Spiega perché il sottoguscio 4s è riempito prima del 3d ma nella ionizzazione l'elettrone 4s viene rimosso per primo?

Quando confrontiamo la stabilità degli orbitali s, p, d e f, gli elettroni generalmente occupano prima gli orbitali a più bassa energia. Come seconda regola, gli elettroni che occupano orbitali più lontani dal nucleo saranno schermati dagli elettroni più vicini al nucleo (le cariche simili si respingono). Senza entrare troppo nella meccanica quantistica dietro a questo, gli elettroni nell'orbitale s hanno la capacità di penetrare molto più lontano verso il nucleo. Gli orbitali p possono anche fare questo, ma non nella stessa misura.

Anche se stai guardando gli orbitali s a guscio più alto come 4s e 5s, penetrano ancora verso il nucleo. Poiché i tuoi elettroni passano più tempo in prossimità dei protoni, questo abbassa l'energia degli orbitali s; questo è il motivo per cui le prime due colonne della tavola periodica riempiono gli orbitali s prima degli orbitali d. La penetrazione degli orbitali s significa che gli elettroni preferirebbero occupare gli orbitali 4s nel potassio e nel calcio prima di occupare gli orbitali 3d.

Ma una volta che gli orbitali 4s sono riempiti, gli elettroni non hanno altro posto dove andare, poiché gli orbitali sono limitati a una coppia di elettroni. Una volta che questo accade, i vostri elettroni non hanno altra scelta che popolare gli orbitali 3d e qui vedete l'effetto opposto; anche con la stabilità energetica fornita dalla penetrazione dell'orbitale s, il vostro orbitale 4s passa ancora del tempo più lontano dal nucleo rispetto al vostro orbitale 3d. La schermatura da parte degli elettroni 3d rende l'orbitale 4s più favorevole alla ionizzazione.

Versione breve: i tuoi elettroni dell'orbitale s sono contemporaneamente più vicini al nucleo (più stabili) e più lontani dal nucleo (meno stabili) rispetto agli orbitali d corrispondenti. Questo li rende favorevoli ad occupare quando non sono presenti elettroni d, ma meno favorevoli ad occupare quando sono presenti elettroni d, ed è per questo che si riempiono prima ma si ionizzano prima.