קליפת אלקטרונים

קליפת אלקטרונים היא אוסף של אורביטלים אטומיים עם אותו ערך של מספר קוונטי יסודי n. קליפות אלקטרונים עשויות מתת-קליפה אחת או יותר, שמכונות גם תת-רמות, שבהן יש שניים או יותר אורביטלים בעלי מספר תנע זוויתי קוונטי I זהה. קליפות אלקטרונים יוצרות את הקונפיגורציה האלקטרונית (האופן שבו האלקטרונים מסודרים סביב גרעין האטום) של האטום. מספר האלקטרונים בכל קליפה יכול להגיע עד ל-2n2. לכל קליפת אלקטרונים באטום מספר אלקטרונים מרבי הניתן לאכלוס בה. כאשר הקליפה מתמלאת הקליפה שמעליה מאוכלסת. על פי מכניקת הקוונטים לכל קליפה ישנה רמת אנרגיה שונה והאלקטרונים תמיד יאכלסו קודם לכן את הקליפה בעלת רמת האנרגיה הנמוכה יותר. רמת האנרגיה הגבוהה ביותר המכילה אלקטרונים מייצגת את קליפת הערכיות. קיומן של קליפות האלקטרונים נצפה בפעם הראשונה בניסוי של צ'ארלס בארקלה (אנ') והנרי מוזלי במסגרת מחקר של בליעת קרני רנטגן. בארקלה סימן את הקליפות הללו באותיות K, L, M וכן הלאה (המקור של המינוח הזה הוא אלפביתי. הקליפות K ו-L סומנו במקור באותיות B ו-A, אבל סימון זה שונה על מנת להשאיר מקום לקווים ספקטרליים היפותטיים שאולי יתגלו, אולם זה מעולם לא קרה). מאוחר יותר התגלה שהקווים הללו מתאימים לערכים 1, 2, 3 של המספר n. עושים בהם שימוש בסימון סיגבאן בספקטרוסקופיה. מקורו של השם "קליפת אלקטרונים" הוא ממודל האטום של בוהר, שלפיו קבוצות של אלקטרונים מקיפות את הגרעין במרחקים מסוימים, כך שהמסלולים שלהם יוצרים "קליפות". תת קליפות (subshells) אטומיות מזוהות בסדר האותיות s, p, d, f, g, h, i וכן הלאה, המייצגות את הקוונט של התנע הזוויתי, בהתאמה 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, וכו'. כל תת-קליפה כזאת יכולה להכיל עד 26, 22, 18, 14, 10, 6, 2 אלקטרונים בהתאמה, או מבחינה נוסחתית – 2(2l +1) אלקטרונים בכל תת-קליפה. הסימונים הבלתי־סדורים s, p, d ו-f שימשו במקור במערכת של זיהוי קווים ספקטרליים שמכבר הוצאה משימוש, אשר בה תיארה רביעייה זו את ארבעת הסיווגים הראשונים של קווים ספקטרליים. היות שלא נקבעו שמות לתת־הקליפות העוקבות, הכינויים g, h, i וכן הלאה נגזרו מסדר האלפבית האנגלי. האותיות הבלתי סדורות משקפות את המושגים: s עבור sharp, p עבור principal, d עבור diffuse, f עבור fundamental, וכן משם לפי האלפבית האנגלי. קליפת ערכיות היא הקליפה החיצונית של האלקטרונים המקיפים את גרעין האטום. אלקטרוני קליפת הערכיות הם אלו המשתתפים בתגובות כימיות ובקשרים כימיים, ולכן הם בעלי חשיבות רבה בקביעת תכונותיו הכימיות של האטום. הכימאי הפיזיקלי גילברט ניוטון לואיס היה האחראי הראשי לפיתוח הראשוני של התאוריה שטענה שאלקטרוני הערכיות משתתפים בקשרים