerin toplamı 16'dır ve bu, atom numarasıyla eşleşir.

Daha büyük bir örnekte 13 elektronlu alüminyum için ilk 10 elektron [Ne] ile kısaltılabilir. Kalan üç elektron 3s alt kabuğuna iki, 3p alt kabuğuna bir elektron olarak yerleşir ve dizilim [Ne] 3s² 3p¹ olur. Son kontrolde üst simgeler toplanmalı ve nötr atom için toplamın atom numarasına eşit olduğu doğrulanmalıdır.

İyonların elektron dizilimi de elektron sayısı belirlenerek yazılır; ancak iyonlarda elektron sayısı atom numarasına değil, iyonun yüküne göre değişir. Orbital şemaları ise aynı yerleşimi kutular ve oklarla görsel olarak göstermeye yarar.

Elektron diziliminden periyot ve değerlik elektronlarını belirleme

Bir atomun elektron dizilimindeki en büyük enerji düzeyi numarası, temel düzeyde o atomun periyodunu verir. Örneğin 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ diziliminde en büyük baş katsayı 3 olduğu için kükürt üçüncü periyottadır. 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ dizilimindeki sodyum da en büyük enerji düzeyi 3 olduğu için üçüncü periyottadır.

Değerlik elektronları, atomun en dış enerji düzeyinde bulunan ve kimyasal davranışta önemli rol oynayan elektronlardır. Temel düzeydeki ana grup atomlarında en büyük n değerine sahip s ve p alt kabuklarının üst simgeleri toplanarak bulunur. Sodyumun [Ne] 3s¹ diziliminde dış düzeyde bir elektron, kükürdün [Ne] 3s² 3p⁴ diziliminde ise 2 + 4 = 6 değerlik elektronu vardır. Alüminyumun [Ne] 3s² 3p¹ dizilimi de üç değerlik elektronu gösterir.

Aynı grupta bulunan ana grup elementlerinin dış katman elektron dizilimleri benzer olduğundan değerlik elektron sayıları da genellikle aynıdır. Lityum ve sodyumun dış dizilimlerinde birer elektron bulunması, bu elementlerin benzer kimyasal davranış göstermesinin temel nedenlerinden biridir. Bu belirleme yöntemi, geçiş metalleri için aynı basitlikle uygulanmaz; o konu ayrı kapsamda ele alınır.