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

  1. Aine koostuu erittäin pienistä hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi.
  2. Tietyn alkuaineen kaikkien atomien koko, massa ja muut ominaisuudet ovat identtisiä.
  3. Atomit ovat pysyviä ja jakamattomia, eikä niitä voi luoda tai tuhota.
  4. Eri alkuaineiden atomit muodostavat yhdisteitä kiinteässä suhteessa.
  5. 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

  1. Minimienergiaperiaate: Elektroni asettuu aina atomin energialtaan alimmalle orbitaalille.
  2. Hundin sääntö: orbitaaleille, joilla on sama energia, asettuu aina ensin vain yksi elektroni.
  3. 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

KE2 1/6: Atomin rakenne

  • 1,188
Loading comments...

More from Opetus.tv