Elektronu apvalks — definīcija, struktūra un elektronu konfigurācija

Elektronu apvalks ir atoma ārējā daļa ap atoma kodolu. Tajā atrodas elektroni, un tā ir atoma orbitāļu grupa ar vienādu galvenā kvantu n skaitļa vērtību. Katram apvalkam piemīt noteikta enerģija un pamata attālums no kodola — apvalku numerācija sākas ar n=1 (tuvākais kodolam) un turpinās uz āru: n=2, 3, 4 utt.

Čaulu un apakščaulu struktūra

Katrai elektronārajai čaulai var būt viena vai vairākas elektronu apakščaulas jeb apakšlīmeņi, kuri atbilst dažādām orbitāļu grupām. Apakšlīmeņu veidi atkarīgi no leņķiskā momenta kvantu skaitļa l:

s (l = 0) — viena orbitāle, maksimāli 2 elektroni;
p (l = 1) — trīs orbitāles, maksimāli 6 elektroni;
d (l = 2) — piecas orbitāles, maksimāli 10 elektroni;
f (l = 3) — septiņas orbitāles, maksimāli 14 elektroni.

Katru orbitāli raksturo magnitūdas kvantu skaitlis m_l, bet vienā orbitālē var atrasties ne vairāk kā divi elektroni ar pretējiem spin kvantu skaitļiem m_s (Pauli princips).

Elektronu skaits apvalkā

Maksimālais elektronu skaits, kas var atrasties apvalkā ar galveno kvantu skaitli n, ir vienāds ar 2 n 2 {\displaystyle 2n^{2}}. $2n^{2}$ Piemēram:

n = 1 (K-čaula): 2·1² = 2 elektroni;
n = 2 (L-čaula): 2·2² = 8 elektroni;
n = 3 (M-čaula): 2·3² = 18 elektroni.

Elektronu konfigurācija un pamatlikumi

Elektronu izvietojumu pa apvalkiem un apakščaulām apraksta elektronu konfigurācija. Konfigurāciju nosaka kvantu mehānikas principi un daži heuristiski noteikumi, ko izmanto ķīmijā un fizikā:

Aufbau princips: elektroni aizpilda orbitāles pēc enerģijas — zemākas enerģijas orbitāles tiek aizpildītas pirmās. Tā izrietošā secība (aptuveni): 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p utt.;
Pauli princips: vienā orbitālē var atrasties ne vairāk kā divi elektroni ar pretējiem spin kvantiem;
Hundas likums: apakšlīmeņa orbitāles vienā enerģijas līmenī vispirms tiek viennozīmīgi apdzīvotas ar vienādiem spin, pirms notiek spina pārošanās.

Piemēri

Daži tipiski konfigurāciju piemēri:

Ogļskābe (C), Z = 6: 1s2 2s2 2p2 — divi elektroni 1. apvalkā, četri ārējā (valences) apvalkā;
Nātrijs (Na), Z = 11: 1s2 2s2 2p6 3s1 — viens valentais elektrons apvalkā n = 3;
Argons (Ar), Z = 18 (pilns apvalku komplekts): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 — stabila pilna apvalku konfigurācija.

Saikne ar Bohru modeli un kvantu mehāniku

Termins "čaula" cēlies no Bora modeļa, kurā elektroni it kā riņķoja ap kodolu noteiktās trajektorijās («čaulās»). Mūsdienu kvantu mehānika labāk apraksta elektronu kā viļņu-funkcijas un orbitāles — reģionus ar lielāku varbūtību atrast elektronu — nevis stingri noteiktas klasiska tipa orbītas. Tomēr čaulu ideja joprojām ir ērts un praktisks veids klasificēt un saprast elektronu izvietojumu atomā.

Ķīmiskā nozīme

Elektronu apvalki un īpaši ārējais (valences) apvalks nosaka elementu ķīmiskās īpašības — ķīmiskos saites veidus, oksidācijas stāvokļus un reakciju spējas. Apvalku aizpildījums ietekmē arī jonizācijas enerģiju, elektronegativitāti, aizsargājošu (screening) un efektīvo nukleāro lādējumu, kas ietekmē elektronu saistību ar kodolu.

