Prinsip Aufbau dan pengecualian madelung dlm konfigurasi elektron

sumber Wapedia
Wiki: Konfigurasi elektron

Asas Aufbau (berasal dari Bahasa Jerman Aufbau yang berarti "membangun, konstruksi") adalah bagian penting dalam konsep konfigurasi elektron awal Bohr. Ia dapat dinyatakan sebagai:[8]
Terdapat maksimal dua elektron yang dapat diisi ke dalam orbital dengan urutan peningkatan energi orbital: orbital berenergi terendah diisi terlebih dahulu sebelum elektron diletakkan ke orbital berenergi lebih tinggi.

Urutan pengisian orbital-orbital atom mengikuti arah panah.
Asas ini bekerja dengan baik (untuk keadaan dasar atom-atom) untuk 18 unsur pertama; ia akan menjadi semakin kurang tepat untuk 100 unsur sisanya. Bentuk modern asas Aufbau menjelaskan urutan energi orbital berdasarkan kaidah Madelung, pertama kali dinyatakan oleh Erwin Madelung pada tahun 1936. [7] [9]
1. Orbital diisi dengan urutan peningkatan n+l;
2. Apabila terdapat dua orbital dengan nilai n+l yang sama, maka orbital yang pertama diisi adalah orbital dengan nilai n yang paling rendah.
Sehingga, menurut kaidah ini, urutan pengisian orbital adalah sebagai berikut:
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
Asas Aufbau dapat diterapkan, dalam bentuk yang dimodifikasi, ke proton dan neutron dalam inti atom.
4. 1. Tabel periodik
Bentuk tabel periodik berhubungan dekat dengan konfigurasi elektron atom unsur-unsur. Sebagai contoh, semua unsur golongan 2 memiliki konfigurasi elektron [E] ns2 (dengan [E] adalah konfigurasi gas inert), dan memiliki kemiripan dalam sifat-sifat kimia. Kelopak elektron terluar atom sering dirujuk sebagai "kelopak valensi" dan menentukan sifat-sifat kimia suatu unsur. Perlu diingat bahwa kemiripan dalam sifat-sifat kimia telah diketahui satu abad sebelumnya, sebelum pemikiran konfigurasi elektron ada.[10]
4. 2. Kelemahan asas Aufbau
Asas Aufbau begantung pada postulat dasar bahwa urutan energi orbital adalah tetap, baik untuk suatu unsur atau di antara unsur-unsur yang berbeda. Ia menganggap orbital-orbital atom sebagai "kotak-kotak" energi tetap yang mana dapat diletakkan dua elektron. Namun, energi elektron dalam orbital atom bergantung pada energi keseluruhan elektron dalam atom (atau ion, molekul, dsb). Tidak ada "penyelesaian satu elektron" untuk sebuah sistem dengan elektron lebih dari satu, sebaliknya yang ada hanya sekelompok penyelesaian banyak elektron, yang tidak dapat dihitung secara eksak[11] (walaupun terdapat pendekatan matematika yang dapat dilakukan, seperti metode Hartree-Fock).
4. 3. Ionisasi logam transisi
Aplikasi asas Aufbau yang terlalu dipaksakan kemudan menghasilkan paradoks dalam kimia logam transisi. Kalium dan kalsium muncul dalam tabel periodik sebelum logam transisi, dan memiliki konfigurasi elektron [Ar] 4s1 dan [Ar] 4s2 (orbital 4s diisi terlebih dahulu sebelum orbital 3d). Hal ini sesuai dengan kaidah Madelung, karena orbital 4s memiliki nilai n+l = 4 (n = 4, l = 0), sedangkan orbital 3d n+l = 5 (n = 3, l = 2). Namun kromium dan tembaga memiliki konfigurasi elektron [Ar] 3d5 4s1 dan [Ar] 3d10 4s1 (satu elektron melewati pengisian orbital 4s ke orbital 3d untuk menghasilkan subkelopak yang terisi setengah). Dalam kasus ini, penjelasan yang diberikan adalah "subkelopak yang terisi setengah ataupun terisi penuh adalah susunan elektron yang stabil".
Paradoks akan muncul ketika elektron dilepaskan dari atom logam transisi, membentuk ion. Elektron yang pertama kali diionisasikan bukan berasal dari orbital 3d, melainkan dari 4s. Hal yang sama juga terjadi ketika senyawa kimia terbentuk. Kromium heksakarbonil dapat dijelaskan sebagai atom kromium (bukan ion karena keadaan oksidasinya 0) yang dikelilingi enam ligan karbon monoksida; ia bersifat diamagnetik dan konfigurasi atom pusat kromium adalah 3d6, yang berarti bahwa orbital 4s pada atom bebas telah bepindah ke orbital 3d ketika bersenyawa. Pergantian elektron antara 4s dan 3d ini dapat ditemukan secara universal pada deret pertama logam-logam transisi.[12]
Fenomena ini akan menjadi paradoks hanya ketika diasumsikan bahwa energi orbital atom adalah tetap dan tidak dipengaruhi oleh keberadaan elektron pada orbital-orbital lainnya. Jika begitu, maka orbital 3d akan memiliki energi yang sama dengan orbital 3p, seperti pada hidrogen. Namun hal ini jelas-jelas tidak demikian.
4. 4. Pengecualian kaidah Madelung lainnya
Terdapat beberapa pengecualian kaidah Madelung lainnya untuk unsur-unsur yang lebih berat, dan akan semakin sulit untuk menggunakan penjelasan yang sederhana mengenai pengecualian ini. Adalah mungkin untuk memprediksikan kebanyakan pengecualian ini menggunakan perhitungan Hartree-Fock,[13] yang merupakan metode pendekatan dengan melibatkan efek elektron lainnya pada energi orbital. Untuk unsur-unsur yang lebih berat, diperlukan juga keterlibatan efek relativitas khusus terhadap energi orbital atom, karena elektron-elektron pada kelopak dalam bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Secara umun, efek-efek relativistik ini[14] cenderung menurunkan energi orbital s terhadap orbital atom lainnya.[15]



