Energetski nivoi atoma i konfiguracije

Kada hemičari kažu „elektronska konfiguracija“ oni misle na način na koji su elektroni raspoređeni oko nukleusa atoma. To je raspored elektrona jednog atoma. Elektroni osciliraju oko nukleusa velikom brzinom te kažemo da je to elektronski oblak. Različiti elektroni unutar istog atoma se nalaze na različitim udaljenostima od nukleusa. Zapravo, kao da elektroni svojim putanjama pri velikim brzinima omotavaju nukleus atoma, pa zato ove putanje nazivamo elektronski omotač.

Elektronski oblak

Međutim, elektronski oblak nije jednostavno nacrtati niti u takvom prikazu možemo dobro vidjeti elektrone pa zato, radi lakšeg i jednostavnijeg prikaza, crtamo elektrone u kružnicama oko nukleusa. Ovaj način prikazivanja atoma zovemo Bohrov (Borov) dijagram, prema danskom naučniku Nielsu Bohru.

Elektronski omotač se sastoji od ljuski tj. energetskih nivoa. Ovdje nije slučajno da hemičari kažu kako se radi o energetskim nivoima – naime, različite ljuske imaju različitu energiju. Prva ljuska, ona najbliža nukleusu, ima najmanju energiju. Što je ljuska dalje od nukleusa, to ona ima i veću energiju. Elektronima se lakše smještati u ljuske koje imaju najmanje energija, tako da svaki elektron, uslovno rečeno, „teži“ da bude bliže nukleusu. Međutim, elektroni imaju niz osobina koje im ne dozvoljavaju da se svi smjeste u jednu ljusku, tj. energetski nivo koji ima najmanju energiju. Zato se neki moraju smještati na više energetske nivoe.

Ljuske, tj. energetske nivoe obično označavamo velikim štampanim slovima K, L, M, N, O, P i Q. Dakle ima najviše 7 elektronskih ljuski tj. energetskih nivoa. Također, energetske nivoe možemo označavati rednim brojevima od 1 do 7. Dakle, K je ljuska 1, L je 2 M je 3 i tako dalje. Koliko ima perioda u Periodnom sistemu elemenata? Ima ih 7. Dakle, broj ljuski odgovara broju perioda.

Svaka ova ljuska može imati neki određen maksimalan broj elektrona. Prva ljuska, K, može imati maksimalno 2 elektrona. To znači da ona ne može primiti 3 elektrona i da ako neki atom ima 3 elektrona, onda se prva dva elektrona smještaju u prvu ljusku, a treći se smješta u drugu ljusku. Takav je atom litijuma i njegova elektronska konfiguracija izgleda ovako:

Borov model litijuma

Broj elektrona koji određena ljuska može maksimalno primiti određuje se formulom Broj elektrona = 2n² gdje n označava broj ljuske. Tako vidimo da prema ovoj formuli prva ljuska može primiti maksimalno 2 elektrona 2x1² = 2, druga 2x2² =8, treća 2x3²=18, četvrta 2x4²=32. Međutim, ne popunjavaju se sve ljuske do kraja elektronima, nego se određene ljuske popune do nekog dijela, a onda elektroni počinju popunjavati i iduću ljusku. Tako, recimo kod kalcijuma raspored elektrona izgleda ovako:

raspored elektrona u atomu kalcija, Borov model (2,8,8, 2)

2, 8,8, 2 iz čega vidimo da treća ljuska nije do kraja popunjena, ali se počela popunjavati četvrta ljuska.To se dešava zbog određenih razlika u energiji podnivoa, odnosno, orbitala.

Kada trebamo nacrtati elektronsku konfiguraciju služeći se Borovim dijagramom, možemo nacrtati nukleus atoma i oko njega smjestiti onoliko kružnica koliko taj atom ima ljuski tj. energetskih nivoa, pa onda na tim kružnicama crtati elektrone ili samo brojem označiti broj elektrona. Također, možemo i nacrtati samo dijelove tih kružnica. 

Međutim, kako ćemo znati koliko energetskih nivoa-ljuski ima neki atom nekog elementa? Prisjetimo se da broj perioda u Periodnom sistemu elemenata odgovara broju ljuski. Da bismo znali koliko ljuski ima neki određeni atom, dovoljno je pogledamo u Periodni sistem i vidimo u kojoj se periodi nalazi taj element.

Element natrijum (Na) se nalazi u 3. periodi, što znači da ima 3 energetska nivoa- K, L i M.

Litijum (Li) se nalazi u 2. periodi, što znači da ima 2 energetska nivoa:  K i L.

Jod (I) se nalazi u 5. periodi, što znači da ima 5 ljuski K,L, M, N i O

Kripton (Kr) se nalazi u 4. periodi, što znači da ima 4 energetska nivoa K,L, M i N.

Borov model atoma kriptona

Karbon ili ugljik je element koji ima redni broj 6, što znači da ima 6 protona u nukleusu i 6 elektrona u omotaču. Nalazi se u 2. periodi Periodnog sistema, što znači da ima 2 energetska nivoa, K i L. Prva dva elektrona se smještaju u prvi energetski nivo tj. ljusku Kako više u tu ljusku ne može stati niti jedan dodatni elektron, ostali elektroni se smještaju u naredni energetski nivo, L. U taj nivo može stati maksimalno 8 elektrona, ali to ugljiku nije potrebno. On sad ima samo 4 elektrona i svi stanu u taj energetski nivo bez problema. Tako dijagram elektronske konfiguracije atoma karbona izgleda ovako:

Aluminijum metal od kojeg se prave limenke koka-kole i ona srebrenasta folija u kojoj su umotane čokolade, nalazi se u 3. periodi, što znači da ima 3 energetska nivoa – K, L i M. Redni broj mu je 13, što znači da ima 13 protona i 13 elektrona. U prvi nivo se smjeste 2 elektrona, u drugi maksimalno 8, što znači da 3 elektrona moraju ići u idući energetski nivo. Tako da aluminijum ima elektronsku konfiguraciju 2+8+3

U hemijskim reakcijama učestvuju samo elektroni posljednjeg energetskog nivoa. Dakle, bez obzira koji je to nivo – kod nekih atoma to je K, kod nekih L, kod drugim M, N, O ili Q nivo, samo elektroni u tom nivou ulaze u hemijske reakcije. Ostali elektroni miruju. Upravo zbog toga što svojstva elemenata i način na koji oni reaguju ovise isključivo od elektrona posljednje ljuske, ti elektroni imaju poseban naziv. Zovu se valentni elektroni. Riječ valencija znači snaga ili sposobnost, a u hemiji ovaj termin označava svojstvo atoma pojedinog hemijskog elementa da se spaja s određenim brojem atoma nekoga drugog elementa. Kako to svojstvo ovisi o elektronima zadnje ljuske, tako se i ovi elektroni zovu valentni elektroni.

Elementi posljednje grupe Periodnog sistema imaju stabilne konfiguracije. Osim helija, svi ostali elementi ove, 18. grupe Periodnog imaju po osam elektrona u posljednjem energetskom nivou. Taj broj elektrona nazivamo oktet, jer okto na latinskom znači 8.

Ipak, ovo nije kraj priče  - ovdje je objašnjen tek raspored elektrona po ljuskama, a treba objasniti i raspored više elektrona unutar jedne ljuske. To sutra, jer i ovo je već bilo predugačko.