Elektronové konfigurace - článek

Buňky v našich tělech jsou mistry v kvantové fyzice - ví, jak na složitý taneček atomů a elektronů, a tuto znalost využívají k budování nekonečně komplexních řad signalizačních drah a genetických obvodů. Nám kvantová mechanika nejde ani zdaleka tak dobře, a proto musíme provádět pečlivé zápisy, abychom měli přehled o všech komplikovaných situacích, do kterých se elektrony v našich tělech dostávají.

Elektronové konfigurace jsou jednoduchý způsob, jak zapsat stavy všech elektronů v atomu. Jak víme, kladně nabité protony v jádru atomu mají tendenci přitahovat záporně nabité elektrony. Zatímco tyto elektrony se všechny drží v rámci atomu díky své přitažlivosti k protonům, zároveň se také navzájem odpuzují, a tak jsou rozprostřené kolem jádra. Vede to k utvoření krásných geometrických struktur, kterým říkáme orbitaly a které představují oblasti kolem jádra, ve kterých se každý elektron nejpravděpodobněji nachází. Elektrony mají tendenci držet se v rámci svých oddělených orbitalů a ne se nahrnout přes sebe, protože existuje tzv. Pauliho vylučovací princip, princip kvantové mechaniky, který říká, že žádné dva elektrony nikdy nemohou být na stejném místě. Pauliho vylučovací princip vychází nejen z toho, že se od sebe záporně nabité elektrony odpuzují, ale i ze základních fyzikálních zákonů, kterými se řídí subatomární částice.

Orbitaly jsou vlastně takové adresy každého elektronu. Představ si elektrony jako podnájemníky v bytových komplexech, které stojí blízko hezkého parku. Všechny elektrony chtějí žít blízko parku (jádra), všechny ale nemohou bydlet na tom stejném místě, prostě se tam nevejdou. Některé elektrony budou žít v bytech nejblíž k jádru, ale když je jich moc, některé z nich musí žít i dále od jádra, protože byty blízko jádra už jsou všechny obydlené jinými elektrony. Jedná se o tendenci, kterou známe z periodické tabulky - u prvků s nízkým atomovým číslem (a tedy menším množstvím elektronů) žije většina elektronů-podnájemníků v orbitalech blízko jádra. Když se ale v periodické tabulce posuneme k prvkům s vyšším atomovým číslem, orbitaly a energetické slupky, které jsou od jádra vzdálenější, se začnou elektrony zaplňovat také.

Chceme-li zjistit, kde určitý elektron v atomu bydlí, musíme vědět nejen to, jak daleko od jádra je (což je dáno energetickou hladinou, protože elektrony, které jsou od jádra dále mívají větší energii), ale také v jakém typu orbitalu ho najdeme. Představit si to můžeš tak, že potřebujeme vědět nejen ve kterém bytovém komplexu (energetické slupce) žije, ale potřebujeme také znát číslo bytu. Kdybychom si udělali nákres bytových komplexů, kde elektrony bydlí, a také bytů v nich, vypadalo by to nějak takto:

Všimni si, jak každý další bytový komplex (energetická slupka) má byty jako ten předchozí plus jeden další typ bytu (orbitalu) s ještě větším množstvím podnájemníků.

Chemici mají rádi přehled o tom, kde elektrony v atomu bydlí, a tak používají sérii symbolů, kterým říkáme elektronová konfigurace a která nám tuto informaci poskytuje. Jako příklad si tu uveďme elektronovou konfiguraci kyslíku:

Čísla v horním indexu nám říkají, kolik elektronů je v každém orbitalu, písmena označují orbitaly, které jsou k dispozici, a velká čísla znamenají energetickou hladinu orbitalů. Pamatuj si, že celkový počet elektronů se přesně rovná celkovému počtu protonů - čísla v horním indexu nám tedy dohromady musí dát 8 - atomové číslo kyslíku. Každá energetická hladina (panelový dům) má k dispozici až čtyři různé orbitaly (byty), počet elektronů, které v každém orbitalu sídlí, se však liší podle typu:

Pravidla pro určování toho, které elektrony budou ve kterých orbitalech, jsou ještě složitější, když se dostaneme ke spodní části periodické tabulky, protože tam vlivy kvantové mechaniky mohou elektrony pobízet k tomu, aby si zvolily byty dále od jádra i v případě, kdy jsou dostupná místa v bytech blíže k parku. Dvě hlavní tendence však zůstávají - elektrony chtějí bydlet blízko jádra a také chtějí plně obsadit byty.

Nejjednodušší způsob, jak přijít na elektronové konfigurace, je použít tabulku elektronové konfigurace, což je způsob zápisu různých orbitalů, které jsou elektronům k dispozici. Tato tabulka je jednoduchá na zapamatování a můžeme díky ní zjistit elektronovou konfiguraci u jakéhokoli prvku. Vypadá nějak takto:

Jak se taková tabulka používá? Nejdříve si ji nakreslíme, což je docela jednoduché - čísla řad odpovídají energetickým hladinám a sloupce zase odpovídají typům orbitalů. Jakmile si zapamatuješ a nakreslíš tabulku, stačí pokračovat podle šipky (odshora), dokud čísla v horním indexu dohromady nedají celkový počet elektronů v atomu. Pokud tedy například chceš zapsat elektronovou konfiguraci beryllia (4 elektrony), začneš odshora přes 1s a dojdeš k 2s. Součet čísel v horním indexu ti dá 4 a máš hotovo. Cestička, kterou přitom projdeš, ti prozradí správnou konfiguraci pro beryllium:

Možná sis všiml/a jedné super zajímavé věci - elektronové konfigurace dalších prvků (v periodické tabulky) se vlastně obsahují. Například elektronové konfigurace prvních čtyř prvků - vodíku, hélia, lithia a beryllia vypadají takto:

a tak dále u dalších prvků. Když chemici zapisují dlouhé elektronové konfigurace atomu s vysokým atomovým číslem (a tedy velkým množství elektronů), často zkracují první část, která odpovídá nejtěžšímu vzácnému plynu s nižším atomovým číslem, než má daný prvek. Například sodík vypadá takto:

což můžeme zkrátit na

[Ne] $3s^1$‍

protože elektronová konfigurace neonu je $1s^{2}2s^{2}2p^6$‍. Díky tomuto triku se mohou chemici vyhnout příliš dlouhým zápisům a navíc nás často zajímá právě jen nejvyšší energetická slupka prvku, která se účastní chemických reakcí.

Elektronová konfigurace uhlíku mu umožňuje utvářet širokou škálu molekul, které jsou potřeba pro zachování života. Jeho konfigurace vypadá nějak takto:

Vzpomeň si, že v orbitalu typu "p" může bydlet až šest elektronů a je tam tedy dost místa (4 volná), aby mohly elektrony atomů uhlíku sdílet orbitaly s elektrony jiných atomů. Díky tomu je uhlík velmi všestranný - může formovat stabilní vazby s širokou škálou atomů včetně vodíku, kyslíku a dalších atomů zásadních pro metabolické procesy. Uhlík tedy existuje v mnoha biochemických sloučeninách, ve zdrojích energie, ve strukturálních stavebních kamenech a esenciálních zažívacích enzymech. Tato jeho všestrannost znamená, že živý organismus může atomy uhlíku účinně "recyklovat" tak, že je převádí mezi různými sloučeninami a na různé účely.