כימיים. זמן מה לאחר מכן, הכליל והרחיב לינוס פאולינג את התאוריה תוך הפעלת יישומים של מכניקת הקוונטים. על אף שקליפת הערכיות היא לכאורה אחת מקליפות האלקטרונים, המספר המקסימלי של אלקטרונים בה אינו שווה למספר האלקטרונים שניתן לאכלס בקליפת האלקטרונים בסך הכול. הסיבה לכך נעוצה בסדר אכלוס הקליפות: למשל, בשורה השלישית של הטבלה המחזורית, המתאימה לרמה השלישית, ישנם שמונה יסודות: החל מנתרן שמספרו האטומי הוא 11 ועד ארגון שמספרו האטומי 18. זה קורה מפני שתת-הקליפה 3d היא באנרגיה גבוהה יותר מ-4s, ולפיכך, לאחר שהתמלאו תת-הקליפות 3s ו-3p, הבאה בתור להתמלא היא 4s – אך זו כבר רמה חדשה, ולכן שורה חדשה. לפיכך, מספר האלקטרונים המרבי הוא 8. בשורה הרביעית, לאחר 4s תתמלא תת-הקליפה 3d. אך מכיוון שאטומי הקליפה 3d הם פנימיים יותר, הם משפיעים פחות - וזו הסיבה שמתכות המעבר דומות זו לזו. כלומר, על אף שבקליפה הרביעית יש מקום ל-32 אלקטרונים, רק 8 מתוכם מתמלאים בשלב הראשון (האורביטלים s ו-p), יחד עם עוד 10 מהקליפה השלישית. תת-הקליפות 4d,4f נותרות ריקות. בקליפה החמישית מתמלאות 5s,4d,5p משמאל לימין, ותת-הקליפות f,g נותרות ריקות. בקליפה השישית מתמלאת רמה 4f לאחר רמה 6s – וארבעה-עשר היסודות הבאים, שזהים זה לזה בשתי הקליפות החיצוניות, דומים מאוד וקשה להפריד ביניהם. לכן, על אף שרמת האנרגיה השביעית מכילה מקום ל-98 אלקטרונים, בשורה השביעית ישנם רק 32 אטומים שכן מתמלאות בה תת-הקליפות 7s,5f,6d,7p (החל ב-s וכלה ב-p) המכילות 2,14,10,6 אלקטרונים בהתאמה. לסיכום, המספרים האפשריים של אלקטרונים ב-7 קליפות הערכיות הם: בטבלה המחזורית מסודרים כל האטומים בעלי מבנה דומה של אלקטרונים בקליפת הערכיות בטור משותף. מבנה זה מייצג את התכונות הכימיות הדומות אשר חולקים אטומים בעלי מבנה דומה של קליפת הערכיות. כך למשל, לכל האטומים בעלי אלקטרון אחד בקליפת הערכיות ישנן תכונות כימיות של מתכת אלקלית, והם מופיעים בטור הראשון של הטבלה המחזורית. בדומה, בכל הגזים האצילים, קליפת הערכיות מלאה (כלומר, באטום הבא בטבלה, יהיה אלקטרון בקליפת האלקטרונים הבאה. היות שהרבה מהאטומים הנפוצים בכדור הארץ נמצאים בשורות השנייה והשלישית של הטבלה המחזורית, מקובל לומר שקליפת ערכיות מלאה מקיימת את כלל האוקטט, כלומר היא מכילה 8 אלקטרונים. במונחים של אורביטלים אטומיים, האלקטרונים בקליפת הערכיות מתפלגים בצורה הבאה: 2 באורביטל s היחיד שבקליפה ועוד 2 בכל אחד מ-3 אורביטלי p (בסך הכול 8 אלקטרונים). עם זאת, כאמור, בשורות אחרות בטבלה, מספר האלקטרונים שגורם לקליפה להיות מלאה שונה. חוק 18 האלקטרונים מדיה וקבצים בנושא קליפת אלקטרונים בוויקישיתוף סרטון הסבר בעברית על קונפיגורציה אלקטרונית, באתר יו-טיוב.