Opetus.tv PRO
Opetus.tv
ATOMI & ALKUAINEET KVANTTIMEKAANINEN ATOMIMALLI
KE2: Ihmisen ja elinympäristön kemiaa 1/6
Kertausta KE1-kurssilta:
Totta vai tarua?
1) Metaanissa CH4 on kovalenttisia sidoksia atomien välillä.
6) Hiili, typpi ja happi ovat yleisiä alkuaineita orgaanisissa molekyyleissä.
5) Vesi on poolinen aine.
4) Poolittomat molekyylit liukenevat hyvin veteen.
3) Elektronegatiivisuus kuvaa yhdisteen elektronien määrää.
2) Etanoli CH3CH2OH on ionisidoksellinen yhdiste.
Kertausta KE1-kurssilta:
Jaksollinen järjestelmä
Mitä voit päätellä hiiliatomista seuraavien tietojen perusteella?
A) Hiilen järjestysluku on 6.
B) Hiiliatomi kuuluu 2 jakson alkuaineisiin.
C) Hiili kuuluu 14. ryhmään.
D) Hiili on epämetalli.
Atomin rakenne
elektroni
Ydin
protonit
neutronit
Nukleoni
Kvarkki
Kuorimalli
1. kuorella
2\cdot 1^2 = 2
elektronia
...
2. kuorella
2\cdot 2^2 = 8
2\cdot n^2 = 2n^2
2\cdot 4^2 = 32
2\cdot 3^2 = 18
3. kuorella
4. kuorella
n. kuorella
elektronia
elektronia
elektronia
elektronia
K
L
M
N
E
K
L
M
Atomimallin historiaa
Dalton 1803
+
+
+
+
+
+
Thomson 1904
- Rusinapullamalli
- Positiiviset ja negatiiviset varaukset
- atomikäsite otettiin käyttöön
Rutherford 1911
- Planetaarinen malli
- positiivisesti varautunut ydin
Bohr 1913
- energiatasot
Schrödinger 1926
- kvanttimekaaninen atomimalli
- elektronipilvi
Chadwick 1932
- protonit ja neutronit
Demokritos 400 e.a.a.
- esitti ensimmäisenä, että ainetta ei voida pilkkoa loputtomasti pienempiin osiin
- aine koostui katoamattomista, jakamattomista ja ikuisesti muuttumattomista hiukkasista "atomos" (suom. jakamaton)
- eri hiukkasilla on erilaiset muodot ja koot
- hiukkasten koko, muoto ja liikkuvuus määrittävät aineen ominaisuudet
Aristoteles 340 e.a.a.
- ei uskonut atomien olemassa oloon
- kaikki aine koostui neljästä peruselementistä tulesta, vedestä, maasta ja ilmasta, joilla on neljä ominaisuutta kuuma, kostea, kuiva ja kylmä
Maa
Vesi
Tuli
Ilma
kylmä
kuuma
kostea
kuiva
- Aine koostuu erittäin pienistä hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi.
- Tietyn alkuaineen kaikkien atomien koko, massa ja muut ominaisuudet ovat identtisiä.
- Atomit ovat pysyviä ja jakamattomia, eikä niitä voi luoda tai tuhota.
- Eri alkuaineiden atomit muodostavat yhdisteitä kiinteässä suhteessa.
- Kemialllisessa reaktiossaatomit yhdistyvät, eroavat tai uudelleen järjestätyvät.
Dalton 1803
- otti käyttöön atomikäsitteen
- laski atomipainoja
+
+
+
+
+
+
Thomson 1904
- löysi elektronin
- Rusinapullamalli
- Positiiviset ja negatiiviset varaukset
- Nobelin palkinto 1906
katodisädeputki
Rutherford 1911
- Planetaarinen malli
- löysi atomin positiivisesti varautuneen ytimen, jota elektronit kiertävät
- löysi protonin
- Nobel-palkinto 1908
Bohr 1913
- kehitti Rutherfordin mallia eteenpäin esittämällä, että elektronit kiertävät ydintä radoillaan
- kullakin radalla on oma energiatasonsa ja kun elektroni siirtyy radalta toiselle, vapautuu valoa
- Nobel-palkinto 1922
Schrödinger 1926
- Schrödingerin aaltoyhtälö
- kvanttimekaaninen atomimalli
- elektronipilvi
- elektronit muodostavat atomin ympärille todennäköisyyspilviä, eikä koskaan voida tarkasti tietää, missä elektroni sijaitsee
- Nobel-palkinto 1933
Chadwick 1932
- löysi atomin ytimestä neutronin
- Nobel-palkinto 1935
Alkuaineen kemiallinen merkki
- protonit: järjestysluku
- sama alkuaine, sama järjestysluku
- elektronit: järjestysluku
- atomi kokonaisuutena varaukseton
- neutronit: massaluku − järjestysluku
- isotoopit: sama järjestysluku, eri massaluvut
Kvanttimekaaninen atomimalli
- elektronit sijaitsevat atomiytimen ympärillä olevassa elektronipilvessä
- atomin rakenneosien vuorovaikutusta säätelevät näiden hiukkasten sähköiset ja magneettiset ominaisuudet
- atomin jokainen elektroni voi saada vain tiettyjä energia-arvoja
Ryhmätehtävä 1:
Atomin elektronien energiatasojen miehittyminen
Atomimallit ovat kehittyneet ajan mittaan tutkimusten edetessä. Tällä hetkellä paras malli atomin rakenteen kuvaamiseen on kvanttimekaaninen atomimalli, jonka mukaan elektronit sijaitsevat atomiytimen ympärillä olevassa elektronipilvessä. Atomiorbitaalilla tarkoitetaan sitä ytimen ympärillä olevaa aluetta, jossa elektroni todennäköisimmin sijaitsee.
