Kvanttimekaaninen atomimalli

Hiilen sidokset

Molekyylien muoto

KE3: Molekyylit ja mallit 3/5

Orbitaalit

Keskeiset asiat:

  • orbitaali

  • pää- ja alakuoret

  • Paulin kieltosääntö

  • Hundin sääntö

  • elektronikuorien täyttyminen

  • elektronikonfiguraatio

  • ionisoitumisenergia

Sidos 3: Luku 7

Tuntitehtävä: Piirrä atomimalli.

a) Muistele, millainen on atomi. Mallinna atomimalli piirtämällä ja palauta se kuvana tähän. Voit mallintaa mallin koneella tai paperille.

b) Vertaa piirtämääsi atomimallia muiden ryhmäläistesi atomimalleihin. Keskustelkaa malleista ja piirtäkää sitten keskustelun pohjalta atomimalli 2.0.

c) Verratkaa atomimallia 2.0 historian aikana vallinneisiin atomimalleihin. Mitä atomimallia kukin tuotoksista muistuttaa?

Miten voisitte parantaa omaa atomimallianne?

KE1KE2-opintojakson atomimallit:

Atomimallin historiaa

  • Atomin käsitteen otti käyttöön John Dalton
  • Joseph Thomson löysi elektronin – atomi on sähköisesti neutraali, koostuu kuitenkin + ja - merkkisesti varautuneista hiukkasista. (rusinapullamalliksi)
  • Ernest Rutherford päätteli sirontakokeen jälkeen ytimen muodostavan valtaosan atomin massasta
  • Niels Bohr ehdotti, että elektronit kiertävät ydintä ellipsin muotoisilla kiertoradoilla eri energiatasoilla
  • James Chadwick päätteli, että atomin ydin koostuu positiivisesta varatuista protoneista ja varauksettomista neutroneista
  • Kvanttimekaanisen atomimallin mukaan elektronit eivät kierrä ydintä radoilla vaan muodostavat elektronipilven

Kvanttimekaaninen atomimalli

  • Elektroni on delokalisoitunut eli sillä ei ole tiettyä paikkaa
  • Elektroni on todennäköisimmin tietyllä alueella atomiytimen ympärillä
    \(\rightarrow\) alue on nimeltään orbitaali

  • massa, joka kuvaa elektronin vuorovaikutusta painovoiman kanssa

  • varaus, joka kuvaa elektronin sähköistä vuorovaikutusta

  • spin, joka kuvaa elektronin magneettista vuorovaikutusta

    • ​spin voi saada kahdenlaisia arvoja

Elektronilla on kolme sitä määrittävää ominaisuutta:

Elektronien ominaisuudet

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

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d

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.

Esimerkki

Kirjoita koboltin elektronikonfiguraatio.

\(\mathrm{_{27}^{ }Co}\)

energia

1s: 2 kpl

2s: 2 kpl

Jäljellä:

27-2=25

25-2=23

2p: 6 kpl

23-6=17

3s: 2 kpl

17-2=15

3p: 6 kpl

15-6=9

3d: 7 kpl

\(1s^22s^22p^63s^23p^64s^23d^7\)

4s: 2 kpl

9-2=7

Hybridisaatio

Keskeiset asiat:

  • sidosorbitaali

  • \(\mathrm{sp^3}\)-hybridisaatio

  • \(\mathrm{sp^2}\)-hybridisaatio

  • sp-hybridisaatio

  • sigmasidos ja piisidos

Sidos 3: Luku 8

Kovalenttisen sidoksen muodostuminen

  • Kovalenttinen sidos muodostuu, kun kahdella atomilla on yhteinen elektronipari.
    • Sidokseen osallistuvien elektronien atomiorbitaalit sulautuvat yhteen sidosorbitaaliksi.

sigmasidos

\(\sigma\)-sidos

sidosorbitaali

= yksinkertainen kovalenttinen sidos

Hiilen sitoutuminen

\(2s\)

\(2p_x\)

\(2p_y\)

\(2p_z\)

  • Hiili muodostaa neljä samanlaista sidosta

\(\rightarrow\) elektronit eivät voi olla erilaisilla orbitaaleilla

  • Hiilen elektronirakenne:

elektronipari

\(\rightarrow\) eivät muodosta sidosta

kaksi paritonta elektronia

\(\rightarrow\) muodostaisi vain kaksi yksinkertaista sidosta

\(2s\)

\(2p_x\)

\(2p_y\)

\(2p_z\)

\(\rightarrow\) atomiorbitaalit muuntuvat keskenään samanlaisiksi hybridiorbitaaleiksi

\(2sp^3\)

