1.9B: Valenz- und Kernelektronen
Die Elektronen eines Atoms werden typischerweise in zwei Kategorien unterteilt: Valenz- und Kernelektronen. Valenzelektronen besetzen die äußerste Schale oder das höchste Energieniveau eines Atoms, während Kernelektronen diejenigen sind, die die innerste Schale oder das niedrigste Energieniveau besetzen. Dieser Unterschied hat großen Einfluss auf die Rolle der beiden Elektronenarten in einer chemischen Reaktion. Im Allgemeinen können Valenzelektronen an der Bildung chemischer Bindungen teilnehmen, Kernelektronen jedoch nicht. Während Kernelektronen nicht an der Bildung von Bindungen beteiligt sind, beeinflussen sie die chemische Reaktivität eines Atoms.
Die Elektronenkonfiguration eines Sauerstoffatoms ist
woraus sich eine Kurzform ergibt
2s^2 2p^4 \label{2}}]
wobei das \(\) für die Konfiguration von Helium (\(1s^2\)) steht. Ähnlich kann die Konfiguration von Calcium mit 20 Elektronen geschrieben werden
4s^2 \label{3}\]
wobei das \(\) für die Konfiguration von Argon (\(1s^22s^22p^6 3s^2 3p^6\)) steht. Elektronenkonfigurationen, die den Edelgasen entsprechen, sind sehr stabil, da sie ein volles Oktett haben (außer Helium mit einem vollen 1s-Orbital).
Die \(1s\)-Elektronen in Sauerstoff nehmen nicht an der Bindung (d. h. der Chemie) teil und werden als Kernelektronen bezeichnet. Die Valenzelektronen (d.h. der \(2s^22p^4\)-Teil) sind Valenzelektronen, die an der Bildung und dem Bruch von Bindungen teilnehmen. In ähnlicher Weise sind bei Calcium (Gleichung \(\ref{3}\)) die Elektronen in der argonartig geschlossenen Schale die Kernelektronen und die beiden Elektronen im 4s-Orbital sind Valenzelektronen.
Beispiel \(\PageIndex{1}\): Kobalt
Was sind die Kern- und Valenzelektronen in Kobalt?
Lösung
Schreiben Sie zunächst die Elektronenkonfiguration von Kobalt mit 27 Elektronen auf:
Allerdings hat Argon die elektronische Struktur \(1s^22s^22p^23s^23p^6\), also können wir die Konfiguration umschreiben als
\4s^23d^7 \number\]
Die zwei Elektronen im \(4s\)-Orbital und die sieben Elektronen im \(3d\) sind die Valenzelektronen: Alle anderen sind Kernelektronen.
Die Periodizität der Valenzelektronen kann man im Periodensystem sehen. Grundsätzlich gilt die Periodizität nur für die Hauptgruppenelemente, während bei den Übergangsmetallen die Regeln komplexer sind.
Die Kernelektronen bleiben bei der Erhöhung der Gruppenzahlen in den Hauptgruppenelementen gleich. Dagegen nehmen die Valenzelektronen von links nach rechts einer Hauptperiode um eins zu und bleiben in der Spalte einer Hauptgruppe gleich. Diese Entwicklung ergibt eine periodische Änderung der Eigenschaft einer Periode und eine ähnliche chemische Eigenschaft einer Gruppe, die als periodischer Trend bezeichnet wird. Die Anzahl der Valenzelektronen in einer Hauptperiode ist gleich der Gruppennummer. Die untenstehende Tabelle zeigt diese Regel deutlich.
Ausführung
Abbildung 1: 1A + 2A sind Metalle. 3A bis 8A sind Nichtmetalle.
Diese Periodizität lässt sich jedoch nicht auf die Übergangsgruppe anwenden, die komplizierter ist als die der Hauptgruppe. Obwohl die äußersten Elektronen leicht bestimmt werden können, sind die scheinbaren Valenzelektronen, die in der chemischen Reaktivität berücksichtigt werden, komplex und fluktuierend. Elektronen, die in das d-Niveau gehen, können entweder eine Rolle als Valenzelektronen oder als Abschirmelektronen spielen. Es gibt also nicht immer eine bestimmte Anzahl von scheinbaren Valenzelektronen. Die Anzahl der scheinbaren Valenzelektronen für die erste Übergangsmetall-Periode ist in der folgenden Tabelle dargestellt.
Im Aufbau
Abbildung 2: Valenzelektronen für Übergangsmetalle.
Beziehung zur chemischen Reaktivität
Die chemische Reaktivität eines Atoms wird hauptsächlich durch Valenzelektronen bestimmt. Atome, die eine vollständige Schale von Valenzelektronen besitzen, sind tendenziell chemisch inert. Atome mit einem oder zwei Valenzelektronen sind hochreaktiv. Dieses Phänomen lässt sich mit der Hund’schen Regel erklären, die besagt, dass leere, halbvolle oder volle Orbitale stabiler sind als solche, die es nicht sind. Zum Beispiel ist Ne chemisch inert, weil es zwei Valenzelektronen hat, die seine äußerste Schale füllen, was es stabiler macht im Vergleich zu Atomen wie Al, das drei Valenzelektronen hat, aber dessen Valenzelektronen seine äußerste Schale nicht füllen.
Obwohl Kernelektronen nicht an der chemischen Bindung teilnehmen, spielen sie eine Rolle bei der Bestimmung der chemischen Reaktivität eines Atoms. Dieser Einfluss beruht in der Regel auf der Wirkung, die sie auf Valenzelektronen haben. Der Effekt lässt sich an der allmählichen Veränderung der chemischen Reaktivität in einer Gruppe beobachten. Je weiter man in einer Gruppe nach unten geht, desto mehr Schalen werden von Elektronen besetzt, was die Größe des Atoms erhöht. Je mehr Kernelektronenschalen ein Atom hat, desto größer ist das Atom, und desto weiter sind die Valenzelektronen vom Kern entfernt, so dass die Valenzelektronen eine geringere effektive Kernladung erfahren und leicht verloren gehen können. Zum Beispiel können \(\ce{Na}\) und \(\ce{K}\) beide mit Wasser reagieren, aber K hat eine radikalere Reaktion, weil es mehr Schalen von Kernelektronen hat, wodurch das Valenzelektron in seinem äußersten Orbital viel leichter zu verlieren ist als das Valenzelektron von Na.