Elektrónová konfigurácia alebo spôsob, akým sú elektróny distribuované v atóme

Atóm a jeho štruktúra

Jednotlivé častice, ktoré tvoria hmotu, sú atómy. Všetko, čo nás obklopuje, sú atómy. Prvky sú súčtom ich atómov – železo je zložené z atómov železa, meď z atómov medi atď. Z čoho teda pozostáva atóm? Väčšina z nás pozná odpoveď: kladne nabité protóny, záporne nabité elektróny a neutróny bez akéhokoľvek náboja. Je toto správna odpoveď? Absolútne, ale ak sa na atóm pozrieme tak, ako to robí chemik, odpovieme, že atóm pozostáva z dvoch základných prvkov: jadra a okolitého elektrónového mraku.

Atómové jadro

Jadro atómu je jeho centrom a tvorí jeho najdôležitejšiu časť. Pozostáva z protónov (kladne nabitých) a neutrónov (elektricky neutrálnych). Nejde o nedeliteľné zložky. Protóny aj neutróny majú vnútornú štruktúru – skladajú sa z menších častíc nazývaných kvarky. Protón sa skladá z dvoch horných kvarkov a jedného spodného kvarku. Neutrón má však vo svojej štruktúre jeden horný kvark a dva spodné kvarky.

Elektrónový oblak

Atóm nemá jasne definovaný okraj – je to spôsobené prítomnosťou elektrónového oblaku. Elektrónový oblak je oblasť s najväčšou pravdepodobnosťou prítomnosti elektrónu (dôležité: dráha, po ktorej sa elektrón pohybuje, sa nedá jednoznačne určiť. Je možné určiť len pravdepodobnosť jeho nájdenia v rôznych oblastiach vesmíru). Elektrónový oblak pozostáva z elektrónov obiehajúcich okolo atómového jadra. Hneď vedľa jadra je hustota elektrónového oblaku najvyššia, pričom čím ďalej od jadra, tým je oblak rozptýlenejší.

Kvantový popis atómu

Stav každého elektrónu v atóme je opísaný vlnovými funkciami. Vlnové funkcie sú matematickým riešením Schrödingerovej rovnice. Táto rovnica môže byť vyriešená, ak sa zavedie niekoľko základných podmienok. Z tohto dôvodu boli použité kvantové čísla. Kvantové čísla, ktoré jednoznačne opisujú kvantový stav každého elektrónu v danom atóme, sú stručne charakterizované nižšie:

• hlavné kvantové číslo n :

je zodpovedný za energiu elektrónu. Má hodnoty postupných prirodzených čísel. Môže sa pohybovať od 1 do nekonečna. V praxi to tak nie je a najčastejšie sa n pohybuje od 1 do 7. Úrovne s rovnakým hlavným kvantovým číslom sa nazývajú elektrónový obal.

• azimutálne kvantové číslo l :

presnejšie definuje energie. Hodnota azimutálneho kvantového čísla určuje podplášť daného atómového obalu. Od hodnoty tohto čísla závisí aj tvar atómových orbitálov. Azimutálne kvantové číslo má hodnoty od nuly do ( n -1).

• magnetické kvantové číslo m :

hodnota magnetického kvantového čísla závisí od azimutálneho kvantového čísla. Magnetické kvantové číslo m má hodnoty od – l do l (vrátane 0). Vďaka znalosti magnetického kvantového čísla sa určujú vzájomné polohy orbitálov v priestore, čo dáva informáciu o počte orbitálov na danej čiastkovej úrovni.

• spinové kvantové číslo:

pri pohybe okolo atómového jadra sa elektróny pohybujú aj okolo vlastnej osi. Tento pohyb sa nazýva spin a je s ním spojené kvantové číslo spinu. Má iba dve hodnoty: + ½ a – ½. Každý atómový orbitál môže obsahovať dva elektróny s rôznou hodnotou spinového kvantového čísla. Pri popise kvantových čísel nemožno nespomenúť jeden zo základných zákonov chémie, a to Pauliho vylučovací princíp . Podľa tohto princípu atóm nemôže obsahovať dva elektróny s rovnakými kvantovými číslami. Elektróny v atóme sa musia líšiť v hodnote aspoň jedného kvantového čísla.

Elektrónové obaly a podobaly

Atómové jadro je obklopené elektrónovým oblakom, v ktorom sa s určitou pravdepodobnosťou nachádza elektrón. Tieto elektróny sú usporiadané na vhodných elektrónových obaloch. Jednoducho povedané, elektrónové obaly sú úrovne s rovnakým hlavným kvantovým číslom n . Obal najvzdialenejší od atómového jadra sa nazýva valenčný obal – elektróny obiehajúce po tomto obale sa nazývajú valenčné elektróny (vytvárajú chemické väzby medzi atómami rôznych prvkov alebo atómami toho istého prvku). Každý elektrónový obal je označený písmenom. Takže pre n = 1 je písmeno K, pre n = 2 je písmeno L atď. (pre n 1 až 7 sú písmená: K až Q). Každý z elektrónových obalov v atóme pozostáva z podobalov. Podškrupiny sú definované azimutálnymi kvantovými číslami l . Na podplášťoch sú elektróny, ktoré majú presne definované, rovnaké energetické hodnoty. Podškrupiny majú tiež špecifickú „kapacitu“ – môžu obsahovať 2*(2* l +1), kde l je azimutálne kvantové číslo. Podškrupiny majú aj svoje písmenové označenie: s, p, d, f, g, h atď.

Elektrónová konfigurácia

Pre správne určenie elektrónovej konfigurácie v atóme je potrebné poznať poradie energetických hladín (poradie jednotlivých podplášťov a obalov podľa zvyšujúcej sa energetickej hodnoty). Konfigurácia je len priradenie jednotlivých elektrónov k energetickým hladinám. Existujú dva energetické stavy atómu: základný stav a excitovaný stav . Základný stav pozorujeme, keď sú elektróny rozmiestnené na jednotlivých orbitáloch podľa pravidiel expanzie. Vtedy má najnižšiu energiu. Ak atóm dostane určité množstvo energie, potom sa elektrón môže preniesť z orbitálu s nižšou energiou do voľného orbitálu s vyššou energiou – vtedy hovoríme o excitovanom stave atómu. Aby sa teda našla správna elektrónová konfigurácia atómu v základnom stave, musia sa jednotlivé orbitály naplniť podľa zvyšujúcej sa energie pri dodržaní Pauliho princípu vylúčenia. Podľa týchto princípov sa vytvára takzvaný zápis plnej konfigurácie s počtom po sebe nasledujúcich obalov, písmenové označenie po sebe nasledujúcich podplášťov a zápis počtu elektrónov v konkrétnych orbitáloch. Skrátený zápis elektrónovej konfigurácie spočiatku obsahuje jadro vo forme elektrónovej konfigurácie vzácneho plynu, ktoré je doplnené zvyšnými elektrónmi.