Kvanttimekaaninen atomimalli

Transkriptio

1 Kvanttimekaaninen atomimalli

2 Kvanttimekaaninen atomimalli Rakenne: Pääkuori Alakuori Orbitaalit Elektronit sijaitsevat ydintä ympäröivässä energiapilvessä tietyillä energiatiloilla (pääkuoret). Elektronien energia on kvantittunut (vain tietyt energian arvot mahdollisia) Ympyränmuotoisten ratojen sijaan elektronit sijaitsevat atomiorbitaaleilla, jotka kuvaavat sitä avaruuden osaa, josta elektroni todennäköisemmin löytyy (Huom! voi siis löytyä muualtakin)

3

4

5 Orbitaalit saavat kolmiulotteisia muotoja neljän eri kvanttiluvun perusteella: 1) Pääkvanttiluku (n) Pääkuoren järjestysnumero (vertaa kuorimalli) Mahdolliset arvot: 1, 2, 3, 4, Kuvaa elektronin keskimääräistä energiaa 2) Sivukvanttiluku (l) Määrää orbitaalin muodon s, p, d, f => Atomiorbitaaleja kuvaavat merkinnät: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d n:llä pääkuorella on n kpl alakuoria Esim. Kun n=3, alakuoria on 3kpl, jotka ovat 3s, 3p, 3d

6 3) Magneettinen kvanttiluku (m l ) Määrää orbitaalin avaruudellisen sijainnin ja alakuoren orbitaalien lukumäärän Merkitään: p x, p y, p z, d xy, d yz, d xz jne. Esim. 4) Spinkvanttiluku (s) Lähin vastine todellisuuteen: elektronin pyöriminen akselinsa ympäri (todellisuudessa aivan tästä ei ole kyse) Mahdolliset arvot: s=-½ s=½

7 NELJÄN ENSIMMÄISEN ELEKTRONIKUOREN KVANTTILUVUT n, l ja m l

8 Kvanttimekaanisessa atomimallissa atomin elektronirakenne määräytyy kolmen säännön perusteella. Usein näitä sääntöjä havainnollistetaan laatikkomallilla, joissa elektronia kuvataan nuolella, elektronin spiniä nuolen suunnalla ja orbitaalia laatikolla.

9 1) Energiaminimiperiaate (eli täyttymisjärjestys) Elektronit ovat ytimen ympärillä siten, että niiden energia on mahdollisimman pieni.

10 2) Hundin sääntö Orbitaaleille, joilla on sama energia (esim. 3kpl 2p orbitaalia), asettuu aina ensin yksi elektroni, joilla on sama spini. Esim. 8 O

11 Toisin sanoen. Huhdin säännön mukaan seuraavat tilanteet eivät ole mahdollisia.

12 3) Paulin kieltosääntö Samalla orbitaalilla voi olla enintään kaksi elektronia joilla on eri spini. ts. tilanne ei ole mahdollinen

13

14 Esim. Kirjoita rauta-atomin elektronirakenne a) Kvanttimekaanisen atommimallin avulla b) Havainnollista elektronirakennetta laatikkomallilla. Ratk. a) Raudalle z = 26, joten täyttymisjärjestyksen mukaan elektronirakenne on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6

15 Sama laatikkomallilla 3d 4s 3p 3s 2p 2s 1s

16 Muutokset atomin elektronirakenteessa

17 Jalokaasut jaksollisen järjestelmän ryhmä 18 uloimmalla elektronikuorella on kahdeksan elektronia (oktetti) => elektronirakenne s 2 p 6 (eli täydet s- ja p-orbitaalit) Jalokaasujen elektronirakenne on energeettisesti hyvin edullinen. => Muiden alkuaineiden atomit pyrkivät jalokaasujen elektronirakenteeseen joko luovuttamalla tai vastaanottamalla elektreja

18 Atomi voi vastaanottaa tai luovuttaa energiaa Vastaanottaminen: Kun atomiin tuodaan energiaa (valoa tai lämpöä), elektronit virittyvät eli siirtyvät korkeammille energiatasoille Luovuttaminen: Viritystilan purkautuessa atomista vapautuu energiaa sähkömagneettisena säteilynä (esim. valona). Sähkömagneettinen säteilyn aallonpituudet

