W rozdziale 3 „Atomy, cząsteczki i jony” wprowadziliśmy układ okresowy jako narzędzie do porządkowania znanych pierwiastków chemicznych. Układ okresowy jest pokazany na rysunku 8.11 „Układ okresowy”. Pierwiastki są wymienione według liczby atomowej (liczba protonów w jądrze), a pierwiastki o podobnych właściwościach chemicznych są zgrupowane razem w kolumnach.

Dlaczego układ okresowy ma taką strukturę, jaką ma? Odpowiedź jest dość prosta, jeśli rozumie się konfiguracje elektronowe: kształt układu okresowego naśladuje wypełnianie podpowłok elektronami.

Zacznijmy od H i He. Ich konfiguracje elektronowe są 1s1 i 1s2, odpowiednio; z He, n = 1 powłoki jest wypełniony. Te dwa pierwiastki tworzą pierwszy rząd układu okresowego (patrz rysunek 8.12 „The 1”).

Kolejne dwa elektrony, dla Li i Be, przeszłyby do podpowłoki 2s. Rysunek 8.13 „The 2” pokazuje, że te dwa pierwiastki sąsiadują ze sobą na układzie okresowym.

Dla następnych sześciu pierwiastków zajmowana jest elektronami podpowłoka 2p. Po prawej stronie układu okresowego te sześć pierwiastków (od B do Ne) jest zgrupowanych razem (rysunek 8.14 „The 2”).

Kolejną podpowłoką, która jest zapełniana jest podpowłoka 3s. Pierwiastki, w których ta podpowłoka jest wypełniana, Na i Mg, znajdują się z powrotem po lewej stronie układu okresowego (Rysunek 8.15 „The 3”).

Następnie, podpowłoka 3p jest wypełniana kolejnymi sześcioma pierwiastkami (Rysunek 8.16 „The 3”).

Zamiast zapełnić w następnej kolejności podpowłokę 3d, elektrony przechodzą do podpowłoki 4s (Rysunek 8.17 „The 4”).

Po zapełnieniu podpowłoki 4s, podpowłoka 3d jest zapełniana maksymalnie 10 elektronami. Wyjaśnia to sekcję 10 pierwiastków w środkowej części układu okresowego (Rysunek 8.18 „The 3”).

I tak dalej. Jak idziemy przez wiersze układu okresowego, ogólny kształt tabeli nakreśla, jak elektrony są zajęte powłok i podpowłoki.

Pierwsze dwie kolumny po lewej stronie układu okresowego są gdzie podpowłoki s są zajęte. Z tego powodu, dwa pierwsze wiersze układu okresowego są oznaczone jako s blok. Podobnie, blok p to sześć najbardziej wysuniętych na prawo kolumn układu okresowego, blok d to środkowe 10 kolumn układu okresowego, natomiast blok f to 14-kolumnowa sekcja, która zwykle przedstawiana jest jako oderwana od głównego korpusu układu okresowego. Mógłby on być częścią głównego korpusu, ale wtedy układ okresowy byłby dość długi i nieporęczny. Rysunek 8.19 „Bloki w układzie okresowym” przedstawia bloki układu okresowego.

Elektrony w najwyżej numerowanej powłoce, plus jakiekolwiek elektrony w ostatniej niewypełnionej podpowłoce, nazywane są elektronami walencyjnymi; najwyżej numerowana powłoka nazywana jest powłoką walencyjną. (Wewnętrzne elektrony nazywane są elektronami rdzenia.) Elektrony walencyjne w dużym stopniu kontrolują chemię atomu. Jeżeli spojrzymy tylko na konfigurację elektronową powłoki walencyjnej, zauważymy, że w każdej kolumnie konfiguracja elektronowa powłoki walencyjnej jest taka sama. Dla przykładu, weźmy pierwiastki z pierwszej kolumny układu okresowego: H, Li, Na, K, Rb i Cs. Ich konfiguracje elektronowe (skróty dla większych atomów) są następujące, z zaznaczoną konfiguracją elektronową powłoki walencyjnej:

Wszystkie one mają podobną konfigurację elektronów w swoich powłokach walencyjnych: pojedynczy elektron s. Ponieważ duża część chemii danego pierwiastka zależy od elektronów walencyjnych, można by się spodziewać, że te pierwiastki będą miały podobną chemię – i mają. Organizacja elektronów w atomach wyjaśnia nie tylko kształt układu okresowego, ale także fakt, że pierwiastki w tej samej kolumnie układu okresowego mają podobną chemię.

Ta sama koncepcja odnosi się do innych kolumn układu okresowego. Elementy w każdej kolumnie mają te same konfiguracje elektronowe powłoki walencyjnej, a elementy mają pewne podobne właściwości chemiczne. To jest ściśle prawdziwe dla wszystkich elementów w s i p bloków. W blokach d i f, ponieważ istnieją wyjątki od kolejności zapełniania podpowłok elektronami, podobne powłoki walencyjne nie są bezwzględne w tych blokach. Jednak wiele podobieństw istnieje w tych blokach, więc oczekuje się podobieństwa we właściwościach chemicznych.

Podobieństwo konfiguracji elektronowej powłoki walencyjnej implikuje, że możemy określić konfigurację elektronową atomu wyłącznie na podstawie jego pozycji w układzie okresowym. Rozważmy Se, jak pokazano na rysunku 8.20 „Selen na układzie okresowym”. Znajduje się on w czwartej kolumnie bloku p. Oznacza to, że jego konfiguracja elektronowa powinna kończyć się konfiguracją elektronową p4. Rzeczywiście, konfiguracja elektronowa Se wynosi 4s23d104p4, zgodnie z oczekiwaniami.