קליפות האלקטרונים
למדו איך האלקטרונים מסתדרים בקליפות K, L ו-M, ולמה הקליפה החיצונית קובעת את התגובה הכימית.
האלקטרונים מסודרים בקליפות
קליפות K, L, M - שלוש הקליפות הראשונות
בואו נלמד על שלוש הקליפות הראשונות של האטום.
קליפה K (הקליפה הפנימית)
• הקרובה ביותר לגרעין
• מכילה עד 2 אלקטרונים
• נקראת גם "קליפה ראשונה" או n=1
קליפה L (הקליפה השנייה)
• מרוחקת יותר מהגרעין
• מכילה עד 8 אלקטרונים
• נקראת גם n=2
קליפה M (הקליפה השלישית)
• הרחוקה ביותר (מבין השלוש)
• מכילה עד 18 אלקטרונים (אבל נלמד על עד 8 לצורך פשטות)
• נקראת גם n=3
כמות אלקטרונים מקסימלית = 2n²
(n = מספר הקליפה)
האלקטרונים ממלאים קודם את הקליפות הפנימיות, ורק אחר כך עוברים לקליפות חיצוניות.
כלל המילוי של קליפות
האלקטרונים ממלאים את הקליפות מפנים לחוץ:
- שלב 1: ממלאים את קליפה K (עד 2 אלקטרונים)
- שלב 2: ממלאים את קליפה L (עד 8 אלקטרונים)
- שלב 3: ממלאים את קליפה M (עד 8 אלקטרונים)
- רק אחרי שקליפה מתמלאת, עוברים לקליפה הבאה
דוגמאות: מבנה אלקטרוני
מימן (H) - Z=1
סה"כ: 1 אלקטרון
מבנה:
K: 1
מימן חסר 1 אלקטרון כדי למלא את קליפה K.
הליום (He) - Z=2
סה"כ: 2 אלקטרונים
מבנה:
K: 2
קליפה K מלאה - הליום יציב מאוד!
ליתיום (Li) - Z=3
סה"כ: 3 אלקטרונים
מבנה:
K: 2
L: 1
קליפה K מלאה, אלקטרון אחד בקליפה L.
פחמן (C) - Z=6
סה"כ: 6 אלקטרונים
מבנה:
K: 2
L: 4
קליפה L חסרה 4 אלקטרונים למילוי.
חמצן (O) - Z=8
סה"כ: 8 אלקטרונים
מבנה:
K: 2
L: 6
קליפה L חסרה 2 אלקטרונים למילוי.
ניאון (Ne) - Z=10
סה"כ: 10 אלקטרונים
מבנה:
K: 2
L: 8
שתי הקליפות מלאות - ניאון יציב מאוד!
נתרן (Na) - Z=11
סה"כ: 11 אלקטרונים
מבנה:
K: 2
L: 8
M: 1
קליפה M מכילה אלקטרון בודד.
כלור (Cl) - Z=17
סה"כ: 17 אלקטרונים
מבנה:
K: 2
L: 8
M: 7
קליפה M חסרה אלקטרון אחד למילוי.
ארגון (Ar) - Z=18
סה"כ: 18 אלקטרונים
מבנה:
K: 2
L: 8
M: 8
שלוש הקליפות מלאות - ארגון יציב!
מבנה אלקטרוני של 20 היסודות הראשונים
| יסוד | Z | K | L | M | אלקטרוני ערכיות |
|---|---|---|---|---|---|
| H - מימן | 1 | 1 | - | - | 1 |
| He - הליום | 2 | 2 | - | - | 0 (מלא) |
| Li - ליתיום | 3 | 2 | 1 | - | 1 |
| Be - בריליום | 4 | 2 | 2 | - | 2 |
| B - בורון | 5 | 2 | 3 | - | 3 |
| C - פחמן | 6 | 2 | 4 | - | 4 |
| N - חנקן | 7 | 2 | 5 | - | 5 |
| O - חמצן | 8 | 2 | 6 | - | 6 |
| F - פלואור | 9 | 2 | 7 | - | 7 |
| Ne - ניאון | 10 | 2 | 8 | - | 0 (מלא) |
| Na - נתרן | 11 | 2 | 8 | 1 | 1 |
| Mg - מגנזיום | 12 | 2 | 8 | 2 | 2 |
| Al - אלומיניום | 13 | 2 | 8 | 3 | 3 |
| Si - סיליקון | 14 | 2 | 8 | 4 | 4 |
| P - זרחן | 15 | 2 | 8 | 5 | 5 |
| S - גופרית | 16 | 2 | 8 | 6 | 6 |
| Cl - כלור | 17 | 2 | 8 | 7 | 7 |
| Ar - ארגון | 18 | 2 | 8 | 8 | 0 (מלא) |
| K - אשלגן | 19 | 2 | 8 | 8 (1) | 1 |
| Ca - סידן | 20 | 2 | 8 | 8 (2) | 2 |
* אלקטרוני ערכיות = מספר האלקטרונים בקליפה החיצונית (אשלגן וסידן מתחילים למלא קליפה רביעית)
אלקטרוני ערכיות - האלקטרונים החשובים
האלקטרונים בקליפה החיצונית הם המשמעותיים ביותר!
אלקטרוני ערכיות = האלקטרונים בקליפה החיצונית (הרחוקה ביותר מהגרעין).
למה הם חשובים?
