Kemi Grundläggande begrepp. Kap. 1. (Se även repetitionskompendiet på hemsidan.)

Transkript

1 Föreläsning 1. Kemins indelning Enheter Atomer, isotoper och joner Grundämnen och periodiska systemet Atomernas elektronstruktur och atomorbitaler Periodiska egenskaper

2 Kemi Grundläggande begrepp. Kap. 1. (Se även repetitionskompendiet på hemsidan.) Materiella ämnens sammansättning, egenskaper och omvandlingar (NE). Atomer Molekyler Aggregationstillstånd Andra Molekyler Indelning: Deskriptiva Oorganisk Alla grundämnen Organisk Kolföreningar med C-C-bindningar (vissa undantag) Biokemi Molekyler och makromolekyler med biologisk anknytning. Tillämpade Analytisk Kvalitativ = Vad? Kvantitativ = Hur mycket? Fysikalisk Teorier, förklaringar, förutsägelser, simuleringar (dator-) Teknisk Kemi inom industri och för konsumtionsvaror, läkemedel m.m. Miljökemi - Inverkan på miljö av kemikalier och processer.

3 Enheter: SI-systemet: m, kg, s, A, mol, K(elvin), cd (candela) Härledda enheter: Ex. tryck = kraft/area = kg m 1 s 2 = Pa(scal) 1 bar = 10 5 Pa = 750,062 torr (mm Hg) 1 atm = 760 torr = 1, Pa Atomer Cl allmänt A Z X Masstal = A = antal protoner + antal neutroner Atomnr. = Z = antal protoner = antal elektroner för neutral atom Isotoper: samma Z men olika A, ex. Cl-35 och Cl-37, som båda har atomnr. 17. Kemiska och fysikaliska egenskaper lika inom rimlig noggrannhet. Joner. Atom eller molekyler som avgett/upptagit elektroner = joner, laddade. Anjon = negativ laddning, har tagit upp extra elektron(er). Ex. Cl, S 2. Katjon = positiv laddning, har avgett elektron(er), Ex. Na +, Ca 2+. Finns mest i saltgitter och i vattenlösningar. Även fleratomiga (t ex. SO 4 2- ).

4 Grundämnen Ett slags atomer. Kemiska symboler: Första och ev. andra bokstaven i latinska namnet. Grundämnen förekommer oftast inte i fri atomär form (und. ädelgaser). Metaller: s-, d-, f- och nedre vänstra p-blocket i periodiska syst. Gaser: N 2, O 2, F 2, Cl 2, H 2 + ädelgaser (monoatomära). Vätskor: Hg (metall), Br 2 (icke-metall). Fasta icke-metaller: B, C, P, S, As, I 2. Halvmetaller (förr metalloider): B, Si, Ge, As, (Sn,) Sb, Te, (At). Allotropa former: Rent grundämne i olika molekylära former. Syre: Vanlig syrgas = O 2 (g) eller ozon O 3 (g) Kol: Diamant, grafit eller fulleren.

5

6 Atommassor och substansmängder - Enheter. Kap a.m.u = u = 1/12 av massan av en atom = 1, C kg. 1 mol ämne = N A st. formelenheter. N A = 10 3 /u = 6, mol 1 Substansmängd: antal mol, betecknas n. 13 Molmassa: M (enh. g/mol), Ex. C har molmassan 12,01 g/mol p.g.a. C. n = m M om m = massan av ämnet i g Om massan av en viss substansmängd söks, gäller i stället m = n M Siffervärdet på molmassan i g/mol = siffervärdet för formelmassan i u. Ex. Hur stor substansmängd är 1000 g vatten? n = m/m = 1000/(2 1, ,000) = 55,5 mol Detta är den substansmängd vatten som ingår i en liter (utspädd) lösning. Empirisk formel = minsta antal atomer med hela tal. Molekylformel = den verkliga (avgränsade) molekylen (om den finns). 12 6

7 Atomers elektronstruktur och periodiska systemet (Kap. 2). Atomer binds samman i kemiska bindningar genom elektroner. Yttre e = valenselektroner bestämmer kemiska egenskaper. Dessa uppträder periodiskt. Förklaring ur kvantmekanik. Schrödingerekvationen ger vågfunktioner (orbitaler) för elektronrörelserna. Väteatomen. Enklaste atomen, en kärna + en e. Två slags rörelse: Radiell och Rotationsrörelse. Sfärisk symmetri kring kärnan. Beskrivs bäst med polära sfäriska koordinater.

