קליפת אלקטרונים

קליפת אלקטרונים היא אוסף של אורביטלים אטומיים בעלי אותו מספר קוונטי יסודי n. מספר זה קשור לרמת האנרגיה ול'המרחק הממוצע' של האלקטרונים מהגרעין. הקליפה מורכבת מתת-קליפות (subshells) שבהן יש כמה אורביטלים עם אותו מספר קוונטי זוויתי l.

מספר האלקטרונים שכל קליפה יכולה להכיל גדל עם המספר n. אלקטרונים מסודרים לפי רמות אנרגיה, ולכן הם מילאו קודם את הקליפות בעלות האנרגיה הנמוכה יותר. הקליפה הגבוהה ביותר שמכילה אלקטרונים נקראת קליפת הערכיות. אלקטרוני הערכיות משתתפים בתגובות ובקשרים כימיים, והם קובעים רבות מתכונות החומר.

קיומן של הקליפות נצפה בניסויים של בליעת קרני רנטגן שערכו צ'ארלס בארקלה והנרי מוזלי. הם סימנו את הקליפות באותיות K, L, M וכן הלאה. מאוחר יותר הבינו שהן תואמות לערכים n=1,2,3. השם "קליפת אלקטרונים" הגיע ממודל האטום של בוהר, שבו האלקטרונים מקיפים את הגרעין במסלולים כמו טבעות.

תת-הקליפות מזוהות באותיות s, p, d, f, g, h, i וכן הלאה. האותיות מתאימות לערכים שונים של המספר הקוונטי הזוויתי l (למשל s הוא l=0, p הוא l=1). כל תת-קליפה כוללת מספר מצבים של אורביטלים, ומכאן נגזר המגוון של אלקטרונים שניתן לאכלס בה. מקור שמות s, p, d ו-f הוא בשמות ישנים של קווים ספקטרליים: sharp, principal, diffuse, fundamental.

קליפת הערכיות היא הקליפה החיצונית ביותר. אלקטרונים בה הם אלו שמתחברים לאטומים אחרים ויוצרים קשרים. הגישה הראשונה לתפקידם ניתנה על ידי גילברט ניוטון לואיס, ולינוס פאולינג הרחיב אותה תוך שימוש במכניקת הקוונטים.
חשוב להבין שאף על פי שיש מקום תיאורטי גדול במספר האלקטרונים ברמות גבוהות, סדר אכלוס התת־קליפות משפיע על מספר אלקטרוני הערכיות בפועל. למשל, בשורה השלישית של הטבלה המחזורית יש שמונה יסודות בין נתרן (11) לארגון (18). זאת משום שתת-הקליפה 3d נמצאת באנרגיה גבוהה יותר מ-4s, ולכן 4s מתמלאת קודם והקליפה החיצונית נחשבת מלאה עם שמונה אלקטרונים. בכללותו, בטבלה המחזורית יסודות עם מבנה דומה של קליפת הערכיות מופיעים באותו טור ומשתפים תכונות כימיות דומות.

באטומים כבדות יותר מתרחשים מקרים שבהם תת-קליפות פנימיות מתמלאות קודם, וזה מסביר דמיון בין מתכות המעבר. בשורה השביעית, למשל, מתמלאות תת-הקליפות 7s, 5f, 6d ו-7p, ולכן בשורה זו יש פחות יסודות מפני שלא כל תת-הקליפות התמלאו במלואן בתחילה.

בקירוב, עבור רבים מהאטומים הנפוצים בקור הארץ, קליפת ערכיות מלאה מכילה שמונה אלקטרונים. מבנה זה מסביר חוקיות בתגובות הכימיות והרבה תכונות של יסודות.

קליפת אלקטרונים היא שכבה של אלקטרונים סביב גרעין האטום. n הוא מספר שמראה איזו שכבה זו.

כל קליפה מחולקת לתת-קליפות. את תת-הקליפות קוראים s, p, d, f. לכל תת-קליפה יש כמה מקומות לאלקטרונים.

בניסויים עם קרני רנטגן ראו שכבות אלה. בארקלה ומוזלי סימנו אותן באותיות K, L, M. בוהר דמיין אותן כמו טבעות סביב הגרעין.

האותיות s, p, d ו-f באות משמות ישנים של קווים בתצפיות. הן משמשות לקרוא לתתי-הקליפות השונות.

קליפת הערכיות היא השכבה החיצונית. האלקטרונים שבקליפה זו יוצרים קשרים בין אטומים. אצל הרבה יסודות נפוצים, קליפת הערכיות מלאה כשיש בה שמונה אלקטרונים. כלל זה נקרא כלל האוקטט. בגלל סדר מילוי של תתי־הקליפות, לפעמים שורה בטבלה המחזורית מתנהגת אחרת. למשל, היסודות בין נתרן לארגון שייכים לאותה שורה כי קליפת הערכיות שלהם מתמלאת באותו אופן.