Leerdoel
- De elektronenconfiguratie voor elementen en ionen bepalen, waarbij het verband tussen elektronenschillen en subschillen wordt aangegeven.
Kernpunten
- Als de energie van een atoom wordt verhoogd, raakt een elektron in het atoom geëxciteerd. Om terug te keren naar zijn grondtoestand, geeft het elektron energie af. De energie van het licht dat vrijkomt wanneer een elektron in energieniveau daalt, is gelijk aan het energieverschil tussen de twee niveaus.
- Eenvoudig beschouwd zijn elektronen gerangschikt in schillen rond de kern van een atoom. Elektronen die zich het dichtst bij de kern bevinden, hebben de laagste energie. Elektronen verder weg van de kern hebben een hogere energie. De elektronenschil van een atoom kan 2n2 elektronen bevatten (waarbij n het schaalniveau is).
- In een realistischer model bewegen elektronen in atomaire orbitalen, of subschillen. Er zijn vier verschillende orbitaalvormen: s, p, d en f. Binnen elke schil heeft de s-subschil een lagere energie dan de p. Een orbitaaldiagram wordt gebruikt om de elektronenconfiguratie van een atoom te bepalen.
- Er zijn richtlijnen voor het bepalen van de elektronenconfiguratie van een atoom. Een elektron beweegt naar de orbitaal met de laagste energie. Elke orbitaal kan slechts één elektronenpaar bevatten. Elektronen zullen zich binnen een schil zoveel mogelijk van elkaar scheiden.
Termen
- quantiseringHet proces van het benaderen van een continu signaal door een reeks discrete symbolen of gehele getallen.
- frequentieHet aantal keren dat een zich herhalende gebeurtenis per tijdseenheid voorkomt.
Energie van elektronen in atoombanen
De centrale structuur van een atoom is de kern, die protonen en neutronen bevat. Deze kern is omgeven door elektronen. Hoewel deze elektronen allemaal dezelfde lading en dezelfde massa hebben, heeft elk elektron in een atoom een verschillende hoeveelheid energie. Elektronen met de laagste energie bevinden zich het dichtst bij de atoomkern, waar de aantrekkingskracht van de positief geladen atoomkern het grootst is. Elektronen met een hogere energie bevinden zich verder weg.
Energiekwantisering
Wanneer de energie van een atoom wordt verhoogd (bijvoorbeeld wanneer een stof wordt verhit), wordt de energie van de elektronen binnen het atoom ook verhoogd – dat wil zeggen dat de elektronen worden aangeslagen. Om het aangeslagen elektron terug te brengen naar zijn oorspronkelijke energie, of grondtoestand, moet het energie afgeven. Eén manier waarop een elektron energie kan afgeven is door licht uit te zenden. Elk element zendt bij verhitting licht uit met een specifieke frequentie (of kleur) die overeenkomt met de energie van de elektronische excitatie.
Het is nuttig om dit te zien als het beklimmen van een traptrede. Als u uw voet niet genoeg optilt, stoot u tegen de trede en blijft u op de begane grond steken. Je moet je voet optillen tot de hoogte van de trede om verder te kunnen. Hetzelfde geldt voor elektronen en de hoeveelheid energie die ze kunnen hebben. Dit opsplitsen van elektronen in energie-eenheden wordt kwantisering van energie genoemd, omdat er slechts bepaalde hoeveelheden energie zijn die een elektron in een atoom kan hebben. De energie van het licht dat vrijkomt wanneer een elektron van een hoger energieniveau naar een lager energieniveau daalt, is gelijk aan het verschil in energie tussen de twee niveaus.
Elektronschillen
We beginnen met een zeer eenvoudige manier om de rangschikking van elektronen rond een atoom te laten zien. Hier zijn de elektronen gerangschikt in energieniveaus, of schillen, rond de kern van een atoom. Elektronen die zich in het eerste energieniveau (energieniveau 1) bevinden, bevinden zich het dichtst bij de kern en hebben de laagste energie. Elektronen die verder van de kern verwijderd zijn, hebben een hogere energie. De elektronenschil van een atoom kan 2n2 elektronen huisvesten, waarbij n het energieniveau is. Bijvoorbeeld, de eerste schil kan 2 x (1)2 of 2 elektronen bevatten. De tweede schil kan 2 x (2)2, of 8, elektronen bevatten.
Als voorbeeld heeft fluor (F) een atoomnummer van 9, wat betekent dat een neutraal fluoratoom 9 elektronen heeft. De eerste 2 elektronen bevinden zich in het eerste energieniveau, en de overige 7 in het tweede energieniveau.
Atomaire banen
Weliswaar kunnen elektronen eenvoudig worden voorgesteld als ringen die om de atoomkern cirkelen, maar in werkelijkheid bewegen de elektronen langs veel gecompliceerdere paden. Deze paden worden atomaire banen genoemd, of subschillen. Er zijn verschillende vormen van banen – s, p, d en f – maar we zullen ons nu vooral richten op de s- en p-banen. Het eerste energieniveau bevat slechts één s-baan, het tweede energieniveau bevat één s-baan en drie p-banen, en het derde energieniveau bevat één s-baan, drie p-banen en vijf d-banen. Binnen elk energieniveau heeft de s-baan een lagere energie dan de p-banen.
Een orbitaaldiagram helpt bij het bepalen van de elektronenconfiguratie van een element. De elektronenconfiguratie van een element is de rangschikking van de elektronen in de schillen. Er zijn een paar richtlijnen voor het uitwerken van deze configuratie:
- Elke orbit kan slechts twee elektronen bevatten. Elektronen die samen in een orbitaal voorkomen, worden een elektronenpaar genoemd.
- Een elektron zal altijd proberen in de orbitaal met de laagste energie te komen.
- Een elektron kan in zijn eentje een orbitaal bezetten, maar het zal liever met een ander elektron een orbitaal met een lagere energie bezetten, dan een orbitaal met een hogere energie te bezetten. Met andere woorden, binnen één energieniveau zullen elektronen eerst een s-baan vullen alvorens p-banen te gaan vullen.
- De s-subschil kan 2 elektronen bevatten.
- De p-subschil kan 6 elektronen bevatten.
Elektronenconfiguraties kunnen worden gebruikt om chemische eigenschappen in zowel de anorganische als de organische chemie te rationaliseren. Het wordt ook gebruikt om atoomspectra te interpreteren, de methode die wordt gebruikt om de energie van licht te meten dat door elementen en verbindingen wordt uitgezonden.