Kemia 2: luku 2 Atomien elektronirakenteet ja niiden mallintaminen

Bohrin atomimallissa elektronit kiertävät atomin ydintä ympyränmuotoisilla radoilla, joita kutsutaan elektronikuoriksi. Täsmällisemmin elektronipilven rakennetta  kuvaa kvanttimekaaninen atomimalli. Tarkkojen ratojen sijasta tämä matemaattinen malli ennustaa, mistä elektronipilven osasta elektroni todennäköisimmin löytyy.

Elektronin sijoittuminen tietylle kuorelle kuvaa elektronin keskimääräistä energiaa. Elektronikuoria merkitään ytimestä lukien joko numeroilla 1, 2, 3,...tai kirjaintunnuksilla K, L, M, .... Mitä suurempi on kuoren numero n, sitä suurempi on kuorella olevan elektronin energia. Elektronien maksimimäärän kullakin kuorella ilmoittaa seuraava sääntö: kuorella, jonka järjestysnumeron on n, voi olla maksimissaan 2n² elektronia.

Orbitaalilla kuvataan sitä avaruuden osaa atomiytimen ympärillä, josta elektroni todennäköisimmin löytyy. Orbitaalit saavat kolmiulotteisia muotoja neljän eri kvanttiluvun perusteella. Yhdellä orbitaalilla voi olla vain kaksi elektronia, koska samalla orbitaaleilla olevilla elektroneilla on aina eri spinit.

Jos täyttyvillä orbitaaleilla on sama energia, kullekin orbitaalille sijoitetaan ensin yksi elektroni, joilla kaikilla on sama spini. Tätä kutsutaan Hundin säännöksi. Paulin kieltosäännön mukaan samalla orbitaalilla voi olla enintään kaksi elektronia, joilla on eri spini.

Jos atomiin tuodaan lisää energiaa  esim lämpönä tai valona, ulkoelektronit virittyvät eli siirtyvät korkeammille energiatasoille. Tämä viritystila on hyvin lyhytaikainen. Kun elektronit palaavat perustilaansa eli viritystila purkautuu, vapautuu sähkömagneettista säteilyä. Joillakin alkuaineilla vapautuvan säteilyn aallonpituus on näkyvän valon alueella. Jos ulkoeletktronit saavat riittävästi energiaa, ne irtoavat atomista kokonaan. Tällöin atomi ionisoituu, eli siitä tulee ioni. Syntyvällä ionilla on positiivinen varaus eli sitä kutsutaan kationiksi. Ionisoitumista kuvataan seuraavasti:

Li à Li⁺  + e^-

Eli tuossa litiumatomista muodostuu kationi, jonka varaus on +1. Vastaavasti fluoriatomista muodostuu anioni, jonka varaus on -1:

F + e^- à F^-

Jaksollisessa järjestelmässä on seitsemän vaakariviä eli jaksoa. Jaksollisen järjestelmän pystyrivejä kutsutaan ryhmiksi. Sivuryhmien alkuaineilla on 1-2 ulkoelektronia, mitä ei voi ennustaa sivuryhmän numerosta, vaan se selviää alkuaineen tarkasta elektronirakenteesta. Siksi saman sivuryhmän alkuaineilla ei välttämättä ole samanlaisia kemiallisia ominaisuuksia, toisin kuin saman pääryhmän alkuaineilla.