Heading

Valentie-elektronen

Zoals in een vorig deel van dit hoofdstuk is gezegd, zijn elektronen zeer belangrijk, omdat een specifieke subset van elektronen, valentie-elektronen genaamd, alleen verantwoordelijk zijn voor het bepalen van de manier waarop elementen zich aan elkaar binden. Het aantal valentie-elektronen dat in een atoom aanwezig is, kan worden bepaald aan de hand van de elektronenconfiguratie van dat atoom. Valentie-elektronen bevinden zich in de banen die horen bij het hoogst bezette energieniveau van een atoom. De resterende elektronen, die binnenste schilelektronen worden genoemd, nemen niet deel aan de binding en zijn daarom niet belangrijk om te bestuderen.

Overweeg de elektronenconfiguratie van zwavel, die in het vorige hoofdstuk is bepaald en hieronder wordt gerepliceerd.

1s22s22p63s23p4

Houd in gedachten dat de energieniveaus in een elektronenconfiguratie de leidende rode getallen zijn die het begin van een nieuwe combinatie van energieniveau en orbitaal aangeven. Zwavel heeft elektronen in de eerste, tweede en derde energieniveaus, zoals aangegeven door respectievelijk de leidende rode 1’s, 2’s, en 3’s. Valentie-elektronen zijn die welke zich in het hoogst bezette energieniveau bevinden. Daarom moeten in dit geval alleen de elektronen in aanmerking worden genomen die zijn geassocieerd met een energieniveau/orbitaalcombinatie die met een 3 begint. Aangezien twee combinaties van energieniveaus en orbitalen met een 3 beginnen, zijn beide orbitalen geselecteerd voor verdere beschouwing:

3s23p4

De superscripts die bij deze orbitalen horen, zijn in totaal 6. Zwavel heeft dus 6 valentie-elektronen.

Voorbeeld

Bepaal hoeveel van de elektronen van stikstof als valentie-elektronen worden geclassificeerd. De elektronenconfiguratie van stikstof, die in de vorige paragraaf is bepaald, staat hieronder.

1s22s22p3

Oplossing

Stikstof heeft elektronen in het eerste en tweede energieniveau, zoals aangegeven door respectievelijk de leidende rode 1 en 2’en. Valentie-elektronen zijn die welke zich in het hoogste bezette energieniveau bevinden. Daarom moeten in dit geval alleen de elektronen in aanmerking worden genomen die zijn geassocieerd met een energieniveau/orbitaalcombinatie die met een 2 begint. Aangezien twee combinaties van energieniveaus en orbitalen met een 2 beginnen, zijn beide orbitalen geselecteerd voor verdere beschouwing:

2s22p3

De superscripts die bij deze orbitalen horen, zijn in totaal 5. Daarom heeft stikstof 5 valentie-elektronen.

Oefening

Bepaal hoeveel van de elektronen in elk van de volgende elementen als valentie-elektronen worden geclassificeerd. De elektronenconfiguratie van elk element, die in de vorige paragraaf is bepaald, staat hieronder.

1. Neon

1s22s22p6

1. Calcium

1s22s22p63s23p64s2

Antwoord a Neon heeft elektronen in het eerste en tweede energieniveau, zoals aangegeven door de leidende rode 1 en 2’s, respectievelijk. Valentie-elektronen zijn die welke zich in het hoogste bezette energieniveau bevinden. Daarom moeten in dit geval alleen de elektronen in aanmerking worden genomen die zijn geassocieerd met een energieniveau/orbitaalcombinatie die met een 2 begint. Aangezien twee combinaties van energieniveaus en orbitalen met een 2 beginnen, worden beide orbitalen geselecteerd voor verdere beschouwing:

2s22p6

De superscripts die bij deze banen horen zijn in totaal 8. Neon heeft dus 8 valentie-elektronen. Antwoord b Calcium heeft elektronen in de eerste, tweede, derde en vierde energieniveaus, zoals aangegeven door respectievelijk de voorlopende rode 1’s, 2’s, 3’s, en 4. Valentie-elektronen zijn die welke zich in het hoogst bezette energieniveau bevinden. Daarom moeten in dit geval alleen de elektronen in aanmerking worden genomen die zijn geassocieerd met een energieniveau/orbitaalcombinatie die begint met een 4. Aangezien slechts één combinatie van energieniveau en orbitaal met een 4 begint, wordt slechts één orbitaal geselecteerd voor verdere beschouwing:

4s2

Het superscript dat bij deze orbitaal hoort is een 2. Calcium heeft dus 2 valentie-elektronen.

