Konfiguracja elektronowa i elektrony walencyjne

Po co zapisywać, gdzie są elektrony

Wiemy już, że o zachowaniu atomu decydują elektrony z warstwy zewnętrznej. Żeby wiedzieć, ile ich jest, trzeba najpierw rozmieścić wszystkie elektrony atomu po kolei.

Taki opis — który elektron gdzie siedzi — nazywamy konfiguracją elektronową. Brzmi groźnie, ale dla pierwszych dwudziestu pierwiastków sprowadza się do wypełniania trzech lub czterech „półek” według prostej zasady.

Powłoki i ile się na nich mieści

Elektrony rozmieszczone są na powłokach — warstwach oddalonych od jądra. Oznaczamy je literami, licząc od środka: K, L, M, N.

Każda powłoka ma ograniczoną pojemność:

Powłoka Numer Ile elektronów mieści
K 1 2
L 2 8
M 3 18 (ale patrz uwaga poniżej)
N 4 32

Uwaga, która rozwiązuje 90% problemów z tym tematem. Dla pierwiastków do Z = 20 powłoka M zatrzymuje się na ośmiu elektronach. Gdy jest ich osiem, kolejne elektrony idą już na powłokę N, a dopiero później wracają, żeby dopełnić M do osiemnastu. Dlatego potas ma konfigurację 2, 8, 8, 1, a nie 2, 8, 9.

Zapamiętaj więc prosty ciąg pojemności dla pierwszych dwudziestu pierwiastków:

K = 2 · L = 8 · M = 8 · N = reszta

Jak zapisać konfigurację w trzech krokach

Krok 1. Odczytaj z układu okresowego liczbę atomową Z. W atomie obojętnym tyle właśnie jest elektronów do rozmieszczenia.

Krok 2. Rozdaj elektrony po kolei: najpierw zapełnij K (2), potem L (8), potem M (8), resztę na N.

Krok 3. Sprawdź, czy suma zgadza się z Z.

Przykład — siarka, Z = 16. Mamy 16 elektronów. Na K idą 2, zostaje 14. Na L idzie 8, zostaje 6. Te 6 trafia na M. Zapis: 2, 8, 6. Sprawdzenie: 2 + 8 + 6 = 16. Zgadza się.

Konfiguracje wszystkich pierwiastków do Z = 20

Z Symbol Nazwa Konfiguracja Elektrony walencyjne Okres Grupa
1 H wodór 1 1 1 1
2 He hel 2 2 1 18
3 Li lit 2, 1 1 2 1
4 Be beryl 2, 2 2 2 2
5 B bor 2, 3 3 2 13
6 C węgiel 2, 4 4 2 14
7 N azot 2, 5 5 2 15
8 O tlen 2, 6 6 2 16
9 F fluor 2, 7 7 2 17
10 Ne neon 2, 8 8 2 18
11 Na sód 2, 8, 1 1 3 1
12 Mg magnez 2, 8, 2 2 3 2
13 Al glin 2, 8, 3 3 3 13
14 Si krzem 2, 8, 4 4 3 14
15 P fosfor 2, 8, 5 5 3 15
16 S siarka 2, 8, 6 6 3 16
17 Cl chlor 2, 8, 7 7 3 17
18 Ar argon 2, 8, 8 8 3 18
19 K potas 2, 8, 8, 1 1 4 1
20 Ca wapń 2, 8, 8, 2 2 4 2

Popatrz na tę tabelę przez chwilę, bo widać w niej dwie rzeczy naraz.

Liczba cyfr w zapisie = numer okresu. Sód ma trzy cyfry (2, 8, 1) i stoi w trzecim okresie.

Ostatnia cyfra = liczba elektronów walencyjnych = numer grupy (dla grup 13–18 pomniejszony o 10). Chlor ma na końcu 7 i stoi w grupie 17.

To znaczy, że konfiguracji do Z = 20 nie trzeba uczyć się na pamięć — wystarczy odczytać ją z położenia pierwiastka w tabeli.

Elektrony walencyjne

Elektrony walencyjne to elektrony na ostatniej, zewnętrznej powłoce.

To one biorą udział w tworzeniu wiązań. Elektrony z powłok wewnętrznych są „schowane” i w reakcjach nie uczestniczą.

Dlatego pierwiastki z tej samej kolumny zachowują się podobnie: mają tyle samo elektronów walencyjnych. Lit (2, 1), sód (2, 8, 1) i potas (2, 8, 8, 1) mają po jednym — i wszystkie trzy reagują z wodą w ten sam gwałtowny sposób.

Reguła oktetu — dlaczego atomy w ogóle reagują

Spójrz w tabeli na gazy szlachetne: neon ma 8 elektronów walencyjnych, argon też. Taki komplet ośmiu jest wyjątkowo trwały — i dlatego te pierwiastki z niczym nie reagują.

Pozostałe atomy „dążą” do takiego samego kompletu. Nazywamy to regułą oktetu. Są dwie drogi:

Atomy z 1, 2 lub 3 elektronami walencyjnymi (metale) oddają je. Sodowi łatwiej pozbyć się jednego elektronu niż zdobyć siedem.

