Elektronová konfigurace nebo způsob, jakým jsou elektrony distribuovány v atomu

Atom a jeho struktura

Jednotlivé částice, které tvoří hmotu, jsou atomy. Vše, co nás obklopuje, jsou atomy. Prvky jsou součtem jejich atomů – železo se skládá z atomů železa, měď z atomů mědi atd. Z čeho se tedy atom skládá? Většina z nás zná odpověď: kladně nabité protony, záporně nabité elektrony a neutrony bez jakéhokoli náboje. Je to správná odpověď? Rozhodně, ale pokud se na atom podíváme tak, jak to dělá chemik, odpovíme, že atom se skládá ze dvou základních prvků: jádra a okolního elektronového mraku.

Atomové jádro

Jádro atomu je jeho středem a tvoří jeho nejdůležitější část. Skládá se z protonů (kladně nabitých) a neutronů (elektricky neutrální). Nejedná se o nedělitelné složky. Protony i neutrony mají vnitřní strukturu – jsou tvořeny menšími částicemi zvanými kvarky. Proton se skládá ze dvou horních kvarků a jednoho spodního kvarku. Neutron má však ve své struktuře jeden horní kvark a dva spodní kvarky.

Elektronový mrak

Atom nemá jasně definovanou hranu – to je způsobeno přítomností elektronového mraku. Elektronový mrak je oblast s největší pravděpodobností přítomnosti elektronu (důležité: nelze jednoznačně určit dráhu, po které se elektron pohybuje. Lze pouze určit pravděpodobnost jeho nalezení v různých oblastech prostoru). Elektronový mrak se skládá z elektronů obíhajících kolem atomového jádra. Těsně u jádra je hustota elektronového mraku nejvyšší, přičemž čím dále od jádra, tím je mrak rozptýlenější.

Kvantový popis atomu

Stav každého elektronu v atomu je popsán vlnovými funkcemi. Vlnové funkce jsou matematickým řešením Schrödingerovy rovnice. Tuto rovnici lze zase vyřešit, pokud je zavedeno několik základních podmínek. Z tohoto důvodu byla použita kvantová čísla. Kvantová čísla, která jednoznačně popisují kvantový stav každého elektronu v daném atomu, jsou stručně charakterizována níže:

• hlavní kvantové číslo n :

je zodpovědný za energii elektronu. Má hodnoty postupných přirozených čísel. Může se pohybovat od 1 do nekonečna. V praxi tomu tak není a nejčastěji se n pohybuje od 1 do 7. Úrovně se stejným hlavním kvantovým číslem se nazývají elektronový obal.

• azimutální kvantové číslo l :

přesněji definuje energie. Hodnota azimutálního kvantového čísla určuje podslupku daného atomového obalu. Na hodnotě tohoto čísla závisí také tvar atomových orbitalů. Azimutální kvantové číslo má hodnoty od nuly do ( n -1).

• magnetické kvantové číslo m :

hodnota magnetického kvantového čísla závisí na azimutálním kvantovém čísle. Magnetické kvantové číslo m má hodnoty od – l do l (včetně 0). Díky znalosti magnetického kvantového čísla jsou určeny vzájemné polohy orbitalů v prostoru, což dává informaci o počtu orbitalů na dané dílčí úrovni.

• spinové kvantové číslo:

při pohybu kolem atomového jádra se elektrony pohybují i kolem vlastní osy. Tento pohyb se nazývá spin a je s ním spojeno spinové kvantové číslo. Má pouze dvě hodnoty: + ½ a – ½. Každý atomový orbital může obsahovat dva elektrony s různou hodnotou spinového kvantového čísla. Při popisu kvantových čísel nelze nezmínit jeden ze základních zákonů chemie, totiž Pauliho vylučovací princip . Podle tohoto principu atom nemůže obsahovat dva elektrony se stejnými kvantovými čísly. Elektrony v atomu se musí lišit hodnotou alespoň jednoho kvantového čísla.

Elektronové slupky a podslupky

Atomové jádro je obklopeno elektronovým oblakem, ve kterém se s určitou pravděpodobností může nacházet elektron. Tyto elektrony jsou uspořádány na příslušných elektronových obalech. Jednoduše řečeno, elektronové obaly jsou úrovně se stejným hlavním kvantovým číslem n . Obálka nejvzdálenější od atomového jádra se nazývá valenční obal – elektrony obíhající po tomto obalu se nazývají valenční elektrony (vytvářejí chemické vazby mezi atomy různých prvků nebo atomy téhož prvku). Každý elektronový obal je označen písmenem. Takže pro n = 1 je písmeno K, pro n = 2 je písmeno L atd. (pro n 1 až 7 jsou písmena: K až Q). Každý z elektronových obalů v atomu se skládá z dílčích obalů. Podslupky jsou definovány azimutálními kvantovými čísly l . Na podslupkách jsou elektrony, které mají přesně definované, stejné energetické hodnoty. Podslupky mají také specifickou „kapacitu“ – mohou obsahovat 2*(2* l +1), kde l je azimutální kvantové číslo. Podslupky mají také svá písmenná označení: s, p, d, f, g, h atd.

Konfigurace elektronů

Pro správné určení elektronové konfigurace v atomu je nutné znát pořadí energetických hladin (pořadí jednotlivých podslupek a slupek podle rostoucí energetické hodnoty). Konfigurace je jen přiřazení jednotlivých elektronů k energetickým hladinám. Existují dva energetické stavy atomu: základní stav a excitovaný stav . Základní stav pozorujeme, když jsou elektrony rozmístěny na jednotlivých orbitalech podle expanzních pravidel. Má pak nejnižší energii. Pokud atom přijme určité množství energie, pak může být elektron přenesen z orbitalu s nižší energií do volného orbitalu s vyšší energií – pak mluvíme o excitovaném stavu atomu. Aby se tedy nalezla správná elektronová konfigurace atomu v základním stavu, musí být jednotlivé orbitaly naplněny podle rostoucí energie při dodržení Pauliho vylučovacího principu. Podle těchto principů je vytvořena tzv. plná konfigurační notace s počty po sobě jdoucích slupek, písmenná označení po sobě jdoucích podslupek a zápis počtu elektronů v konkrétních orbitalech. Zkrácený zápis elektronové konfigurace obsahuje zpočátku jádro v podobě elektronové konfigurace vzácného plynu, které je doplněno o zbývající elektrony.