Por que a configuração eletrônica do cromo $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{6} 3 d^{c} or (v e r m e l h o) (5) 4 s^{c} or (v e r m e l h o) (1)$ $1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6 3s ^ 2 3p ^ 6 3d ^ cor (vermelho) (5) 4s ^ cor (vermelho) (1)$ em vez de $1s ^ 2 2s ^ 2 2s ^ 6 3p ^ 2 3s ^ 6 3p ^ 4 4d ^ cor (vermelho) (2) XNUMXs ^ cor (vermelho) (XNUMX)$ ?

É uma combinação de fatores:

Menos elétrons emparelhados no mesmo orbital
Mais elétrons com rotações paralelas em orbitais separados
Orbitais de valência pertinentes NÃO próximos o suficiente em energia para que o emparelhamento de elétrons seja estabilizado o suficiente pelo tamanho orbital grande

AVISO LEGAL: Resposta longa, mas é uma questão complicada, então ...

Muitas pessoas querem dizer que é porque um "subcamado meio cheio" aumenta a estabilidade, o que é um motivo, mas não necessariamente o apenas razão. No entanto, para o cromo, é o significativo razão.

Também vale ressaltar que esses motivos são depois do ocorrido; o cromo não sabe os motivos que propomos; as razões só precisam ser, bem, razoável.

As razões pelas quais consigo pensar são:

Minimização de energia de repulsão coulombic
Maximização de troca de energia
Falta de redução significativa da energia de emparelhamento global em comparação com um átomo com orbitais ocupados maiores

ENERGIA DE REPULSÃO COULOMBICA

Energia de repulsão coulômbica é o aumento de energia devido ao emparelhamento de elétrons de rotação oposta, em um contexto em que existem apenas dois elétrons de energias quase degeneradas.

Então, por exemplo ...

$ul(uarr darr) " " ul(color(white)(uarr darr)) " " ul(color(white)(uarr darr))$ is higher in energy than $ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(darr color(white)(uarr)) " " ul(color(white)(uarr darr))$

Para facilitar isso, podemos "medir" a energia de repulsão com o símbolo $Pi_c$ . Diríamos apenas que para cada par de elétrons no mesmo orbital, ele adiciona um $Pi_c$ unidade de desestabilização.

Quando você tem algo assim com spins de elétrons paralelos ...

$ul(uarr darr) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr))$

Torna-se importante incorporar a troca de energia.

INTERCÂMBIO DE ENERGIA

Trocar energia é a redução de energia devido ao número de pares de elétrons de rotação paralela em diferentes orbitais.

É um argumento da mecânica quântica em que os elétrons de rotação paralela podem câmbio devido à sua indistinguibilidade (você não pode ter certeza se o elétron 1 está no orbital 1 ou o elétron 2 está no orbital 1, etc.), redução a energia da configuração.

Por exemplo...

$ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(color(white)(uarr darr))$ is lower in energy than $ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(darr color(white)(uarr)) " " ul(color(white)(uarrdarr))$

Para tornar mais fácil para nós, uma maneira grosseira de "medir" a troca de energia é dizer que é igual a $Pi_e$ para cada par que pode trocar.

Portanto, para a primeira configuração acima, ela seria estabilizada por $Pi_e$ ( $1harr2$ ), mas a segunda configuração teria um $0Pi_e$ estabilização (giros opostos; não pode trocar).

EMPARELHAMENTO DE ENERGIA

Energia de emparelhamento é apenas a combinação de repulsão e troca de energia. Nós chamamos isso $Pi$ , então:

$Pi = Pi_c + Pi_e$

Química Inorgânica, Miessler et al.

Basicamente, a energia de emparelhamento é:

superior quando a energia de repulsão é Alto (ou seja, muitos elétrons emparelhados), o que significa que o emparelhamento é desfavorável
diminuir quando a troca de energia é Alto (ou seja, muitos elétrons paralelos e não emparelhados), o que significa que o emparelhamento é favorável

Então, quando se trata de montá-lo para o cromo ... ( $4s$ e $3d$ orbitais)

$ul(uarr color(white)(darr))$

$ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr))$

comparado com

$ul(uarr darr)$

$ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(uarr color(white)(darr)) " " ul(color(white)(uarr darr))$

É mais estável.

Por simplicidade, se assumirmos o $4s$ e $3d$ os elétrons não estão próximos o suficiente em energia para serem considerados "quase degenerados":

A primeira configuração tem $mathbf(Pi = 10Pi_e)$ .

(Exchanges: $1harr2, 1harr3, 1harr4, 1harr5, 2harr3,$
$2harr4, 2harr5, 3harr4, 3harr5, 4harr5$ )

A segunda configuração tem $mathbf(Pi = Pi_c + 6Pi_e)$ .

(Exchanges: $1harr2, 1harr3, 1harr4, 2harr3, 2harr4, 3harr4$ )

Tecnicamente, eles estão prestes $"3.29 eV"$ separados (Apêndice B.9), o que significa que leva cerca de $"3.29 V"$ transferir um único elétron do $3d$ até o $4s$ .

Também poderíamos dizer que, desde o $3d$ orbitais são mais baixos em energia, transferir um elétron para um orbital de menor energia é útil de qualquer maneira, de uma perspectiva menos quantitativa.

COMPLICAÇÕES DEVIDO AO TAMANHO ORBITAL

Observe que, por exemplo, $"W"$ tem uma configuração de $[Xe] 5d^4 6s^2$ , qual parece contradizer o raciocínio que tínhamos para $"Cr"$ , uma vez que o emparelhamento ocorreu no orbital de maior energia.

Mas, também devemos reconhecer que $5d$ orbitais são Maior do que $3d$ orbitais, o que significa a densidade de elétrons pode ser mais espalhado para $"W"$ do que para $"Cr"$ , Assim redução a energia de emparelhamento $Pi$ .

That is, $Pi_"W" < Pi_"Cr"$ .

Desde uma menor energia de emparelhamento implica mais fácil emparelhamento de elétrons, provavelmente é assim que $"W"$ tem um $[Xe] 5d^4 6s^2$ configuração em vez de $[Xe] 5s^5 6s^1$ ; sua $5d$ e $6s$ orbitais são grande o suficiente para acomodar a densidade extra de elétrons.

De fato, a diferença de energia em $"W"$ para o $5d$ e $6s$ orbitais é só sobre $"0.24 eV"$ (Apêndice B.9), o que é bastante fácil de superar simplesmente por ter orbitais maiores que estabilizam a energia de emparelhamento.