8 Vågfunktioner för väteatomen. Anger elektrontäthet i viss punkt Ψn,l = Rn,l ( r ) Al ( θ, φ ),ml,ml (radiell del vinkeldel) Tre kvanttal: n = huvudkvanttal = 1, 2, 3, (heltal). Bestämmer energi och utsträckning. E n = (konstant)/n 2 l = orbitalkvanttalet eller bikvanttalet = 0, 1, (n 1). Bestämmer formen. m l = magnetiskt (bi-)kvanttal = - l, - (l 1), (l 1), l (2l + 1) st. Bestämmer riktningen i rymden. Beteckningar: n = 1, 2, 3, 4, 5,.. K, L, M, N, O -skal l = 0, 1, 2, 3 s, p, d, f -underskal Ex. Ψ 100 = 1s, Ψ 310 = 3p o.s.v. Det finns alltid n 2 st med samma energi = degenererade

9 Utseende hos vågfunktionerna = orbitalerna. Radiell fördelning: P( r ) = 4πr R ( r ) för s-orbitaler. Allmänt (n l 1) st. radiella noder = koncentriska klotytor, nollställen med teckenbyten. Vinkelfördelning: Am,m ( θ, φ ) ( spherical harmonics ). Mått på rotationsrörelse. l 2 2 s-orbital (l = 0) p-orbitaler (3st) (l = 1) d-orbitaler (t.h.) (5 st., l = 2)

10 Spinn. Kvantmekanisk egenskap hos e (bl.a.). Klassiskt motsv. rotation kring axel genom tyngdpunkten. Gör laddad e till magnetisk dipol. Spinnkvanttal s = ½, magnetiskt spinnkvanttal m s = + 1 / 2 eller ½ (Jmf. l och m l ) En viss elektron i en atom har tot. 4 kvanttal: n, l, m l och m s. Paulis uteslutningsprincip: 2 e i samma atom kan aldrig ha alla kvanttal lika. Konsekvens: Endast 2 e i varje orbital. Atomer med flera elektroner. Kan ej lösas exakt analytiskt p.g.a. växelverkan mellan e. Att beakta vid kvalitativa diskussioner (gäller grundtillståndet): 1. Paulis uteslutningsprincip enl. ovan. En orbital kan alltså maximalt innehålla två e. 2. Aufbau-principen. Orbitaler fylls nedifrån parvis med e efter stigande energi. 3. Hunds regler. Om flera orbitaler har samma energi fylls de så att en e kommer i varje orbital tills alla är ockuperade och med parallella spinn. Först därefter fylls på med e med motsatta spinn.

11 Obitalernas energiordning. Påverkas av: Penetrering - en inre orbital inkräktar på en yttre. Skärmning (shielding) en inre orbital skärmar av kärnan för en yttre så att den upplever en reducerad kärnladdning (lägre attraktion). Resultatet blir (vanligen): 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<5d 4f<6p<7s<6d 5f (Hittills räcker detta för påvisade grundämnen.) Detta stämmer med periodiska syst. De 20 första grundämnena visas härintill. Se även fig i boken. Lägsta energitillstånd = Grundtillstånd.

12 Oktettregeln. Riktlinje för stabila elektronkonfigurationer. Grupper = kolumner i periodiska systemet. Numreras Atomer eftersträvar 8 st valenselektroner i yttersta skalet. Ädelgaser har så, blir monoatomära, reaktionsobenägna gaser. Alkalimetaller (gr. 1) har alltid en s-e som lätt avges, de får ox.-talet +I (ox.-tal = oxidationstal = kärnladdning (Z) antal e, mer härom senare). Alkaliska jordartmetaller (gr. 2), har två s-e, avges, ox.-talet blir +II. Kvävegruppen (gr. 15) har tre p-e, tar gärna upp 3 till, ox.-talet blir III. Syregruppen (gr. 16) har fyra p-e, tar gärna upp 2 till, ox-talet blir II. Halogenerna (gr. 17) har fem p-e, tar gärna upp 1 till, ox.-talet blir I. (I kemiska föreningar förkommer andra ox.-tal, mer härom senare.) Gr = övergångsmetaller (inkl. f-elementen lantanoider och aktinoider) där d-e -skal fylls på, har varierande ox.-tal +I till +VIII, bildar joner i vattenlösning med laddning och komplex. Gruppegenskaperna blir ofta mindre utpräglade i en grupp ju längre ned i gruppen man kommer (tyngre element).

13 Periodiska egenskaper hos grundämnen. Elektronkonfigurationer: e fylls på enligt tidigare. Se period. syst. Smält- och kokpunkter:

14 Joniseringsenergier. X(g) X + + e (1:a joniseringsenergin) Maxima för ädelgaser samt vid fyllda och halvfyllda underskal.

15 Atomradier Skilj på metallradier, van der Waals radier och kovalenta radier. För icke-metaller är r kov < r vdw metaller ej direkt jämförbara.