Elektronskall

thumb|300px|Forskjellige blokker av underskall med elektroner i det periodiske systemet for grunnstoffene.

Elektronskall betegner i kjemi eller atomfysikk organiseringen av elektroner i et atom utenfor atomkjernen. Skallene i de etablerte atomene er nummererte med hovedkvantetallet som bærer de tilsvarende navnene K,L,M,N,O,P,Q. Av disse er elektronene i K-skallet nærmest kjernen, mens elektronene i Q-skallet er stort sett lengst borte.

Denne forbindelsen mellom avstand fra kjernen og størrelsen på hovedkvantetallet ble først funnet i Bohrs atommodell, men er ikke lenger så direkte i moderne kvantemekanikk. Her kan man i stedet si at dette kvantetallet heller angir økende energi for elektronene, mens den romlige plassering av dem er gitt ved sannsynligheter. For eksempel har et elektron i P-skallet større sannsynlighet for å befinne seg lengre borte fra atomkjernen enn et elektron i L-skallet.

Hvert hovedskall er oppdelt i n underskall gitt ved det azimutale kvantetallet som bærer de tilsvarende merkelappene s,p,d,f,.. . For å angi et underskall eller en slikk blokk med lektroner, brukes notasjonen . Derfor har K-skallet kun underskallet 1s, mens L-skallet inneholder underskallene 2s og 2p. Ifølge kvantemekanikken og Paulis eksklusjonsprinsipp kan et underskall inneholde maksimalt elektroner. Et d-skall med ℓ = 2 inneholder derfor maksimalt 10 elektroner, mens et f-skall kan maksimalt ha 14 elektroner. Et fullt skall har hverken dreieimpuls eller spinn da bidragene fra elektronene opphever hverandre helt eksakt. Det magnetiske momentet for et atom skyldes derfor ene og alene elektronene i ikke-fulle skall.

Mens hovedkvantetallet n bestemmer den delen av energien til et elektron som primært avhenger av vekselvirkningen med atomkjernen, vil den delen av energien som skyldes vekselvirkningene med de andre elektronene avhenge av det asimutale kvantetallet ℓ. Samspillet mellom disse to medfører at energien til elektronene i forskjellige underskall varierer på en komplisert måte som på bestemmes ved numeriske beregninger. I grunntilstanden til atomet hvor det har lavest energi, blir elektronene plassert på en slik måte i de forskjellige underskallene at det får minst energi. Beregning av disse elektronkonfigurasjonene gir de kjemiske egenskapene til atomene. Et eksempel er de sjeldne jordartene som oppstår fordi underskallet 4f har lavere energi enn 5d og dermed blir først oppfylt.

