c = λ ν Vågrörelse Kap. 1. Kvantmekanik och den mikroskopiska världen Kvantmekanik 1.1 Elektromagnetisk strålning

Relevanta dokument
Kapitel 7. Atomstruktur och periodicitet. Kvantmekanik Aufbau Periodiska systemet

Kapitel 7. Atomstruktur och periodicitet

KEMA00. Magnus Ullner. Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium kan laddas ner från

Kapitel 7. Atomstruktur och periodicitet. Kvantmekanik Aufbau Periodiska systemet

Mendelevs periodiska system

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

Andra föreläsningen kapitel 7. Patrik Lundström

Kvantmekanik. Kvantmekaniken: De naturlagar som styr förlopp i den mikroskopiska världen (och i den makroskopiska!) Kvantmekanik.

Föreläsning 5 Att bygga atomen del II

KE02: Kemins mikrovärld

8. Atomfysik - flerelektronatomer

Instuderingsfrågor, Griffiths kapitel 4 7

4-1 Hur lyder Schrödingerekvationen för en partikel som rör sig i det tredimensionella

Vågfysik. Ljus: våg- och partikelbeteende

Milstolpar i tidig kvantmekanik

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 19, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

Atomen - Periodiska systemet. Kap 3 Att ordna materian

Introduktion till det periodiska systemet. Niklas Dahrén

Fysik TFYA86. Föreläsning 11/11

Alla svar till de extra uppgifterna

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

Väteatomen. Matti Hotokka

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

KEMA00. Magnus Ullner. Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium kan laddas ner från

Kvantmekanik och kemisk bindning I 1KB501

KEMI 1 MÄNNISKANS KEMI OCH KEMIN I LIVSMILJÖ

Atomteori. Biologisk kemi 7,5 hp KTH Vt 2012 Märit Karls. Titta på: Startsida - Biologisk Kemi (7,5hp) [PING PONG]

Parbildning. Om fotonens energi är mer än dubbelt så stor som elektronens vileoenergi (m e. c 2 ):

F2: Kvantmekanikens ursprung

Kap. 8. Bindning: Generella begrepp

7. Atomfysik väteatomen

If you think you understand quantum theory, you don t understand quantum theory. Quantum mechanics makes absolutely no sense.

Tentamen. TFYA35 Molekylfysik, TEN1 24 oktober 2016 kl Skrivsal: G34, G36, G37

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 12, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

KEMI 1 MÄNNISKANS KEMI OCH KEMIN I LIVSMILJÖ

Molekylorbitaler. Matti Hotokka

1.5 Våg partikeldualism

Atomen och periodiska systemet

Lösningar Heureka 2 Kapitel 14 Atomen

Dugga i FUF040 Kvantfysik för F3/Kf3

Atomer, ledare och halvledare. Kapitel 40-41

Utveckling mot vågbeskrivning av elektroner. En orientering

2.14. Spinn-bankopplingen

Välkomna till Kvantfysikens principer!

Kapitel 4. Materievågor

Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

2.6.2 Diskret spektrum (=linjespektrum)

Fysik TFYA68. Föreläsning 11/14

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801) Lördag 15 december 2012,

Rydbergs formel. Bohrs teori för väteliknande system

Jonföreningar och jonbindningar del 1. Niklas Dahrén

Information om kursen

Fotoelektriska effekten

Kap. 8. Bindning: Generella begrepp, fortsättning

Föreläsning 6. Amplituder Kvanttillstånd Fermioner och bosoner Mer om spinn Frågor Tentan. Fk3002 Kvantfysikens grunder 1

Kemisk bindning I, Chemical bonds A&J kap. 2

1. Elektromagnetisk strålning

2.4. Bohrs modell för väteatomen

Lösningsförslag. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 3

Prov Ke1 Atomer och periodiska systemet NA1+TE1/ /PLE

Number 14, 15, 16, and 17 also in English. Sammanställning av tentamensuppgifter Kvant EEIGM (MTF057).

