Kapitel 7. Atomstruktur och periodicitet. Kvantmekanik Aufbau Periodiska systemet

Transkript

1 Kapitel 7 Innehåll Kapitel 7 Atomstruktur och periodicitet Kvantmekanik Aufbau Periodiska systemet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2 Kapitel 7 Innehåll 7.1 Elektromagnetisk strålning Väteatomens ljusspektrum 7.4 Bohrs atommodell Kvanttal 7.7 Orbitalformer och energinivåer 7.8 Elektronspinn och Pauliprincipen 7.9 Atomer med fler än en elektron Aufbauprincipen och det periodiska systemet 7.12 i atomegenskaper 7.13 Egenskaper hos en grupp: alkalimetallerna Avsnitt 7.1 Elektromagnetisk strålning Fyrverkeri i olika färger Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 Avsnitt 7.1 Elektromagnetisk strålning Frågor att begrunda Varför blir det olika färger? Varför ger olika kemikalier olika färger? 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 5 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6 1

2 Avsnitt 7.1 Elektromagnetisk strålning Egenskap hos vågor: kort våglängd hög frekvens Avsnitt 7.1 Elektromagnetisk strålning Klassificering av Elektromagnetisk strålning. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8 Avsnitt 7.2 Illuminerad inlagd gurka Avsnitt 7.2 Materiens karaktär Max Planck ( ) visade att energi i strålning kan tillföras eller bortföras endast i kvanta h c ΔE = h ν = λ ΔE = energiförändring [ J ] h = Plancks konstant, J s ν = frekvens [ s -1 ] λ = våglängd [ m ] Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 10 Avsnitt 7.2 Ljuspartiklarna har massa Avsnitt 7.2 Elektromagnetisk strålning har både våg-lika och partikel-lika egenskaper. 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 11 2

3 Avsnitt 7.2 Ljusets duala natur Vågkaraktären Partikelkaraktären h c E = λ h m = λ c Avsnitt 7.2 Louis de Broglie ( ): alla små partiklar har vågegenskaper de Broglie s Ekvation: λ = h m v λ = våglängd [ m ] h = Plancks konstant = J s m = massa [ kg ] ν = frekvens [ s 1 ] Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14 Avsnitt 7.2 de Broglies postulat verifieras med diffraktionsexperiment Avsnitt 7.2 Den fotoelektriska effekten Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16 Avsnitt 7.3 Väteatomens ljusspektra Väteatomens ljusspektrum Avsnitt 7.3 Väteatomens ljusspektra Vitt ljus i ett prisma 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 17 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18 3

4 Avsnitt 7.3 Väteatomens ljusspektra Ljus från exciterade väteatomer Avsnitt 7.4 Bohrs atommodell En heltäckande atommodell 18 2 E = J ( z 2 / n ) 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 19 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20 Avsnitt 7.4 Bohrs atommodell Elektronövergångar i Bohrs atommodell för väteatomen Avsnitt 7.4 Bohrs atommodell Övning Vilken färg på ljuset avges då en elektron i väteatomen relaxerar från nivå (n): a) n = 5 till n = 2 b) n = 4 till n = 2 c) n = 3 till n = 2 blå, λ = 434 nm grön, λ = 486 nm orange/röd, λ = 657 nm Vilken av relaxationerna resulaterar I den längsta våglängden? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22 Avsnitt 7.5 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. Avsnitt 7.5 En stående våg Copyright Cengage Learning. All rights reserved 23 4

5 Avsnitt 7.5 Schrödingerekvationen $Hψ = Eψ ψ = vågfunktion $H = 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. Avsnitt 7.5 Heisenbergs osäkerhetsprincip h Δx Δ( mv) 4π 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 25 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26 Avsnitt 7.5 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. Avsnitt 7.5 Sannolikhetstäthet för 1s-orbital Sannolikheten att finna elektronen nära en given punkt i rymden minskar ju längre ut från atomkärnan man kommer Copyright Cengage Learning. All rights reserved 27 Avsnitt 7.5 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 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 29 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30 5

6 Avsnitt 7.6 Kvanttal Avsnitt 7.6 Kvanttal Övning Bestäm de magenstiska kvanttalen (m l ) vid l = 2, och antalet orbitaler. magnetiska kvanttalen = 2, 1, 0, 1, 2 antal orbitaler = 5 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32 Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Orbitalformer och energiernivåer Varje orbital i väteatomen har en unik sannolikhetstäthet Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Väteatomens s-orbitaler. I (b) visas ytan inom vilken elektronen finns mer än 90% av tiden. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33 Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Väteatomens p-orbitaler. Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Sannolikhetstätheten för en 3p orbital. (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 35 6