Z Atom K L M N O P Q1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p 1 Hydrogen 1                    2 Helium 2                     3 Litium 2 1                    4 Beryllium 2 2                   5 Bor 2 2 1                   6 Karbon 2 2 2                   7 Nitrogen 2 2 3                   8 Oksygen 2 2 4                  9 Fluor 2 2 5                  10 Neon 2 2 6                  Z Atom K L M N O P Q1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p 11 Natrium 2 2 6 1                 12 Magnesium 2 2 6 2                 13 Aluminium 2 2 6 2 1                14 Silisium 2 2 6 2 2                 15 Fosfor 2 2 6 2 3                16 Svovel 2 2 6 2 4                17 Klor 2 2 6 2 5                18 Argon 2 2 6 2 6                Z Atom K L M N O P Q1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p 19 Kalium 2 2 6 2 6  1               20 Kalsium 2 2 6 2 6  2               21 Scandium 2 2 6 2 6 1 2               22 Titan 2 2 6 2 6 2 2               23 Vanadium 2 2 6 2 6 3 2               24 Krom 2 2 6 2 6 5 1               25 Mangan 2 2 6 2 6 5 2               26 Jern 2 2 6 2 6 6 2               27 Kobolt 2 2 6 2 6 7 2               28 Nikkel 2 2 6 2 6 8 2               29 Kobber 2 2 6 2 6 10 1               30 Sink 2 2 6 2 6 10 2               31 Gallium 2 2 6 2 6 10 2 1             32 Germanium 2 2 6 2 6 10 2 2             33 Arsen 2 2 6 2 6 10 2 3             34 Selen 2 2 6 2 6 10 2 4             35 Brom 2 2 6 2 6 10 2 5             36 Krypton 2 2 6 2 6 10 2 6             Z Atom K L M N O P Q1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p 37 Rubidium 2 2 6 2 6 10 2 6   1           38 Strontium 2 2 6 2 6 10 2 6   2           39 Yttrium 2 2 6 2 6 10 2 61  2           40 Zirkonium 2 2 6 2 6 10 2 62  2           41 Niob 2 2 6 2 6 10 2 64  1           42 Molybden 2 2 6 2 6 10 2 65  1           43 Technetium 2 2 6 2 6 10 2 65  2           44 Ruthenium 2 2 6 2 6 10 2 67   1           45 Rhodium 2 2 6 2 6 10 2 6 8  1           46 Palladium 2 2 6 2 6 10 2 610               47 Sølv 2 2 6 2 6 10 2 6 10   1           48 Kadmium 2 2 6 2 6 10 2 6 10   2           49 Indium 2 2 6 2 6 10 2 6 10   2 1          50 Tinn 2 2 6 2 6 10 2 6 10   2 2         51 Antimon 2 2 6 2 6 10 2 6 10   2 3         52 Tellur 2 2 6 2 6 10 2 6 10   2 4         53 Jod 2 2 6 2 6 10 2 6 10   2 5         54 Xenon 2 2 6 2 6 10 2 6 10   2 6         Z Atom K L M N O P Q1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p 55 Cesium 2 2 6 2 6 10 2 6 10   2 6    1     56 Barium 2 2 6 2 6 10 2 6 10   2 6    2     57 Lantan 2 2 6 2 6 10 2 6 10   2 6 1  2     58 Cerium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 1 2 6 1  2     59 Praseodym 2 2 6 2 6 10 2 6 10 3 2 6   2     60 Neodym 2 2 6 2 6 10 2 6 10 4 2 6  2     61 Promethium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 5 2 6  2     62 Samarium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 6 2 6   2     63 Europium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 7 2 6   2     64 Gadolinium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 7 2 6 1 2      65 Terbium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 9 2 6  2      66 Dysprosium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 10 2 6   2     67 Holmium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 11 2 6   2     68 Erbium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 12 2 6   2     69 Thulium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 13 2 6   2     70 Ytterbium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6   2     71 Lutetium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 61 2     72 Hafnium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 2  2     73 Tantal 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 3  2     74 Wolfram 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 4  2     75 Rhenium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 5  2     76 Osmium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 6  2     77 Iridium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 7  2     78 Platina 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 8  2     79 Gull 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10  1     80 Kvikksølv 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10  2     81 Thallium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10  2 1    82 Bly 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10  22    83 Vismut 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10  23    84 Polonium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10  2 4    85 Astat 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10  2 5    86 Radon 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 610   2 6    Z Atom K L M N O P Q1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p 87 Francium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10   2 6 1  88 Radium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10   2 6  2  89 Actinium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10  26 12  90 Thorium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10  2 6 2 2  91 Protactinium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 2 2 6 1 2   92 Uran 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 3 2 6 1 2   93 Neptunium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 610 4 2 6 1 2   94 Plutonium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 6 2 6   2   95 Americium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 7 2 6   2   96 Curium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 7 2 6 1 2   97 Berkelium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 9 2 6   2   98 Californium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 610 10 2 6   2   99 Einsteinium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 11 2 6   2   100 Fermium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 12 2 6   2   101 Mendelevium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 1013 2 6   2   102 Nobelium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6   2   103 Lawrencium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6   2 1 104 Rutherfordium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 2 2   105 Dubnium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 610 14 2 6 3 2   106 Seaborgium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 4 2   107 Bohrium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 5 2   108 Hassium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 6 2   109 Meitnerium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 7 2   110 Darmstadtium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 8 2   111 Røntgenium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 9 2   112 Copernicium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 10 2   113 Nihonium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 10 2 1 114 Flerovium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 10 2 2 115 Moscovium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 10 2 3 116 Livermorium 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 10 2 4 117 Tenness 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 10 2 5 118 Oganesson 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 10 2 6

Kjemiske bindinger med andre atomer avhenger av elektronene i det ytterste skallet som ofte kalles for valensskallet. Det er også elektronene i dette skallet som bestemmer det synlige lyset som et atom kan sende ut. Disse valenselektronene blir derfor også kalt for optiske elektroner.