Jāņem vērā

Praktiskos aprēķinos bieži lieto īsinājumus (piem., "nātrijs: [Ne] 3s1" — ar neona konfigurāciju kā kodolu).
Dažiem elementiem (īpaši pārejas metāliem un aktinoīdiem) konfigurācijas var atšķirties no vienkāršās Aufbau secības, jo enerģijas starp apakšlīmeņiem ir ļoti tuvas.

Apkopojot — elektronu apvalks ir pamatjēdziens, kas savieno atomu kvantu mehānisko uzbūvi ar ķīmisko uzvedību: tas ietver galvenā kvantu skaitļa noteikto enerģijas līmeni, apakšlīmeņus (s, p, d, f), orbitāles un to aizpildīšanas noteikumus, kā arī praktiskas sekas atomu īpašībām un ķīmiskajām reakcijām.

Nātrija elektronu apvalka modeļa piemērs, kuram ir trīs apvalki

Valences apvalks

Valences apvalks ir atoma ārējais apvalks tā nesavienotā stāvoklī, kurā ir elektroni, kas visdrīzāk nosaka reakciju, kurās piedalās atoms, un saišu mijiedarbību ar citiem atomiem. Jāņem vērā, ka jona ārējo apvalku parasti nesauc par valences apvalku. Valences čaulā esošos elektronus sauc par valences elektroniem.

Cēlgāzes atoma ārējā čaulā parasti ir 8 elektroni (izņemot hēliju, kura ārējā čaulā ir tikai 2 elektroni). Tas kalpo par paraugu okteta noteikumam, kas lielākoties attiecas uz otrās un trešās grupas otrās un trešās kārtas galvenās grupas elementiem. Runājot par atomu orbitālēm, elektroni valences čaulā ir sadalīti pa diviem vienā s orbitālē un pa diviem trijās p orbitālēs.

Koordinācijas kompleksiem, kas satur pārejas metālus, valences apvalks sastāv no elektroniem šajās s un p orbitālēs, kā arī līdz 10 papildu elektroniem, kas sadalīti pa diviem katrā no piecām d orbitālēm, kopā veidojot 18 elektronus pilnā šāda savienojuma valences apvalkā. To sauc par astoņpadsmit elektronu noteikumu.

Iespējamais elektronu skaits čaulās 1-5
Shell	Elektroni
1	2
2	8
3	18
4	32
5	32
6	18
7	8

Apakškvartāli

Elektronu apakšapvalkus apzīmē ar burtiem s, p, d, f, g, h, i utt., kas atbilst azimutālajiem kvantu skaitļiem (l-vērtībām) 0, 1, 2, 2, 3, 4, 5, 6 utt. Katrā čaulā var būt attiecīgi līdz 2, 6, 10, 14 un 18 elektroniem jeb 2(2l + 1) elektronu katrā apakšcaurulā. Apzīmējumi "s", "p", "d" un "f" ir radušies no tagad jau diskreditētas sistēmas, kurā spektrālās līnijas iedalīja "asās", "galvenās", "izkliedētās" vai "fundamentālās", pamatojoties uz to novēroto smalko struktūru. Kad tika aprakstīti pirmie četri orbitāļu tipi, tie tika saistīti ar šiem spektrālo līniju tipiem, bet citu nosaukumu nebija. Apzīmējumi "g", "h" un tml. tika iegūti alfabētiskā secībā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir elektronu apvalks?

A: Elektronu apvalks jeb galvenais enerģijas līmenis ir atoma daļa, kurā atrodas elektroni, kas riņķo ap atoma kodolu.

J: Cik daudz elektronu var atrasties kādā čaulā?

A: Elektronu skaits, kas var atrasties kādā čaulā, ir vienāds ar 2n2.

J: Ko Bora modelis saka par elektroniem?

A: Bora modelis nosaka, ka elektroni riņķo ap kodolu noteiktos attālumos tā, ka to orbītas veido "čaulas".

J: Kurš lietoja šo terminu?

A: Šo terminu lietoja Nilss Henriks Dāvids Bors.

J: Kas veido atoma elektronu konfigurāciju?

A: Atoma elektronu konfigurāciju veido elektronu čaulas.

Vai visi atomi sastāv no viena vai vairākiem elektronu apvalkiem?

A: Jā, visiem atomiem ir viens vai vairāki elektronu apvalki.

J: Vai visās elektronu čaulās ir atšķirīgs elektronu skaits?

A: Jā, visās elektronu čaulās ir dažāds elektronu skaits.