Atomy z 6 lub 7 elektronami walencyjnymi (niemetale) przyjmują brakujące. Chlorowi brakuje jednego do ósemki, więc go przyjmuje.

Atom, który oddał lub przyjął elektrony, przestaje być obojętny — staje się jonem:

Atom Konfiguracja atomu Co robi Jon Konfiguracja jonu
Na 2, 8, 1 oddaje 1 elektron Na⁺ 2, 8
Mg 2, 8, 2 oddaje 2 elektrony Mg²⁺ 2, 8
O 2, 6 przyjmuje 2 elektrony O²⁻ 2, 8
Cl 2, 8, 7 przyjmuje 1 elektron Cl⁻ 2, 8, 8

Zwróć uwagę: liczba protonów się nie zmienia — sód pozostaje sodem. Zmienia się tylko liczba elektronów, a przez to ładunek.

Zapis podpowłokowy — dla chętnych

W podręcznikach spotkasz też dokładniejszy zapis, w którym powłoki dzielą się na podpowłoki oznaczane literami s i p (dalej jeszcze d i f). Na podpowłoce s mieszczą się 2 elektrony, na p — 6.

Kolejność zapełniania: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d…

Pierwiastek Zapis powłokowy Zapis podpowłokowy
Sód (Z = 11) 2, 8, 1 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
Siarka (Z = 16) 2, 8, 6 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴
Wapń (Z = 20) 2, 8, 8, 2 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

Zauważ, że 4s zapełnia się przed 3d. To właśnie dlatego powłoka M zatrzymuje się na ośmiu elektronach, a potas i wapń zaczynają już czwartą powłokę.

Przykłady rozwiązane krok po kroku

Przykład 1 — konfiguracja potasu

Zapisz konfigurację elektronową potasu (Z = 19).

19 elektronów. Na K: 2, zostaje 17. Na L: 8, zostaje 9. Na M: 8 (nie więcej — patrz uwaga wyżej), zostaje 1. Ten ostatni idzie na N.

Odpowiedź: 2, 8, 8, 1. Sprawdzenie: 2 + 8 + 8 + 1 = 19.

Przykład 2 — rozpoznanie pierwiastka

Atom ma konfigurację 2, 8, 3. Jaki to pierwiastek? W którym okresie i grupie leży?

Sumujemy elektrony: 2 + 8 + 3 = 13, czyli Z = 13 — to glin (Al). Zapis ma trzy cyfry, więc 3. okres. Ostatnia cyfra to 3, więc grupa 13.

Przykład 3 — elektrony walencyjne bez liczenia

Ile elektronów walencyjnych ma fosfor?

Fosfor stoi w grupie 15, a dla grup 13–18 odejmujemy 10: 15 − 10 = 5 elektronów walencyjnych. Nie trzeba nic rozpisywać.

Przykład 4 — jon

Ile elektronów ma jon Ca²⁺ i jaka jest jego konfiguracja?

Atom wapnia ma 20 elektronów (2, 8, 8, 2). Znak 2+ oznacza, że atom oddał dwa elektrony, więc zostało ich 18.

Konfiguracja jonu: 2, 8, 8 — taka sama jak argonu. Protonów nadal jest 20, więc to wciąż wapń.

Trzy najczęstsze błędy

Wciskanie 18 elektronów na powłokę M. Dla potasu i wapnia M zatrzymuje się na ośmiu. Potas to 2, 8, 8, 1 — nigdy 2, 8, 9.

Mylenie liczby powłok z liczbą elektronów walencyjnych. Liczba powłok to liczba cyfr w zapisie (numer okresu). Elektrony walencyjne to ostatnia cyfra (numer grupy).

Zapominanie, że jon ma inną liczbę elektronów niż atom. Znak + oznacza elektrony oddane, znak − przyjęte. Liczba protonów zostaje bez zmian.

Sprawdź się

  1. Zapisz konfigurację elektronową krzemu (Z = 14).
  2. Atom ma konfigurację 2, 8, 8, 2. Jaki to pierwiastek?
  3. Ile elektronów walencyjnych ma tlen? Odpowiedz, korzystając z numeru grupy.
  4. Ile elektronów ma jon Cl⁻ i jaka jest jego konfiguracja?

Rozwiązania. (1) 2, 8, 4 — suma 14. (2) Suma elektronów to 20, czyli wapń (Ca). (3) Tlen stoi w grupie 16, więc 16 − 10 = 6 elektronów walencyjnych. (4) Atom chloru ma 17 elektronów; znak minus oznacza przyjęcie jednego, więc jon ma 18 elektronów o konfiguracji 2, 8, 8 — takiej jak argon.

Do zapamiętania

  • Konfiguracja elektronowa mówi, ile elektronów siedzi na kolejnych powłokach K, L, M, N.
  • Do Z = 20 obowiązuje ciąg: K = 2, L = 8, M = 8, reszta na N.
  • Liczba cyfr w zapisie = numer okresu; ostatnia cyfra = liczba elektronów walencyjnych.
  • Elektrony walencyjne decydują o właściwościach chemicznych — dlatego pierwiastki z jednej grupy zachowują się podobnie.
  • Atomy dążą do ośmiu elektronów walencyjnych: metale je oddają, niemetale przyjmują, a powstają wtedy jony.