7 Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Representation av 3d orbitaler. Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Representation av 4f orbitaler Copyright Cengage Learning. All rights reserved 37 Avsnitt 7.7 Orbitalformer och energinivåer Orbitalernas energinivåer i väteatomen 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 40 Avsnitt 7.8 Elektronspinn och Pauliprincipen En bild av den spinnande elektronen. 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 41 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42 7

8 Avsnitt 7.9 Atomer med fler än en elektron Jämförelse mellan den radiella sannolikhetstätheten för 2s och 2p orbitalerna 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 43 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44 Avsnitt 7.9 Atomer med fler än en elektron Energinivåerna för orbitalerna Avsnitt 7.9 Atomer med fler än en elektron Orbitalernas energinivåer Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46 Avsnitt 7.10 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. Avsnitt 7.10 Det moderna periodiska systemet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48 8

9 Avsnitt 7.10 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 Avsnitt 7.10 John Newlands ( ): egenskaper upprepas vart 8:de grundämne Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 50 Avsnitt 7.10 År 1872 publicerades följande periodiska system. Avsnitt 7.10 Dmitri Ivanovich Mendeleev ( ) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 51 Avsnitt 7.10 Periodiska systemet 1909, Nordisk familjebok Avsnitt 7.10 Periodiska systemet 1924, Nordisk familjebok Copyright Cengage Learning. All rights reserved 53 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 54 9

10 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 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 55 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 56 Aufbau och elektronkonfigurationer 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 1H 2He 6C 8O 10Ne 21Sc De senast fyllda orbitalerna för 18 grundämnen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 57 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 58 Valenselektroner Elektronerna i det yttersta principiella kvantnivån hos atomen. Atom Valence Electrons Ca 2 N 5 Br 7 Elektronkonfigurationerna för kalium till krypton De andra elektronerna kallas inre elektroner. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 59 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 60 10

11 för atomkarakteristika Representativa grundämnen (huvudgruppen): fyller s och p orbitaler (Na, Al, Ne, O) Ett diagram som summerar ordningen med vilken orbitalerna fylls i polyelektroniska atomer 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 61 Skriv elektronkonfigurationen för svavel (S) och Kadmium (Cd) Övning Bestäm de förväntade elektronkonfigurationerna för följande atomer. a) S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 or [Ne]3s 2 3p 4 b) Ba [Xe]6s 2 c) Eu [Xe]6s 2 4f 7 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 63 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 64 Orbitalerna som fylls för respektive grundämne för atomkarakteristika Grundämnenas (atomslagens) egenskaper uppvisar periodiska trender med ökande relativ atomvikt: Atomradie Joniseringsenergi Elektronaffinitet Elektronegativitet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 65 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 66 11

12 Atomradie i pikometer (10-12 m) för huvudgruppens atomer Periodisk trend Atomradie: ökar nedåt i en grupp. minskar från vänster till höger i en period Copyright Cengage Learning. All rights reserved 68 Joniseringsenergi Energimängden som krävs för att bortföra en elektron från den gasformiga atomen eller jonen. Trender i första joniseringsenergi (kj/mol) för huvudgruppens atomer 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 69 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 70 Första joniseringsenergin för alla grundämnen i de sex första perioderna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 71 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 72 12

13 Periodisk trend Joniseringsenergier för bortförande av innerelektroner Första joniseringsenergin: ökar från vänster till höger i en period; minskar nedåt i en grupp. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 73 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 74 Elektronaffinitet Energimängden som omsätts då en elektron tillförs en gasformig atom Elektronaffinitet för atomer bland de 20 första grundämnena som bildar stabila X -joner. X(g) + e X (g) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 75 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 76 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. Indelning av periodiska systemet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 77 13

14 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. Avsnitt 7.13 Egenskaper hos en grupp: alkalimetallerna Namn på grupper i det periodiska systemet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 79 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 80 Avsnitt 7.13 Egenskaper hos en grupp: alkalimetallerna Metaller och ickemetaller Avsnitt 7.13 Egenskaper hos en grupp: alkalimetallerna Alkalimetallerna Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr De kemiskt mest reaktiva metallerna Reagerar med ickemetaller och bildar salter Då man går nedåt i gruppen: Minskar joniseringsenergin Ökar atomradien Ökar densiteten Minskar kok- och smältpunkter Copyright Cengage Learning. All rights reserved 81 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 82 14