מחשבון תצורת אלקטרונים | כל היסודות 1-118

מהו מחשבון תצורת אלקטרונים?

מחשבון תצורת אלקטרונים מוצא כיצד האלקטרונים באטום מסודרים בין האורביטלים שלו. אורביטל הוא אזור סביב הגרעין שבו סביר למצוא אלקטרון. הזינו מספר אטומי מ־1 עד 118 ובחרו שיטת כתיבה. המחשבון מחזיר את תצורת האלקטרונים בכתיב מלא או בכתיב של גז אציל (מקוצר), יחד עם שם היסוד, הסמל שלו ותרשים המראה כיצד האורביטלים מתמלאים.

מהי תצורת אלקטרונים?

תצורת אלקטרונים היא קוד קצר המציג את מספר האלקטרונים בכל תת־קליפה של אטום. היא נכתבת כסדרה של סימונים כמו 1s, 2s ו־2p, שכל אחד מהם מלווה במספר עילי קטן. הסימון מציין את רמת האנרגיה ואת הצורה של תת־הקליפה. המספר העילי סופר את האלקטרונים שבה. לדוגמה, תצורת הפחמן היא 1s² 2s² 2p², כלומר שני אלקטרונים בתת־קליפת 1s, שניים ב־2s ושניים ב־2p.

שלושה כללים קובעים כיצד האלקטרונים ממלאים את תתי־הקליפות האלה:

• עקרון הבנייה: האלקטרונים ממלאים תחילה את תתי־הקליפות בעלות האנרגיה הנמוכה ביותר, לפני שהם עוברים לתתי־קליפות בעלות אנרגיה גבוהה יותר.
• עקרון האיסור של פאולי: כל אורביטל מכיל לכל היותר שני אלקטרונים, ועל שני האלקטרונים להסתחרר בכיוונים מנוגדים.
• כלל הונד: כאשר לכמה אורביטלים בתת־קליפה יש אותה אנרגיה, כמו לשלושת אורביטלי ה־p, האלקטרונים ממלאים כל אחד מהם בנפרד לפני שאורביטל כלשהו מקבל אלקטרון שני.

סדר מילוי תתי־הקליפות, מהאנרגיה הנמוכה ביותר לגבוהה ביותר, הוא:

11s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p
2

שימו לב ש־4s מתמלאת לפני 3d, אף על פי ש־"3" נמוך מ־"4". זהו אחד החלקים המורכבים יותר בתבנית, ולכן הסדר שלעיל, ולא מספרי הקליפות כשלעצמם, קובע את הרצף.

נוסחת תצורת האלקטרונים: כיצד מחשבים אותה

כדי לבנות תצורה ביד, עברו לפי סדר המילוי שלעיל והכניסו אלקטרונים לכל תת־קליפה עד שייגמרו. כל סוג של תת־קליפה מכיל מספר מרבי קבוע של אלקטרונים:

שלבים:

1. מצאו את המספר האטומי של היסוד. הוא שווה למספר האלקטרונים באטום ניטרלי.
2. עברו לפי סדר המילוי (1s, 2s, 2p, 3s, ...) ומלאו כל תת־קליפה עד למספר המרבי שלה לפני המעבר לבאה.
3. עצרו לאחר שכל האלקטרונים שובצו. תת־הקליפה האחרונה עשויה להיות מלאה רק חלקית.

דוגמה פתורה: נתרן (Na, מספר אטומי 11)

בנתרן יש 11 אלקטרונים. לפי סדר המילוי: 1s מכילה 2, 2s מכילה 2, 2p מכילה 6 (סכום מצטבר: 10), ולכן נותר 1 אלקטרון עבור 3s.

כתיב מלא: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

כתיב של גז אציל

כתיב של גז אציל מקצר את התצורה באמצעות החלפת הקליפות הפנימיות שהושלמו בסמל של גז האציל הקרוב ביותר, בעל מספר אטומי נמוך יותר, בתוך סוגריים מרובעים. ששת הגזים האצילים המשמשים כנקודות ייחוס הם הליום (2), ניאון (10), ארגון (18), קריפטון (36), קסנון (54) ורדון (86).

עשרת האלקטרונים הראשונים של נתרן, 1s² 2s² 2p⁶, תואמים בדיוק את התצורה המלאה של ניאון. לכן אפשר לכתוב את הנתרן כך:

[Ne] 3s¹

כתיב מקוצר זה נפוץ עבור אטומים גדולים יותר, שבהם הכתיב המלא עשוי לכלול תריסר איברים או יותר.

