Hlavní obsah

Obecná chemie

Kurz: Obecná chemie > Kapitola 3

Lekce 4: Elektronový obal a elektronová konfigurace

Periodická tabulka prvků, elektronové slupky a orbitaly

Úvod

Možná už znáš písničku s názvem “The Elements,” ve které Tom Lehrer v rychlém sledu hudebně představuje názvy všech prvků. Možná jsi i v hodině chemie dostal nějaké extra body za naučení se této písničky nazpaměť. Pokud tomu tak bylo, tak si možná stále pamatuješ názvy všech prvků, což je působivý výkon—a také fajn výstup na večírek.

Pokud již znáš názvy všech prvků nazpaměť, znamená to, že už nebudeš potřebovat periodickou tabulku prvků? To asi ne. Je to z toho důvodu, že periodická tabulka není jako nádoba, která by obsahovala všechny názvy prvků bez ladu a skladu. Je to spíše takový organizér. Umístění každého prvku v tabulce nám poskytuje důležitou informaci o jeho struktuře, vlastnostech a chování v chemických reakcích. Konkrétně třeba umístění prvku v periodické tabulce nám pomáhá určit jeho elektronovou konfiguraci, tedy jak jsou jeho elektrony uspořádány v okolí jádra. Atomy potřebují elektrony pro chemické reakce, takže znalost elektronové konfigurace prvku nám umožňuje předpovědět jeho reaktivitu—tedy zda a jak bude interagovat s atomy jiných prvků.

V tomto článku se zblízka podíváme na periodickou tabulku a také na to, jak jsou elektrony v atomech uspořádány a jak nám jejich uspořádání umožňuje předpovídat reaktivitu jednotlivých prvků.

Periodická tabulka

Prvky v periodické tabulce jsou uspořádány podle určité struktury, která zachycuje důležité vzorce v jejich chování. Tato struktura byla v roce 1869 navržena ruským chemikem Dmitrijem Mendělejevem (1834–1907). V tabulce jsou prvky seřazeny do sloupců—skupin—a řádků—period—, které sdílejí určité vlastnosti. Tyto vlastnosti stanovují fyzikální skupenství prvku při pokojové teplotě—plyn, pevná látka nebo kapalina—stejně jako jejich chemickou reaktivitu, tedy schopnost vytvářet chemické vazby s ostatními atomy.

Periodická tabulka prvků neobsahuje pouze atomové (protonové) číslo každého prvku, ale také jeho relativní atomovou hmotnost, tedy vážený průměr hmotnosti jeho izotopů, které se přirozeně na Zemi vyskytují. Podívejme se například na vodík. Vidíme zde jeho značku

H,

a jeho název stejně jako jeho atomové číslo jedna—v pravém dolním rohu—a jeho relativní atomovou hmotnost 1,01.

Rozdíly v chemické reaktivitě prvků závisí na počtu a prostorovém rozmístění jejich elektronů. Pokud mají dva atomy navzájem se doplňující uspořádání elektronů, tak spolu mohou reagovat a vytvořit chemickou vazbu za vzniku molekuly nebo sloučeniny. Jak uvidíme níže, v periodické tabulce jsou prvky uspořádány tak, aby to odráželo počet a uspořádání jejich elektronů, což se hodí pro předpovídání reaktivity prvků: jak snadno a s jakými dalšími prvky vytvoří chemickou vazbu.

Elektronové slupky a Bohrův model

Raný model atomu byl v roce 1913 navržen dánským vědcem Nielsem Bohrem (1885–1962). Bohrův model atomu uprostřed zahrnoval jádro, které obsahovalo protony a neutrony. Elektrony byly v kruhovitých elektronových slupkách ve specifických vzdálenostech od jádra podobně jako planety na oběžných drahách kolem Slunce. Každá elektronová slupka má jinou hladinu energie, přičemž slupky nejblíže jádru mají nižší hladinu energie než slupky vzdálenější. Dohodou je každé slupce přiděleno číslo a znak n- například slupka nejblíže jádru se nazývá 1n. Aby elektrony mohly mezi slupkami přecházet, tak musí přijmout nebo odevzdat množství energie, které přesně odpovídá rozdílu mezi dvěma hladinami. Například, pokud elektron přijme energii od fotonu, tak dojde k jeho vybuzení (excitaci) a přejde do slupky s vyšší energií. Naopak, když se excitovaný elektron vrátí zpět do slupky s nižší energií, tak dojde k uvolnění energie často ve formě tepla.

