1.9B: Valentie- en kernelektronen
De elektronen van een atoom worden gewoonlijk in twee categorieën onderverdeeld: valentie- en kernelektronen. Valentie-elektronen bezetten de buitenste schil of het hoogste energieniveau van een atoom, terwijl kernelektronen de binnenste schil of de laagste energieniveaus bezetten. Dit verschil is van grote invloed op de rol van de twee soorten elektronen in een chemische reactie. In het algemeen kunnen valentie-elektronen deelnemen aan de vorming van chemische bindingen, maar kernelektronen kunnen dat niet. Terwijl kernelektronen niet betrokken zijn bij binding, beïnvloeden zij wel de chemische reactiviteit van een atoom.
De elektronenconfiguratie van een zuurstofatoom is
wat kan worden afgekort
2s^2 2p^4 \label{2}]
waarbij de \(\) staat voor de configuratie van helium (\(1s^2\)). Op dezelfde manier kan de configuratie van calcium met 20 elektronen worden geschreven
4s^2 \label{3}]
waarbij \(\) staat voor de configuratie van argon (\(1s^22s^22p^6 3s^2 3p^6\)). Elektronische configuraties die overeenkomen met edelgassen zijn zeer stabiel omdat ze een volledig octet hebben (behalve helium met een volledige 1s orbitaal).
De valentie-elektronen (d.w.z. 1s) in zuurstof nemen niet deel aan de binding (d.w.z. de chemie) en worden kernelektronen genoemd. De valentie-elektronen (d.w.z. het deel met 2s^22p^4) zijn valentie-elektronen, die wel deelnemen aan het maken en verbreken van bindingen. Op dezelfde manier zijn in calcium (Vergelijking (^3})) de elektronen in de argonachtige gesloten schil de kernelektronen en de twee elektronen in de 4s orbitaal valentie-elektronen.
Voorbeeld ^(^3}): Kobalt
Wat zijn de kern- en valentie-elektronen in kobalt?
Oplossing
Begin met het opschrijven van de elektronenconfiguratie van kobalt met 27 elektronen:
B argon heeft echter de elektronenstructuur ^(1s^22s^22p^23s^23p^6), dus kunnen we de configuratie herschrijven als
4s^23d^7 ^4s^23d^7
De twee elektronen in de baan van 4 en de zeven elektronen in de baan van 3d zijn de valentie-elektronen: alle andere zijn kernelektronen.
De periodiciteit van de valantie-elektronen kan worden gezien in het Periodiek Systeem. In principe wordt de periodiciteit alleen toegepast op de elementen van de hoofdgroep, terwijl in overgangsmetalen de regels complex zijn.
De kernelektronen blijven gelijk bij de toename van het aantal groepen in de elementen van de hoofdgroep. Daarentegen nemen de valantie-elektronen met één toe van links naar rechts van een hoofdperiode, en blijven zij gelijk naar beneden in de kolom van een hoofdgroep. Deze evolutie geeft periodieke verandering in de eigenschappen van een periode, en soortgelijke chemische eigenschappen van een groep, die periodieke trend wordt genoemd. Het aantal valentie-elektronen in een hoofdperiode is gelijk aan zijn groepsnummer. De onderstaande tabel laat deze regel duidelijk zien.
Onder constructie
Figuur 1: 1A + 2A zijn metalen. 3A t/m 8A zijn niet-metalen.
Deze periodiciteit kan echter niet worden toegepast op de overgangsgroep, die gecompliceerder is dan die van de hoofdgroep. Hoewel de buitenste elektronen gemakkelijk kunnen worden bepaald, zijn de schijnbare valentie-elektronen die bij chemische reactiviteit in aanmerking worden genomen, complex en fluctuerend. Elektronen die naar het d-subniveau gaan, kunnen de rol van valentie-elektronen of van afschermingselektronen spelen. Er is dus niet altijd een bepaald aantal schijnbare valentie-elektronen. Het aantal schijnbare valentie-elektronen voor het eerste overgangsmetaal wordt in onderstaande tabel weergegeven.
Onder constructie
Figuur 2: Valentie-elektronen voor overgangsmetalen.
Relatie met chemische reactiviteit
De chemische reactiviteit van een atoom wordt hoofdzakelijk bepaald door de valentie-elektronen. Atomen die een volledige valentie-elektronenschil hebben, zijn meestal chemisch inert. Atomen met één of twee valentie-elektronen zijn zeer reactief. Dit verschijnsel kan worden verklaard door de regel van Hund, die stelt dat lege, halfvolle of volle banen stabieler zijn dan banen die dat niet zijn. Ne is bijvoorbeeld chemisch inert omdat het twee valentie-elektronen heeft die zijn buitenste schil vullen, waardoor het stabiel is in vergelijking met atomen zoals Al, dat drie valentie-elektronen heeft, maar waarvan de valentie-elektronen zijn buitenste schil niet vullen.
Hoewel kernelektronen niet deelnemen aan chemische bindingen, spelen zij een rol bij het bepalen van de chemische reactiviteit van een atoom. Deze invloed is in het algemeen te danken aan het effect dat het heeft op valentie-elektronen. Het effect kan worden waargenomen aan de hand van de geleidelijke verandering van de chemische reactiviteit in een groep. Naarmate men lager in een groep komt, worden meer schillen bezet door elektronen, waardoor de omvang van het atoom toeneemt. Hoe meer kernelektronenschillen een atoom heeft, hoe groter het atoom, en hoe verder de valentie-elektronen van de kern verwijderd zijn, zodat de valentie-elektronen minder effectieve kernlading zullen ondervinden en gemakkelijk verloren zullen gaan. Zo kunnen bijvoorbeeld Na en K beide reageren met water, maar K reageert radicaler omdat het meer schilden met kernelektronen heeft, waardoor het valentie-elektron in zijn buitenste baan veel gemakkelijker verloren gaat dan het valentie-elektron van Na.