Tentamen Fysikaliska principer

Medicinsk Neutron Vetenskap. yi1 liao2 zhong1 zi3 ke1 xue2

Fysik TFYA86. Föreläsning 10/11

Kvantmekanik - Gillis Carlsson

Föreläsning 1. Elektronen som partikel (kap 2)

BFL 111/ BFL 120 Fysik del B2 för Tekniskt Basår/ Bastermin

Periodiska systemet. Atomens delar och kemiska bindningar

Föreläsning 2. Att uppbygga en bild av atomen. Rutherfords experiment. Linjespektra och Bohrs modell. Vågpartikel-dualism. Korrespondensprincipen

TENTAMEN I FYSIKALISK KEMI KURS: KEM040 Institutionen för kemi Göteborgs Universitet Datum: LÄS DETTA FÖRST!

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

Svar och anvisningar

12 Elektromagnetisk strålning

1 Hur förklarar du att det blev ett interferensmönster i interferensexperimentet med elektroner?

Atomens uppbyggnad. Niklas Dahrén

Jonföreningar och jonbindningar del 1. Niklas Dahrén

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Bohrs atommodell. Uppdaterad: [1] Vätespektrum

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Kosmologi - läran om det allra största:

Lösningar - Rätt val anges med fet stil i förekommande fall (obs att svaren på essäfrågorna inte är uttömmande).

ATOMER OCH ATOMMODELLEN. Lärare: Jimmy Pettersson

3.14. Periodiska systemet (forts.)

Kvantfysik - introduktion

ATOMENS BYGGNAD. En atom består av : Kärna ( hela massan finns i kärnan) Positiva Protoner Neutrala Neutroner. Runt om Negativa Elektroner

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Kurs PM, Modern Fysik, SH1011

Introduktion till kemisk bindning. Niklas Dahrén

1 Speciell relativitetsteori

Räkneuppgifter, kemisk bindning Kvantmekanik och kemisk bindning I, 1KB501

FyU02 Fysik med didaktisk inriktning 2 - kvantfysik

Mer om E = mc 2. Version 0.4

Tentamen i fysik B2 för tekniskt basår/termin VT 2014

.Kemiska föreningar. Kap. 3.

Föredrag om relativitetsteorin AFI Håkan Sjögren

2.4. Bohrs modell för väteatomen

Transkript:

Kap. 1. Kvantmekanik och den mikroskopiska världen Modern teori för atomer/molekyler kan förklara atomers/molekylers egenskaper: Kvantmekanik I detta och nästa kapitel: atomers egenskaper och periodiska systemet. 1.1 Elektromagnetisk strålning Ett sätt på vilket energi färdas genom rymden. c Vågrörelse λ amplitud c = (ljus)hastigheten (= 2,9979 10 8 m/s för ljus) λ = våglängden Antal toppar (dalar) som passerar punkten x per sekund = frekvensen = ν Sträckan per sekund blir då = λ ν, d.v.s.: c = λ ν x x Klassisk bild: Alternerande elektriskt och magnetiskt fält

Materiens natur Klassiskt: Ljus - Vågrörelse (-1900) Materia Partiklar Men... : Fotoelektriska effekten Ljus som träffar en metalllyta kan få elektroner att emitteras (slungas ut). Ljusets frekvens ν måste vara större än ett visst tröskelvärde. v elektron hν h = 6,626 10-34 J s = Plancks konstant Einstein (1905): Ljuset uppträder som en partikel med en energi som är proportionell mot ν och som stöter loss om dess energi är tillräckligt stor en elektron. Ljuspartikeln: Fotonens energi: ½ m e v 2 = hν E 0 elektronens rörelseenergi Foton (γ) E γ = hν utträdesarbetet Ljus har partikelegenskaper!

