מהן קליפות אלקטרונים?

קליפות: שכבות של אלקטרונים

האלקטרונים סביב גרעין נמצאים בקליפות, הנקראות גם רמות אנרגיה, שפועלות מעט כמו קומות של בניין. הקליפה הראשונה קרובה ביותר לגרעין ונמוכה ביותר באנרגיה, וכל קליפה שאחריה רחוקה יותר וגבוהה יותר באנרגיה.

הקליפות ממוספרות 1, 2, 3 וכן הלאה, כלפי חוץ מהגרעין, ויש להן גם שמות באותיות: K, L, M ו-N לארבע הראשונות. מספר המחזור של יסוד אומר לכם כמה קליפות משתמשים אטומיו, ולכן בנתרן, במחזור 3, יש אלקטרונים בשלוש קליפות.

כמה אלקטרונים נכנסים בכל קליפה

כל קליפה יכולה להכיל מספר מרבי של אלקטרונים, הנתון בנוסחה 2n², כאשר n הוא מספר הקליפה. הקליפה הראשונה מכילה 2 × 1² = 2, השנייה מכילה 2 × 2² = 8, השלישית מכילה 2 × 3² = 18 והרביעית מכילה 2 × 4² = 32.

אלקטרונים ממלאים קודם את הקליפה בעלת האנרגיה הנמוכה ביותר, וכשקליפה מלאה, האלקטרון הבא מתחיל קליפה חדשה רחוקה יותר. שני האלקטרונים של הליום ממלאים את הקליפה הראשונה, ולכן האלקטרון השלישי של ליתיום חייב להיכנס לקליפה השנייה, וכך מתקבל הסידור 2, 1.

הדפוס 2-8-8 בעשרים היסודות הראשונים

בעשרים היסודות הראשונים, כלל פשוט אחד נותן את סידור האלקטרונים: שמים 2 אלקטרונים בקליפה הראשונה, עד 8 בשנייה, עד 8 בשלישית, ואת מה שנשאר ברביעית. פחמן (6 אלקטרונים) הוא 2, 4. נתרן (11) הוא 2, 8, 1. כלור (17) הוא 2, 8, 7. ארגון (18) הוא 2, 8, 8.

הקליפה השלישית יכולה להכיל 18 אלקטרונים, ובכל זאת אשלגן (19) הוא 2, 8, 8, 1 וסידן (20) הוא 2, 8, 8, 2, כי החלק הראשון של הקליפה הרביעית נמוך מעט באנרגיה משאר הקליפה השלישית. מסקנדיום (21) ואילך, אלקטרונים חוזרים למלא את הקליפה השלישית, ולכן כלל 2-8-8 עובד רק עד סידן.

ציור תרשים בוהר

תרשים בוהר הוא שרטוט מהיר של קליפות האטום. מציירים עיגול קטן לגרעין עם סמל היסוד בתוכו, אחר כך טבעת אחת לכל קליפה, ומציבים את האלקטרונים על הטבעות כנקודות.

דוגמה פתורה: נתרן. המספר האטומי שלו הוא 11, ולכן באטום נתרן נייטרלי יש 11 אלקטרונים. מציבים 2 על הטבעת הראשונה, ונשארים 9. מציבים 8 על הטבעת השנייה, ונשאר 1, והאלקטרון האחרון הזה נמצא לבדו על הטבעת השלישית. התרשים מראה 2, 8, 1.

מדוע הקליפה החיצונית חשובה

האלקטרונים בקליפה החיצונית ביותר, אלקטרוני הערכיות, קובעים איך אטום מגיב. אטומים עם קליפה חיצונית מלאה, כמו ניאון (2, 8) וארגון (2, 8, 8), כמעט אינם מגיבים כלל. לליתיום (2, 1), לנתרן (2, 8, 1) ולאשלגן (2, 8, 8, 1) יש כל אחד אלקטרון חיצוני יחיד שהם מאבדים בקלות, ולכן שלושתם מתכות תגובתיות.

מודל בוהר ומגבלותיו

הפיזיקאי הדני נילס בוהר הציע את המודל הזה ב-1913. הוא הציע שאלקטרונים נעים במסלולים קבועים בעלי אנרגיות קבועות ופולטים אור כשהם יורדים ממסלול גבוה לנמוך. זה הסביר את צבעי האור המדויקים של גז מימן זוהר, הצלחה גדולה באותה תקופה.

למודל יש מגבלות, עם זאת. הוא מנבא נכון רק את האור של מימן ושל אטומים אחרים בעלי אלקטרון אחד, והאלקטרונים אינם באמת מקיפים את הגרעין כמו כוכבי לכת את השמש. במודל הקוונטי המודרני, כל אלקטרון תופס אורביטל, אזור שבו סביר למצוא אותו, וכל קליפה מתחלקת לתת-קליפות הנקראות s, p, d ו-f. הוא עדיין כלי שימושי לספירת אלקטרונים, כל עוד זוכרים שהוא מפושט.