Atomy podobně jako ostatní objekty, které se řídí zákony fyziky, mají tendenci zaujímat uspořádání s nejmenší energií, tedy nejstabilnější možnou konfiguraci. Tudíž jsou elektronové slupky atomu obsazovány zevnitř ven. Dochází tedy k tomu, že elektrony nejprve zaplňují nízkoenergetické slupky blíže jádru a teprve poté vysokoenergetické slupky dále od jádra. Slupka nejblíže jádru (1n) pojme dva elektrony, následující slupka (2n) pojme osm elektronů a třetí slupka (3n) pojme až 18 elektronů.

Počet elektronů ve slupce nejdále od jádra určuje reaktivitu atomu neboli sklon k vytváření vazeb s ostatními atomy. Tato slupka nejdále od jádra se nazývá valenční slupka a elektrony, které se v ní nacházejí, se nazývají valenční elektrony. Obecně se dá říci, že atomy jsou nejvíce stabilní, tedy nejméně reaktivní, když je jejich valenční slupka zcela zaplněná elektrony. Většina prvků, které jsou důležité v biologii, potřebuje pro svou stabilitu osm elektronů ve své valenční slupce. Toto pravidlo je známé také jako oktetové pravidlo. Některé atomy mohou být takto stabilní s osmi elektrony ve valenční slupce, ačkoliv je jejich valenční slupkou slupka 3n, která pojme až 18 elektronů. Na důvod, proč tomu tak je, se podíváme níže, když se budeme zabývat elektronovými orbitaly.

Příklady některých neutrálních atomů a jejich elektronových konfigurací jsou ukázány níže. V této tabulce vidíme, že helium má zcela zaplněnou valenční slupku, tedy dva elektrony v své první a jediné slupce 1n. Podobně je tomu u neonu, který má osm elektronů v jeho valenční slupce 2n. Tyto elektronové konfigurace jsou zodpovědné za to, že helium a neon jsou velmi stabilní. Ačkoliv argon nemá zaplněnou valenční slupku, neboť slupka 3n může pojmout až osmnáct elektronů, tak je argon stejně jako neon a helium stabilní, neboť má ve valenční slupce osm elektronů, a tím pádem splňuje oktetové pravidlo. Naopak chlor má ve své valenční slupce pouze sedm elektronů a sodík jen jeden. To znamená, že chlor ani sodík nemají zcela zaplněnou valenční slupku a ani nesplňují oktetové pravidlo, a tudíž dychtivě touží po tom, aby přijaly nebo ztratily elektrony, a dosáhly tak stabilnější konfigurace.

Elektronová konfigurace a periodická tabulka

V periodické tabulce jsou prvky rozmístěné podle svého atomového čísla, tedy podle toho, kolik mají protonů. V neutrálním atomu je počet protonů stejný jako počet elektronů, a proto počet elektronů můžeme snadno určit z atomového čísla. Navíc pozice prvku v periodické tabulce—sloupec, skupina, řádek nebo perioda—poskytují užitečné informace o uspořádání elektronů ve slupkách.

