Kapitel 7. Atomstruktur och periodicitet

Transkript

1 Kapitel 7 Atomstruktur och periodicitet

5 Kapitel 7 Innehåll 7.1 Elektromagnetisk strålning 7.2 Materians karaktär 7.3 Väteatomens ljusspektrum 7.4 Bohrs atommodell 7.5 Den kvantmekaniska atommodellen 7.6 Kvanttal 7.7 Orbitalformer och energinivåer 7.8 Elektronspinn och Pauliprincipen 7.9 Atomer med fler än en elektron 7.10 Periodiska systemets historia 7.11 Aufbauprincipen och det periodiska systemet 7.12 Periodiska trender i atomegenskaper 7.13 Egenskaper hos en grupp: alkalimetallerna Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5

6 Avsnitt 7.1 Elektromagnetisk strålning Ljus, radio, röntgen, mikrovågsugnar Energi kan färdas genom rymden som elektromagnetisk strålning Denna karaktäriseras av våglängd (λ), frekvens (υ) och ljusets hastighet (c = m/s). Dessa tre storheter är relaterade i ekvationen λ υ = c. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6

7 Avsnitt 7.1 Elektromagnetisk strålning Egenskap hos vågor: kort våglängd hög frekvens

9 Avsnitt 7.2 Materians karaktär Materiens karaktär Max Planck ( ) visade att energi i strålning kan tillföras eller bortföras endast i kvanta h c ΔE = h ν = λ E = energiförändring [ J ] h = Plancks konstant, J s ν = frekvens [ s -1 ] λ = våglängd [ m ] Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9

10 Avsnitt 7.2 Materians karaktär Ljuspartiklarna har massa Albert Einstein ( ): Ljusvågor kan ses som en stråle av partiklar som kallas fotoner E = mc 2 E = energi [ J ] m = massa [ kg ] c = ljusets hastighet = m/s Copyright Cengage Learning. All rights reserved 10

11 Avsnitt 7.2 Materians karaktär Elektromagnetisk strålning har både våg-lika och partikel-lika egenskaper.

13 Avsnitt 7.2 Materians karaktär Louis de Broglie ( ): alla små partiklar har vågegenskaper de Broglie s Ekvation: λ = m h v λ = våglängd [ m ] h = Plancks konstant = J s m = massa [ kg ] ν = frekvens [ s 1 ] Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13

14 Avsnitt 7.2 Materians karaktär de Broglies postulat verifieras med diffraktionsexperiment

15 Avsnitt 7.3 Väteatomens ljusspektra Väteatomens ljusspektrum Kontinuerligt spektrum: Innehåller alla av ljusets våglängder. Ger vitt ljus Bandspektrum : Innehåller bara några av ljusets våglängder. Här t.e.x. väteatomens ljusspektrum Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15

16 Avsnitt 7.4 Bohrs atommodell En heltäckande atommodell Niels Bohr ( ): i en väteatom rör sig elektronen runt atomkärnan endast i vissa tillåtna cirkulära banor. E = Energinivåerna i väteatomen z = kärnladdning (för väte är z = 1) n = ett heltal; n = 1: Grundtillstånd Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16

17 Avsnitt 7.4 Bohrs atommodell Elektronövergångar i Bohrs atommodell för väteatomen

18 Avsnitt 7.5 Den kvantmekaniska atommodellen Den kvantmekaniska atommodellen Bohrs atommodell förkastas efter att en ny teori läggs fram i mitten av 1920-talet: Werner Heisenberg ( ) Louis de Broglie ( ) Erwin Schrödinger ( ) Den nya modellen utgår från elektronens vågegenskaper. Elektronen i väteatomen uppvisar egenskaper som en stående våg. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18

19 Avsnitt 7.5 Den kvantmekaniska atommodellen En stående våg

20 Avsnitt 7.5 Den kvantmekaniska atommodellen Schrödingerekvationen ψ = vågfunktion = matematisk operator E = atomens totala fria energi Ekvationens lösningar är vågfunktioner ψ för ett visst värde på E (en viss energi). En sådan vågfunktion ψ kallas en orbital. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20

21 Avsnitt 7.5 Den kvantmekaniska atommodellen Heisenbergs osäkerhetsprincip x = position mv = rörelsemängd h = Plancks konstant Ju noggrannare vi känner en partikels position, desto osäkrare vet vi dess rörelsemängd. Därför känner vi inte elektronens momentana exakta position Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21

22 Avsnitt 7.5 Den kvantmekaniska atommodellen Sannolikhetstätheter Kvadraten av vågfunktionen Sannolikheten att finna elektronen nära en given punkt i rymden Den radiala sannolikhetstätheten är sannolikhetstätheten i olika sfäriska skal runt atomkärnan. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22

23 Avsnitt 7.5 Den kvantmekaniska atommodellen Sannolikhetstäthet för 1s-orbital Sannolikheten att finna elektronen nära en given punkt i rymden minskar ju längre ut från atomkärnan man kommer

24 Avsnitt 7.5 Den kvantmekaniska atommodellen Den radiella sannolikhetsdistributionen. Erhålls om rymden runt atomkärna delas upp i skal (likt en lök) och man beräknar sannolikheten för elektronen att hittas i något av skalen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24

25 Avsnitt 7.6 Kvanttal Kvanttal Huvudkvanttal (n = 1, 2, 3,...) avgör orbitalens storlek och energi. Banimpulsmomentkvanttalet (l = 0 till n -1) avgör orbitalens form. Magnetiska kvanttalet (ml = l to - l) avgör orbitalens orientering i rymden. Elektronspinnkvanttalet (ms = +1/2, -1/2) avgör elektronens spinntillstånd. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 25

28 Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Väteatomens s-orbitaler. I (b) visas ytan inom vilken elektronen finns mer än 90% av tiden.

