KEMA00 Magnus Ullner Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium kan laddas ner från http://www.kemi.lu.se/utbildning/grund/kema00/dold Användarnamn: Kema00 Lösenord: DeltaH0
F2 Periodiska systemet Beskriver likheter i grundämnenas kemiska egenskaper Tydlig struktur varför?
Kort svar Atomers (grundämnenas) inre struktur
Atomers beståndsdelar Protoner positiv laddning massa = 1,7 10-27 kg Neutroner neutrala massa = 1,7 10-27 kg Elektroner negativ laddning massa = 9,1 10-31 kg Atomnummer Z: antal protoner i kärnan Atomvikt: till största delen summan av protonernas och neutronernas massor, dvs. kärnans massa Isotoper: variation av antalet neutroner ger atomer med samma atomnummer men olika atomvikt
Våg-partikel-dualititet Fotoelektriska effekten ljus beter sig som partiklar med given energi/partikel Elektroner ger diffraktionsmönster, precis som ljus E = hν = hc λ
Schrödingerekvationen Om partiklar beter sig som vågor borde man kunna använda samma matematiska beskrivning: en vågekvation Lösningar till schrödingerekvationen: Ψ är en vågfunktion som beskriver en partikel i ett visst tillstånd E är partikelns energi i detta tillstånd
Exempel: endimensionell låda Lösningar motsvarar stående vågor (jfr gitarrsträng): Ψ n (x) = 2 sin nπx n =1, 2,... L L med energierna E = n 2 h 2 8mL 2 Att bara vissa tillstånd med vissa energier (n = heltal) är tillåtna är en konsekvens av att partikeln är instängd.
Borns tolkning Ψ 2 är sannolikhetstätheten Sannolikheten P(x) att finna partikeln i en liten volym dv runt x är P(x) = Ψ 2 (x) dv Jfr massan m i en volym dv i ett material med densiteten ρ m = ρ dv
Väteatomen Tung proton ( ligger still ) Lätt elektron ( far omkring ) Coulomb-växelverkan V (r) = e2 4πε 0 r där r är avståndet mellan elektron och proton Växelverkan längs x-axeln - jfr med endimensionell låda V(x) x Lös schrödingerekvationen för elektronen i växelverkan med protonen I 3D: tänk lök med samma värde i ett sfäriskt lager
Väteatomen - lösningar Lösningarna specificeras med tre kvanttal: huvudkvantalet: n = 1, 2, 3, bikvanttalet: l = 0, 1, 2,, n 1 magnetiska kvanttalet: m l = -l, 1 l,, -1, 0, 1,, l 1, l
Orbitaler Väteatomens elektronvågfunktioner kallas orbitaler, inspirerat av planetbanor ( orbits på engelska) De beskriver diffusa elektronmoln Ett vanligt sätt att representera dem är att rita en gränsyta som omsluter det område där det finns en viss sannolikhet att hitta elektronen, typiskt 90%
Huvudkvanttalet, n n = 1, 2, 3, utbredning / storlek skal
Bikvanttalet, l l = 0, 1, 2,, n 1 l = s, p, d, f, g, (från atomspektra) form underskal s (sharp) l = 0 p (principal) l = 1 d (diffuse) l = 2 f (fundamental) l = 3
Magnetiska kvanttalet, m l m l = 0, ±1, ±2,, ±l antal = 2l + 1 orientering orbital i underskal d-orbitaler l = 2 2l + 1 = 5 p-orbitaler l = 1 2l + 1 = 3
Kvanttal - sammanfattning Antal orbitaler i ett skal: n 2
Spinnkvantalet, m s Elementarpartiklar har en rent kvantmekanisk egenskap: spinn Spinn kan uppfattas som om partikeln roterar kring sin egen axel Spinntillståndet anges av spinnkvantalet m s En elektron kan ha m s = -1/2, +1/2 spinn ner, upp
Pauliprincipen Två elektroner kan inte samtidigt ha samma uppsättning kvanttal (värden på n, l, m l och m s ) En orbital (n, l, m l ) kan högst innehålla två elektroner (m s = ±1/2)
Energinivåer För väteatomen ges energin endast av n E n = hr 2, n =1, 2, 3,... n För atomer med fler elektroner beror energin även på l Orbitaler med samma energi sägs vara degenererade
Atomspektra Kvantmekaniken ger en förklaring till atomspektra - endast våglängder som motsvarar skillnader i energinivåer syns
Aufbauprincipen För att få en elektronkonfiguration, fyll på elektroner i orbitaler från låg till hög energi Max två elektroner i varje orbital
H, He, Li, Be
B
Hunds regel Om flera orbitaler i ett underskal finns tillgängliga, placera i första hand elektronerna i olika orbitaler med parallella spinn (oparade elektroner) innan två elektroner placeras i samma orbital med olika spinn (parade elektroner)
O, F, Ne
Periodiska systemet enligt aufbau
Övning Ange elektronkonfigurationen för S, Ca, Ni och Br i grundtillståndet.
Svar S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 Z=16 2 4 10 12 16 Ca 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 Z=20 2 4 10 12 18 20 Ni 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2 Z=28 2 4 10 12 18 26 28 [Ne]3s 2 3p 4 [Ar]4s 2 [Ar]3d 8 4s 2 Br 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 5 Z=35 2 4 10 12 18 28 30 35
Valenselektroner Elektronerna utanför inre skal med ädelgasstruktur eller utanför fulla d- och f-underskal. Elektroner som kan delta i kemisk bindning Exempel S: [Ne]3s 2 3p 4 Ca: [Ar]4s 2 Ti: [Ar]3d 2 4s 2 Br: [Ar]3d 10 4s 2 4p 5
Effektiv kärnladdning, Z eff Kärnladdning upplevd av valenselektroner Z eff = Z S är lägre än Z pga skärmning av inre elektroner
Atom- och jonradie Uppmätt som kärnavstånd i föreningar Egentligen en funktion av växelverkan mellan atomer
Atomradie Effektiv kärnladdning ökar åt höger i perioden
Övning Vilken är störst? 1. K eller Rb? 2. K eller Ca? 3. K eller Cl?
Svar Vilken är störst? 1. K eller Rb? 2. K eller Ca? 3. K eller Cl?
Jonradie Katjoner (+) förlorat elektroner i yttersta skalet Anjoner (-) fler elektroner, som repellerar varandra Runt ädelgas samma elektronkonfiguration, men olika kärnladdning
Övning Vilken är störst? 1. K + eller Rb +? 2. K + eller Ca 2+? 3. K + eller Cl -?
Svar Vilken är störst? 1. K + eller Rb +? 2. K + eller Ca 2+? 3. K + eller Cl -?
Joniseringsenergi, I Energi som upptas vid reaktionen X(g) X + (g) + e - (g)
Övning Vilken har störst joniseringsenergi? 1. K eller Rb? 2. K eller Ca? 3. K eller Cl?
Svar Vilken har störst joniseringsenergi? 1. K eller Rb? 2. K eller Ca? 3. K eller Cl?
Elektronaffinitet, E a Energi som avges vid reaktionen X(g) + e - (g) X - (g)