Waarom geen 4 electronen in een ideale schil?

[Back2Basics]

De eerste electronenschil is vol wanneer er 2 electronen aanwezig zijn. De volgende schil is pas vol wanneer er 8 electronen in aanwezig zijn; dan is de plaatsing van de electronen in die schil als op de hoekpunten van een kubus, waarbij ieder electron op een zo groot mogelijke afstand -want elle electronen stoten elkaar af- van andere electronen is.

Waarom zitten electronen kennelijk niet helemaal lekker in een regelmatig viervlak / tetraeder wanneer er in totaal 4 electronen zijn, of 4 in de volgende schil? Ik zou toch denken dat die plaatsing ook voorziet in een zo groot mogelijke onderlinge afstand van de electronen in die schil.

[wnvl1]

Het is allemaal kwantummechanica.

Het idee dat elektronen elkaar zo ver mogelijk uit de weg gaan zitten, bijvoorbeeld op de hoekpunten van een kubus of een tetraëder, komt uit een klassiek model van ladingen die elkaar afstoten. In werkelijkheid zitten elektronen in atomen niet als puntladingen op vaste posities, maar in orbitalen, die kwantummechanische oplossingen zijn van de Schrödingervergelijking voor de Coulomb-potentiaal van de kern. De Schrödingervergelijking beschrijft de toestand van een elektron in een elektrisch veld van de kern en andere elektronen en bepaalt de mogelijke energieën en ruimtelijke verdelingen waarin een elektron zich kan bevinden. Elke oplossing van de Schrödingervergelijking wordt een orbitaal genoemd en beschrijft een kansverdeling van waar het elektron waarschijnlijk te vinden is. Hierdoor heeft een elektron geen exacte positie, maar is het verspreid over de ruimte volgens de waarschijnlijkheid die de golffunctie aangeeft.

In de eerste schil, de 1s-schil, is er slechts één orbitaal beschikbaar. Deze orbitaal kan maximaal twee elektronen bevatten met tegengestelde spin. De schil is vol bij twee elektronen, niet omdat ze elkaar maximaal afstoten, maar omdat er slechts één kwantumtoestand beschikbaar is, zoals de Schrödingervergelijking voorschrijft.

In de tweede schil zijn de beschikbare orbitalen één 2s-orbital en drie 2p-orbitalen. De 2s-orbital kan twee elektronen bevatten en de drie 2p-orbitalen kunnen samen zes elektronen bevatten, waardoor het totaal aantal elektronen in de schil acht bedraagt. De ruimtelijke verdeling van deze p-orbitalen kan soms een kubus-achtig patroon lijken te vormen, maar dit is een gevolg van de specifieke vormen van de oplossingen van de Schrödingervergelijking voor de p-orbitalen, niet van een klassieke maximale onderlinge afstoting van de elektronen.

Het lijkt intuïtief dat vier elektronen in een schil een tetraëdrische verdeling zouden aannemen om de onderlinge afstand te maximaliseren. Dit is echter niet het geval in een los atoom. Vier elektronen zullen de 2s- en de drie 2p-orbitalen bezetten volgens de regel van minimale energie en volgens Hund’s regel, die bepaalt dat eerst één elektron in elk p-orbitaal gaat voordat paren worden gevormd. De vormen van de orbitalen volgen strikt de oplossingen van de Schrödingervergelijking, en de zogenaamde “maximale afstand” tussen elektronen is daarom niet het bepalende principe.

Het verschil met moleculen zoals methaan is dat in moleculen de elektronenparen meer te beschouwen zijn als fysieke ladingen die elkaar afstoten in de ruimte, waardoor een tetraëdrische geometrie ontstaat. In een atoom daarentegen zijn de elektronen verspreide golffuncties, en de laagst-energetische configuratie wordt bepaald door de kwantumtoestanden die de Schrödingervergelijking toestaat. De energetisch gunstigste verdeling van vier elektronen in een atoomschil is daarom niet tetraëdrisch.

Kortom, elektronen in een atoom nemen geen tetraëdrische configuratie aan bij vier elektronen in een schil, omdat hun plaatsing wordt bepaald door de oplossingen van de Schrödingervergelijking, door de Pauli-uitsluitingsregel en door energieoptimalisatie, en niet door klassieke maximale onderlinge afstand. Bij acht elektronen kan de ruimtelijke verdeling van de p-orbitalen wel een kubus-achtig patroon lijken te volgen, maar ook dat is een gevolg van de kwantummechanische vormen van de orbitalen, zoals voorgeschreven door de Schrödingervergelijking, en niet van klassieke afstoting.

[Back2Basics]

Ah, dus weer is energie de maatstaf, en niet perse lading. Dankjewel voor de uitleg!