29 Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Väteatomens p-orbitaler. (a) Sannolikhetstätheten för en 2p orbital. (b) ytan inom vilken elektronen finns mer än 90% av tiden för alla tre 2p orbitaler. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29

30 Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Sannolikhetstätheten för en 3p orbital.

32 Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Representation av 4f orbitaler

33 Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Orbitalernas energinivåer i väteatomen

34 Avsnitt 7.8 Elektronspinn och Pauliprincipen Elektronspinn och Pauliprincipen Två elektroner i en given atom kan inte ha samma uppsättning av de fyra kvanttalen (n, l, ml, ms). Således kan en orbital högst innehålla två elektroner och de måste ha olika spinn. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34

36 Avsnitt 7.9 Atomer med fler än en elektron Polyelektroniska atomer Schrödingerekvationen kan inte lösas exakt för atomer med fler än en elektron pga elektronkorrelationsproblemet Ekvationen löses dock approximativt genom att beakta att elektronerna avskärmas från kärnladdningen genom repulsionen de utövar på varandra Lösningarna ger vätelika orbitaler för alla atomer i periodiska systemet. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 36

38 Avsnitt 7.9 Atomer med fler än en elektron (a) Radiella sannolikhetstätheten för en elektron i 3s orbitalen. (b) Radiella sannolikhetstätheten för 3s, 3p, och 3d orbitalerna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38

41 Avsnitt 7.10 Periodiska systemets historia Periodiska systemet Skapades ursprungligen för att representera de observerade mönstren gällande liknande kemiska egenskaper hos grundämnena. Den ryske vetenskapsmannen Mendeleev uppges ofta vara det periodiska systemets fader. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41

43 Avsnitt 7.10 Periodiska systemets historia Behov av systematisering När kemin framskred på och 1800-talen framgick det att jorden bestod av en rad olika grundämnen med högst olika egenskaper. Johan Dobereiner ( ): vissa grundämnen har liknande egenskaper John Newlands ( ): egenskaper upprepas vart 8:de grundämne Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43

46 Avsnitt 7.10 Periodiska systemets historia Dmitri Ivanovich Mendeleev ( )

49 Avsnitt 7.11 Aufbauprincipen och periodiska systemet Aufbauprincipen Då antalet protoner ökar i kärnan för att bygga tyngre grundämnen adderas elektroner till de tillåtna vätelika orbitalerna. Syre: 1s 2 2s 2 2p 4 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49

50 Avsnitt 7.11 Aufbauprincipen och periodiska systemet Hunds Regel Friedrich Hund ( ): den lägsta energikonfigurationen för en atom är att ha det maximala antalet oparade elektroner som tillåts enligt Pauliprincipen i en uppsättning degenerade orbitaler. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 50

51 Avsnitt 7.11 Aufbauprincipen och periodiska systemet Ett diagram som summerar ordningen med vilken orbitalerna fylls i polyelektroniska atomer

54 Avsnitt 7.11 Aufbauprincipen och periodiska systemet Periodiska trender för atomkarakteristika Representativa grundämnen (huvudgruppen): fyller s och p orbitaler (Na, Al, Ne, O) Övergångsmetaller: fyller d orbitaler (Fe, Co, Ni) Lantanid och Aktinidserierna (sällsynta jordartsmetaller): fyller 4f och 5f orbitaler (Eu, Am, Es) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 54

55 Avsnitt 7.11 Aufbauprincipen och periodiska systemet Valenselektroner Elektronerna i det yttersta principiella kvantnivån hos atomen. Atom Valence Electrons Ca 2 N 5 Br 7 De andra elektronerna kallas inre elektroner. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 55

57 Avsnitt 7.12 Periodiska trender Periodiska trender för atomkarakteristika Grundämnenas (atomslagens) egenskaper uppvisar periodiska trender med ökande relativ atomvikt: Atomradie Joniseringsenergi Elektronaffinitet Elektronegativitet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 57

58 Avsnitt 7.12 Periodiska trender Atomradie i pikometer (10-12 m) för huvudgruppens atomer

60 Avsnitt 7.12 Periodiska trender Joniseringsenergi Energimängden som krävs för att bortföra en elektron från den gasformiga atomen eller jonen. Al(g) Al + (g) + e Al + (g) Al 2+ (g) + e Al 2+ (g) Al 3+ (g) + e I 1 = 580 kj/mol I 2 = 1815 kj/mol I 3 = 2740 kj/mol Copyright Cengage Learning. All rights reserved 60

68 Avsnitt 7.12 Periodiska trender Information i Periodiska Systemet 1. Varje gruppmedlem har samma valenselektronkonfiguration (dessa elektroner bestämmer i huvudsak grundämnets kemi). 2. Man kan lätt bestämma elektron-konfigurationen för varje grundämne i systemet 3. Vissa grupper har särskillda namn (alkalimetaller, halogener, etc). 4. Metaller och ickemetaller karaktäriseras av sina kemiska och fysikaliska egenskaper. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 68

69 Avsnitt 7.13 Egenskaper hos en grupp: alkalimetallerna Periodiska systemet Några tankar 1. Det är antalet valenselektroner som slutligen bestämmer ett grundämnes kemi. 2. Elektronkonfigurationen kan långt bestämmas utifrån grundämnets placering i det periodiska systemet. 3. Viktiga grupper av grundämnen i det periodiska systemet har olika namn. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 69