Een elektronenconfiguratie vertegenwoordigt alle elektronen die in een atoom van een element aanwezig zijn, maar chemici zijn alleen echt geïnteresseerd in de valentie-elektronen van een atoom, omdat, zoals hierboven is aangegeven, dit de elektronen zijn die als enige bepalen hoe elementen zich aan elkaar binden. Daarom zou het vinden van een “snelkoppeling” om te bepalen hoeveel valentie-elektronen in een atoom aanwezig zijn, zeer handig zijn. Zo’n “snelkoppeling” bestaat inderdaad. In een vorig deel van dit hoofdstuk werden drie systemen voor het labelen van de groepen, of kolommen, in het periodiek systeem gepresenteerd. Het tweede systeem, dat het “A/B-Systeem” wordt genoemd, werd aangegeven om inzicht te verschaffen in het elektronische karakter van de elementen die binnen die groep voorkomen.

Zie bijvoorbeeld zwavel, S, dat op basis van zijn elektronenconfiguratie 6 valentie-elektronen heeft.

Zwavel bevindt zich in de 16e kolom van het periodiek systeem. Het “A/B-Systeem” wordt echter gebruikt om de elementen van de hoofdgroep te labelen. Groep 16 is de 6e kolom in de hoofdgroep, of “A-Blok,” kolommen van het periodiek systeem en wordt daarom aangeduid als Groep 6A. Merk op dat het valentie-elektronaantal van zwavel overeenkomt met zijn groepnummer in het “A/B-Systeem”. Dit verband geldt voor bijna alle elementen die in de hoofdgroepkolommen van het periodiek systeem voorkomen. Helium is de enige uitzondering op deze regel, omdat het wordt gevonden in groep 8A, maar slechts twee totale elektronen bevat. Deze inconsistentie maakt de “A/B snelkoppeling” ongeldig, en de elektronenconfiguratie methode moet worden gebruikt om te bepalen dat beide elektronen van helium valentie-elektronen zijn.

Omdat het “A/B-systeem” groepsnummer overeenkomt met het aantal valentie-elektronen dat in een atoom aanwezig is, hebben alle elementen die binnen dezelfde kolom worden gevonden hetzelfde aantal valentie-elektronen. Aangezien de valentie-elektronen van een atoom de enige zijn die bepalen hoe elementen zich aan elkaar binden, verklaart dit gemeenschappelijke elektronische karakter waarom alle elementen binnen dezelfde groep vergelijkbare eigenschappen hebben.

Voorbeeld

Op basis van zijn plaats in het periodiek systeem, bepaal hoeveel van de elektronen van stikstof worden geclassificeerd als valentie-elektronen.

Oplossing

Het groepnummer van het “A/B-systeem” geeft het aantal valentie-elektronen aan dat in een atoom aanwezig is. Stikstof (N) bevindt zich in de 15e kolom van het periodiek systeem. Het “A/B-Systeem” wordt echter gebruikt om de elementen van de hoofdgroep te labelen. Groep 15 is de 5e kolom in de hoofdgroep, of “A-Blok,” kolommen van het periodiek systeem en wordt dus aangeduid als Groep 5A. Daarom heeft stikstof 5 valentie-elektronen. (Dit antwoord komt overeen met de oplossing van Voorbeeld 1.)

Oefening 2

Bepaal op basis van het periodiek systeem hoeveel van de elektronen in elk van de volgende elementen als valentie-elektronen zijn geclassificeerd.

1. Neon
2. Calcium

Antwoord a Het groepnummer van het “A/B-systeem” geeft het aantal valentie-elektronen aan dat in een atoom aanwezig is. Neon (Ne) bevindt zich in groep 18, die wordt aangeduid als groep 8A, volgens het “A/B-Systeem”. Neon heeft dus 8 valentie-elektronen. (Dit antwoord komt overeen met de oplossing van Oefening 1). Antwoord b Calcium (Ca) bevindt zich in groep 2, die in het “A/B-Systeem” als groep 2A wordt aangeduid. Daarom heeft calcium 2 valentie-elektronen. (Ook dit antwoord komt overeen met de oplossing van Oefening b).