Wat zijn elektronenschillen?

Schillen: lagen van elektronen

De elektronen rond een kern bevinden zich in schillen, ook wel energieniveaus genoemd, die een beetje werken als de verdiepingen van een gebouw. De eerste schil ligt het dichtst bij de kern en heeft de laagste energie, en elke volgende schil ligt verder naar buiten en heeft een hogere energie.

Schillen zijn genummerd 1, 2, 3 enzovoort, vanaf de kern naar buiten, en hebben ook letternamen: K, L, M en N voor de eerste vier. Het periodenummer van een element vertelt je hoeveel schillen zijn atomen gebruiken, dus natrium, in periode 3, heeft elektronen in drie schillen.

Hoeveel elektronen passen in elke schil

Elke schil kan een maximaal aantal elektronen bevatten, gegeven door de formule 2n², waarbij n het schilnummer is. De eerste schil bevat 2 × 1² = 2, de tweede 2 × 2² = 8, de derde 2 × 3² = 18 en de vierde 2 × 4² = 32.

Elektronen vullen eerst de schil met de laagste energie, en als een schil vol is, begint het volgende elektron een nieuwe schil verder naar buiten. De 2 elektronen van helium vullen de eerste schil, dus het derde elektron van lithium moet in de tweede schil, wat de rangschikking 2, 1 geeft.

Het 2-8-8-patroon voor de eerste 20 elementen

Voor de eerste 20 elementen geeft één eenvoudige regel de elektronenrangschikking: zet 2 elektronen in de eerste schil, maximaal 8 in de tweede, maximaal 8 in de derde, en wat er overblijft in de vierde. Koolstof (6 elektronen) is 2, 4. Natrium (11) is 2, 8, 1. Chloor (17) is 2, 8, 7. Argon (18) is 2, 8, 8.

De derde schil kan 18 elektronen bevatten, maar kalium (19) is 2, 8, 8, 1 en calcium (20) is 2, 8, 8, 2, omdat het eerste deel van de vierde schil iets lager in energie ligt dan de rest van de derde schil. Vanaf scandium (21) gaan elektronen weer de derde schil vullen, dus de 2-8-8-regel werkt alleen tot en met calcium.

Een Bohr-diagram tekenen

Een Bohr-diagram is een snelle schets van de schillen van een atoom. Teken een kleine cirkel voor de kern met het symbool van het element erin, dan één ring voor elke schil, en plaats de elektronen als stippen op de ringen.

Uitgewerkt voorbeeld: natrium. Het atoomnummer is 11, dus een neutraal natriumatoom heeft 11 elektronen. Zet er 2 op de eerste ring, dan blijven er 9 over. Zet er 8 op de tweede ring, dan blijft er 1 over, en dat laatste elektron zit alleen op de derde ring. Het diagram toont 2, 8, 1.

Waarom de buitenste schil ertoe doet

De elektronen in de buitenste schil, de valentie-elektronen, bepalen hoe een atoom reageert. Atomen met een volle buitenste schil, zoals neon (2, 8) en argon (2, 8, 8), reageren nauwelijks. Lithium (2, 1), natrium (2, 8, 1) en kalium (2, 8, 8, 1) hebben elk één buitenste elektron dat ze gemakkelijk afstaan, dus alle drie zijn reactieve metalen.

Het Bohr-model en zijn beperkingen

De Deense natuurkundige Niels Bohr stelde dit model voor in 1913. Hij stelde dat elektronen in vaste banen met vaste energieën bewegen en licht uitzenden wanneer ze van een hogere naar een lagere baan vallen. Dit verklaarde de exacte kleuren van het licht van gloeiend waterstofgas, destijds een groot succes.

Het model heeft echter beperkingen. Het voorspelt alleen het licht van waterstof en andere atomen met één elektron correct, en elektronen draaien niet echt rond de kern zoals planeten rond de zon. In het moderne kwantummodel bezet elk elektron een orbitaal, een gebied waar het waarschijnlijk te vinden is, en elke schil is verdeeld in subschillen die s, p, d en f heten. Het blijft een handig hulpmiddel om elektronen te tellen, zolang je onthoudt dat het vereenvoudigd is.