Periode 5 Periode 6 Periode 7
Unsur Z Konfigurasi elektron Unsur Z Konfigurasi elektron Unsur Z Konfigurasi elektron
Itrium 39 [Kr] 5s2 4d1
Lantanum 57 [Xe] 6s25d1
Serium 58 [Xe] 6s24f1 5d1
Praseodimium 59 [Xe] 6s2 4f3
Neodimium 60 [Xe] 6s2 4f4
Prometium 61 [Xe] 6s2 4f5
Samarium 62 [Xe] 6s2 4f6
Europium 63 [Xe] 6s2 4f7
Gadolinium 64 [Xe] 6s24f7 5d1
Terbium 65 [Xe] 6s2 4f9

Hafnium 72 [Xe] 6s2 4f14 5d2
Tantalum 73 [Xe] 6s2 4f14 5d3
Tungsten 74 [Xe] 6s2 4f14 5d4
Renium 75 [Xe] 6s2 4f14 5d5
Osmium 76 [Xe] 6s2 4f14 5d6
Iridium 77 [Xe] 6s2 4f14 5d7
Platinum 78 [Xe] 6s1 4f145d9
Emas 79 [Xe] 6s1 4f145d10
Raksa 80 [Xe] 6s2 4f14 5d10
Talium 81 [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p1

Aktinium 89 [Rn] 7s26d1
Torium 90 [Rn] 7s26d2
Protaktinium 91 [Rn] 7s25f2 6d1
Uranium 92 [Rn] 7s25f3 6d1
Neptunium 93 [Rn] 7s25f4 6d1
Plutonium 94 [Rn] 7s2 5f6
Amerisium 95 [Rn] 7s2 5f7
Kurium 96 [Rn] 7s25f7 6d1
Berkelium 97 [Rn] 7s2 5f9

Zirkonium 40 [Kr] 5s2 4d2
Niobium 41 [Kr] 5s1 4d4
Molibdenum 42 [Kr] 5s1 4d5
Teknesium 43 [Kr] 5s2 4d5
Rutenium 44 [Kr] 5s1 4d7
Rodium 45 [Kr] 5s1 4d8
Paladium 46 [Kr] 4d10
Perak 47 [Kr] 5s1 4d10
Kadmium 48 [Kr] 5s2 4d10
Indium 49 [Kr] 5s2 4d10 5p1