Pokud bychom se v tabulce zabývali pouze jejími prvními třemi řádky, které obsahují hlavní prvky důležité pro život, tak každá řádka odpovídá zaplnění jedné elektronové slupky: helium a vodík mají elektrony ve slupce 1n, prvky v druhé řádce jako Li mají elektrony i ve slupce 2n a prvky ve třetí řádce jako Na umisťují elektrony i do slupky 3n. Obdobně nám sloupec, ve kterém se prvek nachází, dává informaci o počtu valenčních elektronů, a tudíž reaktivitě prvku. Obecně platí, že počet valenčních elektronů je stejný jako číslo sloupce a roste v rámci řádku zleva doprava. Prvky skupiny 1 mají jeden valenční elektron a prvky skupiny 18 mají osm valenčních elektronů až na helium, které má celkem pouze dva elektrony. Tudíž, číslo skupiny je dobrým ukazatelem toho, jak reaktivní prvek bude:

Helium ( $He$ ‍), neon ( $Ne$ ‍) a argon ( $Ar$ ‍) jsou prvky skupiny 18 a mají tedy zcela zaplněnou valenční slupku nebo alespoň splňují oktetové pravidlo. Z tohoto důvodu jsou velmi stabilní i jako osamocené atomy. Jelikož nejsou reaktivní, tak se nazývají inertní plyny nebo také vzácné plyny.
Vodík ( $H$ ‍), lithium ( $Li$ ‍) a sodík ( $Na$ ‍) mají jako prvky skupiny 1 ve své valenční slupce pouze jeden elektron. Jsou tedy nestabilní jako samostatné atomy, ale pokud o svůj valenční atom přijdou nebo ho sdílí, tak se stávají stabilními. Pokud tyto prvky ztratí elektron—jako se to děje typicky u $Li$ ‍ a $Na$ ‍—tak se z nich stanou kladně nabité ionty: ${Li}^{+}$ ‍ a ${Na}^{+}$ ‍.
Fluor ( $F$ ‍) a chlor ( $Cl$ ‍) jsou prvky skupiny 17 a mají tedy ve své valenční slupce sedm elektronů. Přijmutím elektronu od jiných atomů dosahují stabilního oktetu a stávají se záporně nabitými ionty: $F^{-}$ ‍ a ${Cl}^{-}$ ‍.
Uhlík ( $C$ ‍) je prvek skupiny 14 a má tedy ve své valenční slupce 4 elektrony. Uhlík tyto elektrony typicky sdílí, a tím získává plnou valenční slupku a zároveň vytváří vazby s dalšími atomy.

Sloupce periodické tabulky tedy udávají počet elektronů nacházejících se ve valenční slupce daného elektronu, což určuje, jak bude daný prvek reaktivní.

Podslupky a orbitaly

Bohrův model je užitečný pro vysvětlení reaktivity a chemických vazeb mnoha prvků, ale ve skutečnosti nám neposkytuje příliš přesný popis toho, jak jsou elektrony v prostoru kolem jádra rozloženy. Konkrétně elektrony neobíhají kolem jádra po kružnici, ale spíše se povětšinou zdržují v někdy celkem složitě tvarovaných oblastech prostoru v okolí jádra. Tyto oblasti nazýváme elektronové orbitaly. Ve skutečnosti nemůžeme říct, kde přesně se bude elektron v určité chvíli nacházet, ale můžeme matematicky určit objem prostoru, ve kterém se bude nacházet s největší pravděpodobností—konkrétně objem prostoru, ve kterém se bude nacházet po 90% času. Tato oblast s vysokou pravděpodobností tvoří orbital a každý orbital pojme až dva elektrony.

Takže jak tyto matematicky definované orbitaly souvisí s elektronovými slupkami, se kterými jsme se seznámili v rámci Bohrova modelu? Každou elektronovou slupku můžeme ještě rozepsat na jednu nebo více podslupek, což jsou skupiny skládající se z jednoho nebo více orbitalů. Podslupky jsou pojmenovány písmeny

s

p

d

f

a každé písmeno označuje jiný tvar. Například podslupky

s

mají jeden kulovitý orbital, zatímco podslupky

p

obsahují tři orbitaly ve tvaru prostorových osmiček, také se říká činky, které jsou k sobě navzájem kolmé. Většina organické chemie—chemie sloučenin obsahujících uhlík, které jsou jsou hlavními sloučeninami v biologii—zahrnují interakce mezi elektrony v podslupkách

s

p

, takže se jedná o nejdůležitější podslupky, se kterými by ses měl/a seznámit. Nicméně atomy s mnoha elektrony mohou mít některé elektrony umístěné i v podslupkách

d

f

. Podslupky

d

f

mají složitější tvary a obsahují pět a sedm orbitalů, v tomto pořadí.

