Hvað er áttuhvolf og hvað þarf margar rafeindir til að metta fjórða hvel og ofar í frumeindum?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvað er áttuhvolf og hvað þarf margar rafeindir til að metta fjórða hvel og ofar í frumeindum?
Með áttuhvolfi eða áttureglu (e. octet rule) er átt við að fyrir frumefni innan aðalflokka lotukerfisins, það er að segja flokka 1 - 2 og 13 - 18, gefi átta rafeindir í gildissvigrúmum stöðuga rafeindaskipan. Ástæðan fyrir þessu er sú, að innan þessara flokka efna er verið að fylla svokallað s-svigrúm og þrjú p-svigrúm, það er fjögur svigrúm alls en hvert svigrúm getur tekið við tveimur rafeindum.

Orðið shell á ensku (þýtt hvolf eða hvel á íslensku) samsvarar svokallaðri höfuðskammtatölu n en gildi n, eru 1, 2, 3, 4..... . Fyrsta hvolfið (kallað K-hvolf, sjá mynd 1) hefur eitt svokallað 1s-svigrúm og getur þess vegna tekið við 2 rafeindum. Annað hvolfið (L-hvolf) hefur fjögur svigrúm, eitt 2s-svigrúm og þrjú 2p-svigrúm og getur þess vegna tekið við 8 rafeindum. Þriðja hvolfið (M-hvolf) hefur níu svigrúm: eitt 3s-svigrúm, þrjú 3p-svigrúm og fimm 3d-svigrúm, og getur tekið við 18 rafeindum. Við gætum haldið áfram, en fyrir fjórða hvolfið (n = 4) bætast við sjö 4f-svigrúm. Þar er þess vegna pláss fyrir 32 rafeindir á N hvolfi.

Mynd 1. Svigrúmaskipan frumeinda.

Eðlilega er lítið gagn af þessari fræðilegu framsetningu ef hún skýrir ekki raunveruleg fyrirbrigði eins og lotuhegðun frumefnanna. Þegar reynt er að tengja þessi hvolf orkuþrepum svigrúmanna og þar af leiðandi lotuhegðun frumefnanna kemur strax upp vandamál. Fyrsta lota lotukerfisins hefur tvö frumefni (vetni, H, og helín, He), önnur lotan hefur 8, hvort tveggja í samræmi við framsetningu okkar hér fyrir ofan. Þriðja lotan hefur hins vegar 8 frumefni líka, ekki 18 eins og við mætti búast ef orka allra svigrúmanna með sömu skammtatöluna væri sú sama. Það kemur sem sagt í ljós að svigrúm, sem eru innan mismunandi svokallaðra undirhvolfa eru aðeins orkulega jafngild fyrir vetni sem inniheldur aðeins eina rafeind.

Tafla 1. Fjöldi rafeinda í hvolfi.

		Hámarksfjöldi rafeinda í viðkomandi svigrúmi
Hvolfnúmer/ höfuð-skammtatala/ n	Hvolf	s	p	d	f	Hámarksfjöldi rafeinda í hvolfi (=2n2)
1	K	2	-	-	-	2
2	L	2	6	-	-	8
3	M	2	6	10	-	18
4	N	2	6	10	14	32

Fyrir frumefni með fleiri en eina rafeind eru 3d-svigrúmin orkulega óstöðugri en 4s-svigrúmið. Við byrjum þess vegna á 4. lotu lotukerfisins (með því að setja rafeindir í 4s-svigrúm) áður en við fyllum 3d-svigrúmin. Sama gildir um 4d og 5s. Á meðan verið er að setja rafeindir í þessi innri p-svigrúm erum við að fara í gegnum svokallaða hliðarmálma (til dæmis Sc til Zn í fjórðu lotu). Ef við förum enn þá lengra inn í lotukerfið, kemur í ljós að 4f fyllast ekki fyrr en í sjöttu lotu á eftir 6s, en þá koma til svokallaðir lantan-málmar.

Mynd 2. Rafeindaskipan frumefnanna. Smelltu á myndina til að skoða stærra eintak af henni.

Mjög eðlileg spurning er þessi: Úr því að hvolfin eða aðalskammtatalan (n) skilgreina ekki orku svigrúmanna (nema fyrir vetni) og þar af leiðandi rafeindauppbyggingu frumefnanna og lotukerfið, hafa þá þessi hugtök nokkra raunverulega þýðingu fyrir skilning okkar á frumefnunum? Svarið við þessu er það að hvolfin skilgreina fjarlægð frá kjarnanum. Þess vegna segjum við að verið sé að fylla innri svigrúm þegar farið er í gegnum hliðarmálma lotukerfisins eða lantan-röðina.

Frekara lesefni utan Vísindavefsins:

• Wikipedia - Electron configuration
• Wikipedia - Electron shell

Mynd:

• Rafeindaskipan frumefnanna - Sótt 07.06.11

...