Dessutom: Emission från exciterade (= med energiöverskott) gaser av atomer: Tillbaka lite till elektromagnetisk strålning: Diffraktion Vågor kan interferera konstruktivt eller destruktivt och ge ett diffraktionsmönster: Emissionslinjer istället för kontinuerliga spektra. Detta stämmer inte med klassik fysik, men kan förklaras om man antar att bara vissa energier är tillåtna, och att en foton avges med en energi som är precis lika med skillnaden i energi mellan de två tillstånden: kvantisering av energi Men... Elektronstråle som passerar genom en kristall (Davisson & Germer 1927) Diffraktionsmönster Ex: Två energinivåer E 1, E 2 E E 2 E 1 hν E = E 2 E 1 = hν Partiklar har vågegenskaper! de Broglie (1923): = λ h mv Våglängd λ för partikel med massa m och hastighet v

Slutsats: All materia har både våg- och partikelegenskaper våg-partikeldualiteten Ny teori nödvändig! Kvantmekanik Schrödingerekvationen (1927): HΨ = EΨ Denna (våg)ekvation beskriver hur materien uppför sig på molekylär nivå. E : energin för systemet Ψ : vågfunktionen för systemet H : Hamiltonoperatorn (innehåller växelverkan) Väteatomen, kvantmekanisk beskrivning En atomkärna med laddning Z e och massa M plus en elektron med laddning e och massa m e. Antag M >> m e x Schrödingerekvationen för elektronen: Hψ ( x, y, z) = Eψ ( x, y, z) Elektronens energinivåer: 2 Z me e En = 2 2 8ε h n i enheten Joule Ze z 0 4 2 = 2,178 10 18 Z n Z = kärnladdningen = 1 för H-atomen n = kvanttal = 1, 2, 3, 4,... Anm: Bara dessa energier är tillåtna, d.v.s. Energin är kvantiserad! r e (x,y,z) y 2 2

Energin hos emitterad foton: hν = E = E E n E n 1 n 18 2 1 n En = 2,178 10 Z 2 2 hν Emissionsspektrum för H: H* H + hν Fig. 13.1 A9 n Förutom energin får vi ut vågfunktionen ψ när vi löser Schrödingerekvationen. Vad är vågfunktionen? ψ (x,y,z) 2 = sannolikheten att hitta elektronen i punkten (x,y,z) i rummet. Generellt, om man vet sannolikhetsfördelningen för elektronerna i en atom/molekyl kan man räkna ut exv. dipolmomentet, polarisabiliteten och alla andra egenskaper! Vågfunktionen för en elektron = orbital. En orbital motsvaras av ett område i rummet där det är hög sannolikhet att träffa på en elektron Sannolikhetsmoln 90% innanför ytan Vågfunktionen karaktäriseras förutom av kvanttalet n också av två till kvanttal, l och m l : - Huvudkvanttalet (principal quantum number): n n = 1, 2, 3, skal avgör orbitalens utsträckning och energi

- Bikvanttalet (angular momentum quantum number, rörelsemängdsmomentkvanttalet): l l = 0, 1,, n-1 underskal beskriver orbitalens form eller orbitaltyp För H beror orbitalernas energi bara av n (de är degenererade m.a.p. n): l:s värde 0 1 2 3 4 bokstav s p d f g - Magnetiska kvanttalet: m l m l = -l,,0,,l beskriver orbitalens orientering i rymden Så vi får följande orbitaler: Orbitalerna har utseendet: s-orbitaler: p-orbitaler (exv 2p x,2p y,2p z ):

d-orbitaler (exv. de fem 3d-orbitalerna): Kap. 2. Atomer med flera elektroner och det periodiska systemet 2.1-2 Atomer med flera elektroner Lös Schrödingerekvationen för en atom med fler än en elektron Orbitalerna ser ungefär ut som i H-atomen. Det finns ytterligare ett kvanttal: - Magnetiska spinnkvanttalet: m s m s = -1/2, +1/2 (ner, upp eller β, α) beskriver elektronens inneboende rörelsemängdsmoment eller elektronspinn. ( Elektronens rotation kring sin egen axel ) Energinivåerna ändras jmf med i H-atomen: E(2s) < E(2p) E(3s) < E(3p) < E(3d) Notera även att E(5s) < E(4d) E(4s) < E(3d) och dessutom gäller: E(6s) < E(4f) E(5d) E(7s) < E(5f) E(6d)