• הם האלקטרונים היחידים שמשתתפים בקשרים כימיים
• הם קובעים את התכונות הכימיות של היסוד
• אטומים עם אותו מספר אלקטרוני ערכיות מתנהגים באופן דומה
דוגמאות:
• ליתיום (Li), נתרן (Na), אשלגן (K) - כולם בעלי 1 אלקטרון ערכיות ← כולם מתכות פעילות
• פלואור (F), כלור (Cl) - כולם בעלי 7 אלקטרוני ערכיות ← כולם גזים פעילים
כלל זהב: אטומים עם קליפה חיצונית מלאה (2 או 8 אלקטרונים) הם יציבים ולא מגיבים כימית.
קליפה מלאה מול קליפה לא מלאה
קליפה חיצונית מלאה
אטום עם 2 או 8 אלקטרונים בקליפה החיצונית הוא יציב.
דוגמה: הליום (2), ניאון (2,8), ארגון (2,8,8) - גזים אצילים, לא מגיבים כימית
קליפה חיצונית לא מלאה
אטום עם קליפה חיצונית לא מלאה הוא לא יציב וינסה למלא אותה.
דוגמה: נתרן (2,8,1), כלור (2,8,7) - יגיבו כימית כדי למלא או לרוקן את הקליפה החיצונית
אטומים "רוצים" להגיע למצב של קליפה חיצונית מלאה - זה הכוח המניע תגובות כימיות!
שאלה לחשיבה
לנתרן יש מבנה אלקטרוני 2,8,1 ולכלור 2,8,7. איך הם יכולים לעזור אחד לשני להגיע לקליפה מלאה?
נתרן ימסור את האלקטרון הבודד שלו מקליפה M, וכך יישאר עם 2,8 (מלא!). כלור יקבל את האלקטרון הזה ויהפוך ל-2,8,8 (מלא!). כך נוצר קשר יוני - נתרן הופך ל-Na⁺ וכלור ל-Cl⁻, ויחד הם יוצרים מלח שולחן (NaCl).
למה אטומים מגיבים כימית?
מטרה: קליפה מלאה
אטומים שואפים להגיע למצב של קליפה חיצונית מלאה (2 או 8 אלקטרונים).
דרכים להשיג זאת
לתרום אלקטרונים, לקבל אלקטרונים, או לשתף אלקטרונים עם אטומים אחרים.
איפה רואים את זה בחיים?
שלטי ניאון
ניאון (2,8) - קליפה מלאה, גז אציל. כשמעבירים דרכו חשמל, הוא פולט אור אדום-כתום בלי להגיב כימית.
נתרן במים
נתרן (2,8,1) - אלקטרון ערכיות בודד. לכן הוא כל כך פעיל שהוא מתפוצץ כשנוגע במים!
בלוני הליום
הליום (2) - קליפה K מלאה. הוא קל מאוויר ולא דליק (בניגוד למימן) כי הוא לא מגיב כימית.
שאלה לחשיבה
מדוע הגזים האצילים (הליום, ניאון, ארגון) לא מגיבים כימית?
הגזים האצילים הם יציבים במיוחד כי הקליפה החיצונית שלהם מלאה:
• הליום (He): 2 אלקטרונים בקליפה K (מלא!)
• ניאון (Ne): 2,8 (מלא!)
• ארגון (Ar): 2,8,8 (מלא!)
אטומים "רוצים" קליפה חיצונית מלאה. הגזים האצילים כבר הגיעו למטרה, אז אין להם סיבה למסור, לקבל או לשתף אלקטרונים - לכן הם אינרטיים ולא מגיבים כימית.
בגלל התכונה הזאת, גזים אצילים משמשים למילוי בלונים (הליום), שלטי ניאון (ניאון), ונורות חיסכון (ארגון).
שאלה לחשיבה
מהם אלקטרוני ערכיות ולמה הם חשובים?
אלקטרוני ערכיות הם האלקטרונים שבקליפה החיצונית של האטום. הם קובעים אם האטום ימסור, יקבל או ישתף אלקטרונים, ולכן הם אחראים לרוב התגובות הכימיות ולקשרים בין אטומים.
3 קליפות ראשונות
K (2), L (8), M (8) - סדר המילוי מפנים לחוץ
אלקטרוני ערכיות
האלקטרונים בקליפה החיצונית - קובעים התנהגות כימית
יציבות = קליפה מלאה
2 או 8 אלקטרונים בקליפה חיצונית = אטום יציב
ב-1913, המדען הדני נילס בוהר הציע מודל חדש לאטום.
המודל של בוהר:
- האלקטרונים נעים במסלולים קבועים (קליפות) סביב הגרעין - כמו כוכבי לכת סביב השמש
- כל קליפה מאופיינת ברמת אנרגיה קבועה
- אלקטרון יכול לקפוץ מקליפה לקליפה רק אם הוא סופג או פולט אנרגיה
- האלקטרונים לא נופלים לתוך הגרעין כי הם נעים במסלולים יציבים
מודל בוהר הסביר למה אטומים פולטים אור בצבעים מסוימים (כמו אור צהוב מנתרן או אור אדום מניאון).
כיום אנחנו יודעים שהמציאות מורכבת יותר (מכניקה קוונטית), אבל מודל בוהר עדיין שימושי ללימוד יסודות הכימיה!
בוהר זכה בפרס נובל בפיזיקה ב-1922 על המודל שלו.
שאלה לחשיבה
למה יסודות באותה עמודה בטבלה המחזורית מתנהגים באופן דומה מבחינה כימית?
יסודות באותה עמודה (קבוצה) בטבלה המחזורית מתנהגים דומה כי יש להם אותו מספר אלקטרוני ערכיות בקליפה החיצונית. למשל, ליתיום (2,1), נתרן (2,8,1) ואשלגן (2,8,8,1) - לכולם אלקטרון ערכיות אחד, ולכן כולם מתכות פעילות שמאבדות אלקטרון אחד בקלות.