19 Viritystilan purkautumista käytetään hyväksi tunnistettaessa alkuaineita liekkikokeiden avulla

20 Ionin muodostuminen Jos ulkoelektronit saavat riittävästi energiaa, ne irtoavat kokonaan. => muodostuu positiivinen ioni Ionisoitumisenergia Enegriamäärä (kj/mol), joka tarvitaan irrottamaan elektroni kaasumaisesta alkuaineatomista tai ionista. Kasvaa siirryttäessä jaksossa oikealle, koska kasvava ydinvaraus vetää samalla kuorella olevia elektroneja voimakkaammin puoleensa. Pienenee siirryttäessä ryhmässä alaspäin, koska ulkoelektronit ovat kauempana ytimestä.

21 Alkuaineen ensimmäinen ionisoitumisenergia järjestysluvun funktiona

22 Elektroniaffiniteetti Energiamäärä (kj/mol), joka sitoutuu tai vapautuu kun elektroni Positiivinen luku: Energiaa sitoutuu Negatiivinen luku: Energiaa vapautuu

23 Ionin koko Alkuperäisen atomiin verrattuna Positiivinen ioni on pienempi, koska ydin vetää voimakkaammin puoleensa jäljelle jääneitä elektroneja Negatiivinen ioni on suurempi, koska elektronien määrän kasvaessa niiden välinen hylkimisvoima on suurempi

24 Jaksollinen järjestelmä

25 Alkuaineen ovat jaksollisessa järjestelmässä kasvavan järjestysluvun mukaisesti. Vaakarivit: jaksoja Pystyrivit: ryhmiä

26 Jaksot Saman jakson alkuaineilla on elektroneja yhtä monella elektronikuorella Ryhmät Ryhmät jaetaan pääryhmiin (1-2 ja 13-18) ja sivuryhmiin (3-12). Saman pääryhmän alkuaineilla on yhtä monta ulkoelektronia => samanlaiset kemialliset ominaisuudet.

27 Pääryhmiin kuuluvien atomien ulkoelektronien lukumäärän näkee ryhmän numerosta.

28 Ryhmät (jatkuu) Sivuryhmiin kuuluvan aineen elektronirakennetta ei voi ennustaa ryhmän numeron perusteella Saman sivuryhmän aineilla ei välttämättä samanlaisia kemiallisia ominaisuuksia.

29 Jaksollinen järjestelmä voidaan jakaa lohkoiksi viimeisenä täyttyvän orbitaalin mukaan.

30 Sivuryhmien metallit Monet sivuryhmien metallit tärkeitä teollisuudelle Titaani, kromi, rauta, kupari Useita hapetuslukuja (poikkeus Zn, Sc) Tärkeitä katalyyttejä Esim. rauta ammoniakin valmistuksessa nikkeli, palladium ja platina rasvahappojen hydrauksessa

31 Siirtymäalkuaineet Alkuaineita, jotka muodostavat ainakin yhden positiivisen ionin, jolla on osittain täyttynyt d-orbitaali Esim. 4. jaksossa Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu Elektronit voivat siirtyä saman kuoren d-orbitaalilta toiselle tai ulommalle tyhjälle p-orbitaalille(orbitaalien täyttymissäännöt)

32 Siirtymäalkuaineet Kaikilla värillisiä yhdisteitä muodostavilla ioneilla osittain täyttynyt d-orbitaali. Elektroni voi virittyä (Näkyvän valon energia riittää)

33 Siirtymäalkuaineet Muodostavat kompleksiyhdisteitä

34 Kompleksiyhdisteet Kompleksiyhdisteessä keskusatomina toimiva metalliioni sitoo tietyn määrän ligandeja. Ligandit voivat olla Ioneja, OH - Molekyylejä, H 2 O, HN 3, CO Sitoutuvien ligandienlkm riippuu keskusatomista (koordinaatioluku) Kompleksit: KTS. MAOL Komplekseilla tyypillisiä värejä (riippuvat hapetusluvusta & ligandeista). Värit MAOLissa.