Paulis uteslutningsprincip: Två elektroner i en given atom kan inte ha samma uppsättning av de fyra kvanttalen n, l, m l, m s Således kan en orbital högst innehålla två elektroner och de måste ha olika spinn. Aufbau-principen (=Uppbyggnadsprincipen) Elektronerna adderas till orbitalerna från låga energier och uppåt, max två per orbital. E 3s 2s 2p 3p 3d 2.3-4 Periodiska systemet Mendeleev (1872). Grundämnena kunde arrangeras efter ökande massa (egentligen kärnladdning) och grupperas i grupper med liknande egenskaper. period grupp Hunds regel 1s Den lägsta energikonfigurationen för en atom är att ha det maximala antalet oparade elektroner som tillåts enligt Pauliprincipen i en uppsättning degenererade orbitaler. 1s 1 1s 2 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2s 2 2p 4 Vi kan med hjälp av atomorbitalernas energier och uppbyggnadsprincipen förklara periodiska systemets uppbyggnad Elektronkonfiguration

Valenselektroner Elektronerna i det yttersta skalet hos atomen Atomer i samma grupp har samma antal valenselektroner Övriga elektroner: inre-skalselektroner Huvudgruppernas beteckningar 1A, 2A,..., 8A anger antalet valenselektroner Huvudgruppen (rosa och grön): fyller s och p orbitaler (H,He,Li,Be,B,C,N,O,F,...) Övergångsmetaller (blå): fyller d orbitaler (Sc, Ti, V,..., Fe, Co,...,Y,...) Lantanoider och aktinoider (gula): fyller f orbitaler (Ce,..., Lu, Th,..., Lr) Alternativ namngivning: 1-18 (=summa s+p+d-elektroner) enligt IUPAC antal ns-e - + antal np-e - + antal (n-1)d-e -

2.5 Trender hos atomegenskaper Atomradier Definition: halva bindningsavståndet i en molekyl eller kristall med identiska atomer 2r Jonradier - Positiv jon mindre än motsv. atom - Negativ jon större än motsv. atom Tömmer skal Mer e - repulsion - Minskar med ökad positiv jonladdning i en period (Na + > Mg 2+ > Al 3+ ) Lika många e - men ökad kärnladdning - Ökar med högre negativ laddning (O 2- > F - ) Lika många e - men ökad kärnladdning åt höger - atomradien ökar nedåt i en grupp - minskar från vänster till höger i en period Ökad kärnladdning Fler skal

Joniseringsenergi Energimängden som krävs för att bortföra en elektron från atomen eller jonen i gasfas Mg(g) Mg + (g) + e - Mg + (g) Mg 2+ (g) + e - 738 kj/mol 1450 kj/mol Information i periodiska systemet Samma antal valenselektroner i en grupp - de bestämmer i huvudsak grundämnets kemi Placeringen i periodiska systemet ger info om elektronkonfigurationen Indelning av periodiska systemet: alkalimetaller, halogener, ädelgaser metaller, icke-metaller, halvmetaller - Första joniseringsenergin ökar från vänster till höger i en period - Minskar nedåt i en grupp - Elektronen tas först från skal med högst n Ex: Egenskaper alkalimetallerna (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) De kemiskt mest reaktiva metallerna - Reagerar med ickemetaller och bildar salter - Reagerar med H 2 O och bildar H 2, häftigare ju längre ned i gruppen Elektronaffinitet Energivinsten när en atom upptar en elektron Cl(g) + e - Cl - (g) (Störst för halogenerna) E ea = 349 kj/mol