1.3 Elektronskaller og det periodiske system

Elektronerne bevæger sig omkring kernen på en måde, der er meget svær at beskrive præcist. For godt 100 år siden viste den danske fysiker Niels Bohr, at billedet kan forenkles med en skalmodel, som giver en god grundforståelse af, hvordan elektronerne er fordelt.

Skalmodellen

Ifølge skalmodellen befinder elektronerne sig i skaller omkring kernen. Den første skal ligger tættest på kernen, og de næste skaller ligger uden om.

Der er en grænse for, hvor mange elektroner der kan være i hver skal.

Figur 1: De tre inderste skaller og det største antal elektroner, de kan rumme. Her er alle tre skaller tegnet helt fyldte.

Sådan fordeles elektronerne

Elektronerne fylder skallerne op indefra. For de første 20 grundstoffer gælder to regler:

  1. Den inderste skal fyldes først, og derefter den næste.
  2. Der kan højst være 8 elektroner i den yderste skal.

Chlor har atomnummer 17 og dermed 17 elektroner, som du lærte i afsnit 1.2. De første 2 er i 1. skal, de næste 8 er i 2. skal, og de sidste 7 er i 3. skal.

Figur 2: Chloratomet tegnet efter skalmodellen.

I stedet for at tegne atomet kan man skrive antallet af elektroner i hver skal i en parentes, og det kaldes atomets elektronstruktur. Chlors elektronstruktur er (2, 8, 7).

Regel 2 forklarer, hvornår en ny skal bliver taget i brug. Når den yderste skal har 8 elektroner, begynder den næste elektron på en ny skal, og det gælder også for 3. skal, selv om den har plads til 18 elektroner. Argon har elektronstrukturen (2, 8, 8). Kalium har én elektron mere, som sidder i 4. skal, og kaliums elektronstruktur er derfor (2, 8, 8, 1).

Figur 3: Når den yderste skal har 8 elektroner, begynder den næste elektron på en ny skal.
NoteEksempel: elektronstrukturen for magnesium

Magnesium har atomnummer 12, og atomet har derfor 12 elektroner.

  • Der er plads til 2 elektroner i 1. skal, og så er der 10 tilbage.
  • Der er plads til 8 elektroner i 2. skal, og så er der 2 tilbage.
  • De sidste 2 elektroner er i 3. skal.

Elektronstrukturen er (2, 8, 2).

Efter de første 20 grundstoffer bliver mønstret mere indviklet, fordi 3. skal begynder at blive fyldt længere op. Jern har for eksempel elektronstrukturen (2, 8, 14, 2). Den slags elektronstrukturer skal du ikke kunne regne ud, men de kan slås op i det periodiske system bagest i bogen.

De første 18 grundstoffer

Figur 4: Elektronstrukturen for de første 18 grundstoffer. Elektronerne i yderste skal er tegnet med mørkeblå.

Figuren er sat op som det periodiske system. Læg mærke til to mønstre:

  • I en vandret række har alle atomer lige mange skaller. Rækkerne kaldes perioder.
  • I en lodret kolonne har alle atomer lige mange elektroner i yderste skal. Kolonnerne kaldes hovedgrupper.

Helium er en undtagelse, for det har kun 2 elektroner, men står alligevel i hovedgruppe 8, fordi dets yderste skal er fuld.

Elektronstruktur og det periodiske system

De to mønstre betyder, at en del af elektronstrukturen kan aflæses direkte i det periodiske system:

  • Periodens nummer er antallet af skaller.
  • Hovedgruppens nummer er antallet af elektroner i yderste skal.
Figur 5: Phosphor står i periode 3 og hovedgruppe 5. Atomet har derfor 3 skaller og 5 elektroner i den yderste.

Det periodiske system har 8 hovedgrupper. Mellem hovedgruppe 2 og 3 står undergrupperne, som alle er metaller, og for dem gælder den enkle regel om hovedgruppens nummer ikke.

Figur 6: Hovedgrupper og undergrupper i det periodiske system.

Elektronerne i den yderste skal kaldes også valenselektroner. Det er dem, der deltager i kemiske reaktioner, og derfor ligner grundstoffer i samme hovedgruppe hinanden kemisk. Lithium, natrium og kalium står for eksempel alle i hovedgruppe 1 og har én elektron i yderste skal. Alle tre er bløde metaller, der reagerer med vand.

Nogle af hovedgrupperne har deres eget navn.

Hovedgruppe Navn Eksempler
1 alkalimetaller (hydrogen hører ikke med) Li, Na, K
2 jordalkalimetaller Mg, Ca
7 halogener F, Cl, Br
8 ædelgasser He, Ne, Ar

Ædelgasreglen

Grundstofferne i hovedgruppe 8 kaldes ædelgasser. De har 8 elektroner i yderste skal, og helium har 2. Det er en særlig stabil elektronstruktur, og ædelgasserne reagerer derfor næsten ikke med andre stoffer.

Andre atomer er mest stabile, når de også har 8 elektroner i yderste skal, og det kaldes ædelgasreglen eller oktetreglen. Et atom kan få 8 elektroner i yderste skal på tre måder:

  • ved at afgive elektroner
  • ved at optage elektroner
  • ved at dele elektroner med andre atomer

De to første måder giver ioner, som kapitel 2 handler om, og den tredje giver molekyler, som kapitel 3 handler om. Først skal du dog lære at skrive en kemisk reaktion op, og det handler afsnit 1.4 om.

De mindste atomer følger en lidt anden regel. Hydrogen har kun 1. skal, og den er fuld med 2 elektroner, ligesom hos helium.

Hvorfor bruge skalmodellen?

Skalmodellen er en forenkling, for i virkeligheden er elektroner ikke små kugler, der kredser i pæne baner. Modellen er alligevel nyttig, fordi den kan forklare og forudsige, hvordan stoffer reagerer med hinanden.

NoteKort sagt
  • Elektronerne er fordelt i skaller. Der er plads til 2 i 1. skal og 8 i 2. skal, og der kan højst være 8 i den yderste skal.
  • Elektronstrukturen skrives i en parentes, for eksempel (2, 8, 7) for chlor.
  • Periodens nummer er antallet af skaller, og hovedgruppens nummer er antallet af elektroner i yderste skal.
  • Ædelgasreglen: atomer er mest stabile med 8 elektroner i yderste skal.

I laboratoriet: Øvelse 1.3: Flammefarver