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
- Zapisz konfigurację elektronową krzemu (Z = 14).
- Atom ma konfigurację 2, 8, 8, 2. Jaki to pierwiastek?
- Ile elektronów walencyjnych ma tlen? Odpowiedz, korzystając z numeru grupy.
- 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.