\(\mathrm{sp^3}\)-hybridisaatio

\(2s\)

\(2p_x\)

\(2p_y\)

\(2p_z\)

\(2sp^2\)

Kaksoissidoksen muodostuminen

\(2p_z\)

\(\mathrm{sp^2}\)-hybridisaatio

  • kolme atomiorbitaalia hybridisoituu ja yksi p-orbitaali jää hybridisoitumatta

sigmasidos

piisidos

(\(\pi\)-sidos)

  • hybridisoitumattomat p-orbitaalit sulautuvat yhteen

\(\mathrm{sp}\)-hybridisaatio

  • kaksi atomiorbitaalia hybridisoituu ja kaksi p-orbitaalia jää hybridisoitumatta

Kolmoissidoksen muodostuminen

sigmasidos

2 piisidosta

Molekyylin muoto

Keskeiset asiat:

  • vapaa elektronipari

  • molekyylin muoto

  • sidoskulma

Sidos 3: Luku 9

Lewisin kaava

  • kuvaa atomin elektronien jakautumista vapaisiin ja sidoselektronipareihin

happimolekyyli \(\mathrm{O_2}\)

vesimolekyyli \(\mathrm{H_2O}\)

vetysyanidimolekyyli HCN

vapaa elektronipari

= atomin uloimman kuoren elektronipari, joka ei osallistu sidoksen muodostamiseen

Tutustukaa simulaation avulla molekyylin muodon määrittämiseen VSEPR-teoriassa. Pyrkikää selvittämään vastaukset seuraaviin kysymyksiin:

Tuntitehtävä

  1. Mikä näyttäisi olevan perusohje siihen, miten ryhmät (= yksinkertaisella, kaksois- tai kolmoissidoksella sitoutuneet atomit tai vapaat elektroniparit) järjestäytyvät?
  2. Mikä on suurin ero vapaiden elektroniparien ja muiden ryhmien sitoutumisessa?
  3. Miten vapaat elektroniparit vaikuttavat molekyylin muotoon?
  4. Miten ryhmien määrä vaikuttaa molekyylin muotoon?
  5. Minkämuotoisia molekyylejä pystytään muodostamaan? Miten nämä muodot voidaan nimetä?
  6. Mikä vaikuttaa sidoskulmiin?

Tutustukaa simulaatioon ja varmistakaa, että koko ryhmä ymmärtää, miten VSEPR-teoria toimii. 

Molekyylin muoto

  • Molekyylien perusmuodot:

tetraedri

tasokolmio

lineaarinen

\(109,\!5^\circ\)

\(120^\circ\)

\(180^\circ\)

liittynyt neljä atomia tai atomiryhmää

liittynyt kolme atomia tai atomiryhmää

liittynyt kaksi atomia tai atomiryhmää

Minkä muotoinen on

vesimolekyyli \(\mathrm{H_2O}\)?

ammoniakkimolekyyli \(\mathrm{NH_3}\)?

  • keskusatomi: happi
  • liittynyt: 2 x vety

hypoteesi: 

  • keskusatomi: typpi
  • liittynyt: 3 x vety

hypoteesi: 

lineaarinen

tasokolmio

vapaat elektroniparit vievät enemmän tilaa kuin sidoselektroniparit

\(\rightarrow\) sidokset taipuvat

\(\rightarrow\) sidoskulmat ovat pienemmät kuin perusmuodon mukaan voisi olettaa

2 vapaata elektroniparia

asetetaan 4 "ryhmää" tetraedrin kärkiin

\(\rightarrow\) V-muoto

1 vapaa elektronipari

asetetaan 4 "ryhmää" tetraedrin kärkiin

\(\rightarrow\) kolmiopohjainen pyramidi

Ulkokuoren elektroniparien repulsioteorian avulla voidaan ennustaa molekyylin muotoa. Perusajatuksena on, että

  1. kovalenttisen sidoksen muodostuessa atomiorbitaalit osuvat toisiinsa ja menevät osittain päällekkäin, koska ulkoelektronit pariutuvat
  2. muodostuneet sidokset suuntautuvat avaruudessa mahdollisimman kauas toisistaan, koska sidoselektronit hylkivät toisaan (repulsio)
  3. jos keskusatomille jää vapaita elektronipareja, ne vaikuttavat molekyylin muotoon.

VSEPR-teoria

(Valence shell electron pair repulsion theory)

Molekyylin muoto vaikuttaa myös molekyylin ominaisuuksiin!

Molekyylien muotoja

Molekyylien muotoja

Muotoja on muitakin ja niitä on listattu esimerkkeineen MAOLiin

Vapaat elektroniparit näkyviin MarvinSketchillä: