Elektronkate

Elektronkate on aatomi tuuma ümbritsev elektronide pilv. Elektronkate jaguneb elektronkihtideks ja need omakorda alamelektronkihtideks ja orbitaalideks. Keemilised reaktsioonid toimuvad eelkõige valentselektronkihi elektronidega (nn valentselektronidega), mis asuvad aatomi tuumast kõige kaugemal.

Elektronkatte tekkimine

Negatiivselt laetud elektronide ja positiivselt laetud aatomituuma vahel toimiv elektromagnetjõud tõmbab elektrone tuuma poole. See jõud seob elektronid elektrostaatilisse potentsiaalikaevu (see tähendab, et mida lähemal tuumale elektronid on, seda suurem energia on tarvis neile anda, et neid tuuma ümbert minema viia).

Kuna elektronid on samaaegselt ka laine (vastavalt laine-osake dualismile), siis tekitab iga elektron tuuma ümber kolmemõõtmelise seisulaine, mis tuuma suhtes ei liigu. Selline käitumine on määratud aatomorbitaaliga – matemaatilise funktsiooniga, mis kirjeldab ära tõenäosuse, et elektron on mingis konkreetses punktis aatomituuma ümbruses olemas.

Esmalt täitub madalaima võimaliku energiaga (elektronide energia aatomis on astmeline, mitte sujuvalt muutuv suurus) orbitaal, mis on ühtlasi tuumale kõige lähemal. Orbitaalile mahuvad ainult 2 elektroni, elektronpaar (vastupidiste spinnidega, magnetmomentidega). Kui vähima energiaga orbitaal on täitunud, siis vastavalt Pauli printsiibile fermionide kohta sinna rohkem elektrone ei mahu. Järgnevalt täituvad elektronidega suurema energiaga orbitaalid, kuni elektronide negatiivne kogulaeng võrdsustub tuuma prootonite kogulaenguga. Selline aatom on oma põhiolekus ja elektriliselt neutraalne.

Elektronkihid

 Pikemalt artiklis Elektronkiht

Elektronkate jaguneb elektronkihtideks, mis omakorda jagunevad alamelektronkihtideks ja orbitaalideks.

Elektronkihi, milles elektron paikneb, määrab ära elektroni elektronkatte peakvantarv (n). Kuna elektriliselt neutraalsel aatomil on alati vähemalt üks elektronkiht, siis peakvantarvu väärtused võivad olla 1, 2, 3 jne. Kõige suuremal avastatud keemilise elemendi aatomil on ergastamata seisundis seitse elektronkihti.

Alamelektronkihi määrab ära elektroni asimuudi kvantarv (l). Alamelektronkihte tähistatakse s, p, d, f ja g. Tulenevalt Aufbau printsiibist ei ole teadaolevate keemiliste elementide aatomitel elektronkattes g-st suuremaid alamkihte olemas. Kuna iga peakvantarv omab isiklikku asimuudi kvantarvude komplekti, siis tavaliselt kirjeldatakse elektroni asukohta aatomi elektronkattes tema elektronkihi ja alamelektronkihi tähise abil. Näiteks 3s, 2p, 1d.

Täieliku elektroni orbitaali määratlemiseks peame kaasama elektroni magnetilise kvantarvu (m_l). Magnetilise kvantarvu võimalikud väärtused on täisarvud -l ja l vahel (piirid kaasa arvatud). Näiteks kui elektron on orbitaalil d (l = 2), siis tema ml võib olla kas −2, −1, 0, 1 või 2.

Igal orbitaalil võib olla kaks vastupidiste (vastandmärgiga) spinnidega elektroni, mis moodustavad elektronpaari. Orbitaalide omadusi ja struktuure uurib teoreetilisse keemiasse kuuluv kvantkeemia.

Valentselektronkiht

 Pikemalt artiklis Valentselektronkiht

Valentselektronkiht koosneb tuumast kõige kaugemal olevatest elektronidest ja määrab ära konkreetse keemilise elemendi keemilised omadused. Väiksematel aatomitel on valentselektronkiht sama, mis kõige välimine elektronkiht. Suurematel aatomitel on asi veidi keerulisem. Nimelt võib ülalt teise elektronkihi mõne elektroni orbitaal olla tuumast kaugemal kui kõige ülemise elektronkihi elektronide orbitaalid. Sellisel juhul kuuluvad need ülalt teise elektronkihi elektronid samuti aatomi valentselektronkihti.

Molekulide elektronkate

Erinevad elektronkatte konfiguratsioonid annavad igale elemendile individuaalsed omadused. Molekulide korral sõltub elektronkatte ehitus lisaks molekulis paiknevate aatomitele ka keemilisest sidemest, millega aatomid on molekuliks seotud. Näiteks võib elektroni seisulaine võtta kuju, millega on kaetud rohkem kui üks molekuli kuuluv aatom.