Configurações eletrônicas e diagramas orbitais podem ser determinados aplicando o princípio de Aufbau (cada elétron adicionado ocupa o subnível de menor energia disponível), o princípio de exclusão de Pauli (nenhum elétron pode ter o mesmo conjunto de quatro números quânticos) e a regra de multiplicidade máxima de Hund (sempre que possível, os elétrons retêm spins desemparelhados em orbitais degenerados).
As energias relativas dos subníveis determinam a ordem em que os orbitais atômicos são preenchidos (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p e assim por diante). Para várias camadas e subníveis, a tendência do poder de penetração de um elétron pode ser representada da seguinte forma:
1s > 2s > 2p > 3s > 3p > 4s > 3d > 4p > 5s > 4d > 5p > 6s > 4f...
O efeito de blindagem e penetração orbital é grande, e um elétron 4s pode ter energia menor que um elétron 3d.
Os elétrons nos orbitais mais externos, chamados elétrons de valência, são responsáveis pela maior parte do comportamento químico dos elementos. Na tabela periódica, elementos com configurações de elétrons de valência análogas geralmente ocorrem dentro do mesmo grupo.
Existem algumas exceções à ordem de preenchimento prevista, particularmente quando orbitais preenchidos pela metade ou completamente preenchidos podem ser formados. No caso do Cr e do Cu, os subníveis preenchidos meio-cheios e completamente preenchidos aparentemente representam condições de estabilidade preferidas. Essa estabilidade é tal que o elétron se desloca do orbital 4s para o orbital 3d para ganhar a estabilidade extra de um subnível 3d preenchido até a metade (em Cr) ou um subnível 3d completamente preenchido (em Cu). Outras exceções também ocorrem. Por exemplo, prevê-se que o nióbio (Nb, número atômico 41) tenha a configuração eletrônica [Kr]5s24d3. No entanto, experimentalmente, sua configuração eletrônica no estado fundamental é, na verdade, [Kr]5s14d4. Podemos racionalizar essa observação dizendo que as repulsões elétron-elétron experimentadas pelo emparelhamento dos elétrons no orbital 5s são maiores do que a diferença de energia entre os orbitais 5s e 4d.
Este texto foi adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 6.4: Electronic Structure of Atoms
Do Capítulo 1:
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