I slike kjemiske sammenhenger spiller også det magnetiske kvantetallet m en viktig rolle. I et underskall med en gitt verdi av det asimutale kvantetallet ℓ, tar dette tredje kvantetallet 2ℓ + 1 heltallige verdier fra -ℓ til +ℓ. Hvert underskall blir på den måten oppdelt i et tilsvarende antall orbitaler med elektroner som har sterkt retningsavhengige, romlige sannsynlighetsfordelinger i rommet. Disse gir molekylene deres kompliserte strukturer.

Det periodiske systemet

Når alle underskallene i et skall med hovedkvantetall n er fylt, sier man at hovedskallet er fylt. Det har da i alt 2n2 elektroner. De tilsvarende tallene 2, 8, 18 og 32 tilsvarer også lengden til periodene i det periodiske systemet. Dette ble observert for over hundre år siden av den svenske fysiker Johannes Rydberg.

Men det eksisterer likevel ingen direkte sammenheng mellom fylte hovedskall og perioder. Derimot kan man si at når et elektron for første gang må plasseres i et nytt hovedskall, så påbegynnes en ny periode. Dette elektronet plasseres alltid i et s-skall og det tilsvarende atomet er i gruppen for alkalimetall. Alle innenforliggende underskall er oppfylte og utgjør elektronkonfigurasjonen for en edelgass med 8 elektroner tilsammen i de to ytterste underskallene. Slike atomer har vanskelig for å reagere med andre av samme sort eller generelt med alle andre atomer. Men med et elektron til i et nytt hovedskall vil det resulterende alkalimetallet være tilsvarende reaktivt.

Dette resulterer i at nye hovedskall kan påfylles før alle dets underskall er fylte. For eksempel så inngår det første elektronet i N-skallet med kalium som har atomnummer Z = 19. Og dette skallet blir ikke fullt før ved ytterbium som har Z = 70. Og da er det allerede elektroner i noen av underskallene til både O- og P-skallene. Av samme grunn blir O-skallet først fullt med nobelium med Z = 102 som ikke en gang er stabilt. Elektronkonfigurasjonene for dette grunnstoffet og de med enda høyere atomnummer er ennå ikke etablert med sikkert.

Periode 4 og 5 inneholder hver sin blokk med 10 innskuddsmetall. De oppstår ved at underskallet 3d fylles opp før 4p i fjerde periode og 4d før 5p i femte periode. På samme måte oppstår lantanidene ved at 4f i N-skallet fylles opp før 5d i O-skallet. Alle grunnstoffene i denne 4f-blokken har 2 elektroner i 6s-skallet som i stor grad definerer deres kjemiske egenskaper da de ligger ytterst. Det er tilsvarende energetiske forhold som forklarer egenskapene i aktinidene hvor 5f-skallet fylles opp før 6d i P-skallet.

Historisk bakgrunn

Opprinnelig i Bohrs atommodell fra 1913 ble det antatt at elektronene i et atom ikke beveget seg i tredimensjonale skall, men befant seg på konsentriske ringer i samme plan rundt atomkjernen. I laveste energitilstand eller grunntilstanden skulle alle elektronene ha samme hovedkvantetall n = 1 da det var kun denne banen i H-atomet som var stabil. Alle baner skulle derfor være 1-kvant baner. Antall elektroner i hver ring og avstanden mellom dem var bestemt ut fra klassisk fysikk basert på virkningene av den elektriske, tiltrekkende kraften fra atomkjernen og den elektriske frastøtningen mellom elektronene. I heliumatomet medførte disse betraktningene til at dets to elektroner måtte befinne seg på samme ring, men hele tiden på diametralt motsatt side av hverandre. Det har en elektronkonfigurasjon som derfor kunne skrives som He(2).

Elektronringer