Tutustu viereisen energiakaavion, jaksollisen järjestelmän, MAOLin elektronijakaumakaavion ja simulaation avulla eri alkuaineatomien elektronien energiatasojen miehittymiseen.
Muotoile kolme väittämää siitä, miten atomien elektronit täyttyvät orbitaaleille.
Kvanttimekaaninen atomimalli
atomiorbitaali
e
n
e
r
g
i
a
pääkuori
= se avaruuden osa, jossa elektroni todennäköisimmin esiintyy
- kaikilla saman pääkuoren elektroneilla lähes sama energia
- mitä suurempi pääkuoren numero n, sitä kauempana atomin ytimestä
1
2
3
Kvanttimekaaninen atomimalli
pääkvanttiluku (n)
- elektronikuoren keskimääräinen energia
- voi saada arvoja 1, 2, 3, ...
e
n
e
r
g
i
a
1
2
3
sivukvanttiluku (l)
- kuvaa orbitaalin muotoa
- s, p, d, f
- voi saada arvoja
s
p
d
magneettinen kvanttiluku ( )
m_l
- kuvaa elektronin sijaintia magneettikentässä
- esim.
- voi saada arvoja
p_x, p_y, p_z
p_x
p_y
p_z
spinkvanttiluku
- samalla orbitaalilla olevilla elektroneilla on aina eri spinit
- voi saada arvoja
0,1, 2,...,n-1
0,\pm1, \pm2,..., \pm l
\pm\frac{1}{2}
e
n
e
r
g
i
a
1
2
3
Kvanttimekaaninen atomimalli
sivukuori
= orbitaali, jolla on sama pää- ja sivukvanttiluku
Orbitaalien mallintaminen
- orbitaaleja kuvataan piirroksilla, jotka havainnollistavat elektronitiheyttä atomiytimen ympärillä
- elektronitiheys voidaan määrittää kokeellisesti, mutta orbitaalia ei
Elektronirakenteen kirjoittaminen
- Minimienergiaperiaate: Elektroni asettuu aina atomin energialtaan alimmalle orbitaalille.
- Hundin sääntö: orbitaaleille, joilla on sama energia, asettuu aina ensin vain yksi elektroni.
- Paulin kieltosääntö: Samalle orbitaalille ei voi asettua enempää kuin kaksi elektronia.
Muutokset atomin elektronirakenteessa
-
atomit pyrkivät oktettiin eli uloimman kuoren elektronirakenteeseen, jossa s- ja p-orbitaalit ovat täynnä
- oktetti on energeettisesti edullinen elektronirakenne
jalokaasut ovat passiivisia eli ne eivät reagoi
-
muut alkuaineet saavuttavat oktetin
- luovuttamalla elektroneja
- vastaanottamalla elektroneja
- muodostamalla kovalenttisia sidoksia
kationi (+)
anioni (-)
Elektronien virittyminen
Atomiin tuodaan lisää energiaa esim. lämpönä tai valona
ulkoelektronit virittyvät eli siirtyvät korkeammille energiatasoille
viritystila on lyhytaikainen
elektronit palaavat perustilaan
viritystila purkautuu ja energia vapautuu sähkömagneettisena säteilynä
Molekyyliorbitaalit
Hiilen elektronirakenne
1\text{s}^22\text{s}^22\text{p}^2
Kovalenttinen sidos muodostuu, kun
- sitoutuvat atomit jakavat elektroniparin
- sitoutuvien atomien atomiorbitaalit sulautuvat yhteen
molekyyliorbitaali
+
atomiorbitaalit
molekyyli-orbitaali
Vetyjen välisen sidoksen muodostuminen
- kun kovalenttinen sidos muodostuu, muuttuvat vain uloimpien energiatasojen orbitaalit
- sisempiä orbitaaleja voidaan edelleen kuvata atomiorbitaalien avulla
Hiilen sitoutuminen
-
hiili voi muodostaa 4 sidosta
- 2s- ja 2p-orbitaalit muodostavat sidoksia
- pitäisi muodostua kahdenlaisia sidoksia
- tutkimusten mukaan esim. metaanissa 4 samanlaista sidosta
Hybridisaatio
- sidoksiin osallistuvat s- ja p-orbitaalit hybridisoituvat ja muodostavat uusia hybridiorbitaaleja
- hybridiorbitaalien energia on suurempi kuin s-orbitaalin, mutta pienempi kuin p-orbitaalin
\text{sp}^3\text{ -hybridisaatio}
Hybridisaatio
\text{sp}^2\text{ -hybridisaatio}
\text{sp}\text{ -hybridisaatio}
Totta vai tarua?
A) Propaanimolekyylissä kaikki kolme hiiliatomia ovat -hybridisoituneita.
\text{sp}^3
B) Eteenimolekyylissä toinen hiiliatomi on -hybridisoitunut ja toinen sp-hybridisoitunut.
\text{sp}^2
C) Bentseenin kaikki hiiliatomit ovat sp-hybridisoituneet.
D) Hiiliatomien hybridisoitumattomat 2p-orbitaalit voivat muodostaa toisiinsa liittyessään π-orbitaalin.
Totta.
Tarua.
Totta.
Tarua.
KE2 1/6: Atomin rakenne
By Opetus.tv