דוגמאות חישוב נוספות

חריגים לעקרון הבנייה

קומץ יסודות אינם מצייתים בדיוק לסדר המילוי. תת־קליפה שמלאה בדיוק למחצה או מלאה לחלוטין יציבה מעט יותר מהסידור שעקרון הבנייה מנבא. ברוב המקרים אלקטרון אחד עובר מתת־קליפת ה־s החיצונית אל תת־קליפת ה־d שמתחתיה. בכמה יסודות, כגון לנתן ואקטיניום, אלקטרון עובר אל תת־קליפת ה־d במקום להתחיל למלא את תת־קליפת ה־f.

המחשבון שומר את תצורת מצב היסוד שנמדדה עבור 20 יסודות כאלה ומשתמש בה במקום בחיזוי לפי עקרון הבנייה. אלה הם כרום (24), נחושת (29), ניוביום (41), מוליבדן (42), רותניום (44), רודיום (45), פלדיום (46), כסף (47), לנתן (57), צריום (58), גדוליניום (64), פלטינה (78), זהב (79), אקטיניום (89), תוריום (90), פרוטקטיניום (91), אורניום (92), נפטוניום (93), קוריום (96) ולורנציום (103). כל יסוד אחר מ־1 עד 118 מציית לסדר המילוי הרגיל.

כיצד להשתמש במחשבון תצורת האלקטרונים

1. הזינו מספר אטומי בין 1 ל־118.
2. בחרו בכתיב של גז אציל או בכתיב מלא.
3. קראו את שם היסוד, את הסמל שלו, את תצורת האלקטרונים ואת תרשים מילוי האורביטלים.
4. העתיקו את התוצאה באמצעות לחצן ההעתקה.

מדוע תצורת האלקטרונים חשובה

תצורת האלקטרונים של אטום, במיוחד הסידור של האלקטרונים החיצוניים ביותר שלו (אלקטרוני הערכיות), קובעת במידה רבה כיצד הוא נקשר לאטומים אחרים. יסודות באותו טור בטבלה המחזורית חולקים תצורת ערכיות דומה, ולכן התנהגותם הכימית דומה. כימאים משתמשים בתצורת האלקטרונים כדי לחזות דרגות חמצון, סוגי קשרים ותגובתיות. פיזיקאים משתמשים בה כדי להסביר ספקטרומים אטומיים, כלומר את הצבעים הספציפיים של האור שהיסוד בולע או פולט. תצורת האלקטרונים עומדת גם בבסיס הכתיב של המספרים הקוונטיים, שבו ארבעה מספרים (n, l, mₗ, mₛ) מתארים את רמת האנרגיה של האלקטרון, את צורת תת־הקליפה, את כיוון האורביטל ואת הספין.

שאלות נפוצות

מהי תצורת אלקטרונים? תצורת אלקטרונים היא סידור האלקטרונים בין תתי־הקליפות של אטום, הנכתב כרצף כגון 1s² 2s² 2p⁶. היא פועלת לפי עקרון הבנייה, עקרון האיסור של פאולי וכלל הונד.

כיצד כותבים תצורת אלקטרונים? רשמו כל תת־קליפה מאוכלסת לפי סדר המילוי, עם מספר עילי המציין את מספר האלקטרונים שבה. פחמן (מספר אטומי 6) נכתב 1s² 2s² 2p².

מהו כתיב של גז אציל? זהו כתיב מקוצר המחליף את האלקטרונים התואמים לתצורה מלאה של גז אציל בסמל של אותו גז בתוך סוגריים מרובעים, ואחריו האלקטרונים הנותרים. נתרן הוא [Ne] 3s¹ במקום 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹.

מדוע כרום ונחושת חורגים מתבנית המילוי הרגילה? תת־קליפת d מלאה למחצה או מלאה לחלוטין יציבה יותר מהתצורה שחוזה סדר הבנייה, ולכן אלקטרון 4s אחד עובר אל תת־קליפת 3d. כרום מתקבל כ־[Ar] 4s¹ 3d⁵ ונחושת כ־[Ar] 4s¹ 3d¹⁰. פלדיום מרחיק לכת יותר ומרוקן לחלוטין את תת־קליפת ה־5s שלו, כך שמתקבלת [Kr] 4d¹⁰.

כמה אלקטרונים יכולה להכיל תת־קליפה? תת־קליפת s מכילה עד 2, תת־קליפת p עד 6, תת־קליפת d עד 10 ותת־קליפת f עד 14.

כיצד קשורים אלקטרוני הערכיות לטבלה המחזורית? אלקטרוני ערכיות הם האלקטרונים שבקליפה החיצונית ביותר. ביסודות הקבוצות הראשיות, מספר אלקטרוני הערכיות תואם בדרך כלל למספר הקבוצה של היסוד, ולכן יסודות באותה קבוצה מגיבים בדרכים דומות.