První elektronová slupka 1n odpovídá orbitalu

1 s

. Orbital

1 s

je nejblíže jádru a je zaplněn elektrony jako první, tedy před ostatními orbitaly. Vodík má pouze jeden elektron, takže má v orbitalu

1 s

obsazeno pouze jedno místo. Toto se dá napsat ve zkrácené podobě nazývané elektronová konfigurace jako

1 s^{1}

, kde horní index 1 odkazuje na jeden elektron v orbitalu

1 s

. Helium má dva elektrony, takže orbital

1 s

může zaplnit zcela. To se dá zapsat jako

1 s^{2}

, kdy horní index odkazuje na dva elektrony v orbitalu

1 s

. V periodické tabulce jsou vodík a helium jedinými prvky v prvním řádku neboli periodě, což odráží fakt, že mají elektrony pouze v první slupce. Vodík a helium jsou jediné dva prvky, které mají elektrony pouze v orbitalu

1 s

, když jsou v neutrálním stavu, tedy bez náboje.

Druhá elektronová slupka 2n obsahuje další kulovitý orbital

s

a tři orbitaly

p

ve tvaru činky, přičemž každý pojme dva elektrony. Poté, co se zaplní orbital

1 s

, tak se začne zaplňovat druhý elektronový orbital

2 s

a poté tři orbitaly

p

. Prvky v druhé řadě periodické tabulky mají elektrony ve slupce 2n stejně jako ve slupce 1n. Například lithium (

Li

) má tři elektrony: dva v orbitalu

1 s

a třetí v orbitalu

2 s

, což znamená konfiguraci

1 s^{2}

2 s^{1}

. Naopak neon (

Ne

) má celkem deset elektronů: dva v orbitalu

1 s

nejblíže jádru a osm v druhé slupce—vždy po dvou v orbitalu

2 s

a ve třech orbitalech

p

1 s^{2}

2 s^{2}

2 p^{6}

. Protože má zaplněnou slupku 2n, tak je i jako samostatný atom energeticky stabilní a jen zřídka bude tvořit chemické vazby s ostatními atomy.

Třetí elektronová slupka 3n obsahuje také orbital

s

a tři orbitaly

p

. Prvky v třetím řádku periodické tabulky mají tedy elektrony i v těchto orbitalech, stejně jako prvky druhé řádky je mají ve slupce 2n. Slupka 3n obsahuje také orbital

d

, ale jelikož má tento orbital výrazně vyšší energii než orbitaly

3 s

3 p

, tak k jeho zaplnění elektrony dochází teprve u prvků nacházejících se ve čtvrté řadě periodické tabulky. To je důvod, proč prvky třetí řady jako je například argon mohou být stabilní jen s osmi valenčními elektrony: jejich podslupky

s

p

jsou zaplněné, ačkoliv celá slupka 3n ne.

Ačkoliv elektronové slupky a orbitaly jsou spolu úzce provázány, tak orbitaly nám dávají přesnější vhled do elektronové konfigurace atomu. Je to z toho důvodu, že orbitaly přesněji určují tvar a umístění oblastí, ve kterých se elektrony s vysokou pravděpodobností vyskytují.

[Citace a odkazy]

Chceš se zapojit do diskuze?

Přihlášení

Setřídit podle:

Zatím žádné příspěvky.

Umíš anglicky? Kliknutím zobrazíš diskuzi anglické verze Khan Academy.