Alikuoret eli orbitaalit

Transkriptio

1 Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Alkuaineen kemialliset ominaisuudet määräytyvät sen ulkokuoren elektronirakenteesta. Seuraus: Samanlaisen ulkokuorirakenteen omaavat alkuaineen ovat kemiallisesti sukulaisia Alikuoret eli orbitaalit Tanskalaisen Nils Bohrin luvun alussa esittämän mallin mukaan elektronien tilaa atomissa kuvaa 4 kvanttilukua: pääkvanttiluku n=1,2,3,4, sivukvanttiluku l = 0,,n-1 magneettinen kvanttiluku m = 0, +-1,, +- l spinkvanttiluku s = 1/2, -1/2 Edelleen atomilla voi olla kutakin näiden neljän kvanttiluvun yhdistelmää vastaavassa tilassa vain yksi elektroni. 1

2 Esim. 3. kuorella (n=3) voi olla seuraavia kvanttilukuyhdistelmiä: l = 0, m=0, 2 elektronia (s=1/2 tai -1/2) l=1, m= 0, 2 el. m= -1, 2 el. m = +1, 2 el. l=2 m= 0, el. 10e 6e m= -1, el. 2e m= -2, el. m= 1, el. 3. kuoren hienorakenne m = 2, el. L:n arvoja 0, 1, 2,3 vastaavia tiloja sanotaan alikuoriksi eli orbitaaleiksi ja niitä merkitään s,p,d,f, s -orbitaaleille mahtuu 2 elektronia (m=0) p-orbitaaleille mahtuu 6 el. (m=0,+-1) d-orbitaaleille mahtuu 10 el. (m=0,+-1,+-2) Lisäksi kuoret ja orbitaalit täyttyvät seuraavan kaavion mukaisessa järjestyksessä. 2

3 1s Orbitaalien täyttymisjärjestys 2s 2p 2p 2p 3s 3p 3p 3p 3d 3d 3d 3d 3d 4s 5s 6s 4p 4p 4p 4d 4d 4d 4d 4d 5p 5p 5p Jokaiseen neliöön mahtuu 2 elektronia 1s Teht. Määritä alkuaineen nro 20 (Kalsium) elektronirakenne 2s 2p 2p 2p 3s 3p 3p 3p 3d 3d 3d 3d 3d 4s 5s 6s 4p 4p 4p 4d 4d 4d 4d 4d 5p 5p 5p Uloimmalla (4.) kuorella on 2 elektronia, Ca kuuluu pääryhmään 2 3

4 Oktettisääntö Ulkokuoren rakenne, jossa ulkokuorella on 2 kpl s-, ja 6 kpl p-elektroneja = yht. 8 elektronia on erityisen pysyvä. Sitä sanotaan oktetiksi. Alkuaineet muodostavat yhdisteitä usein siten, että ne pääsevät oktettirakenteeseen. Esim. kun Na luovuttaa 1 elektronin, sille jää oktetti. Kun kloori Cl vastaanottaa elektronin, sille tulee oktetti. Siispä Natrium luovuttaa elektronin kloorille ja syntyy NaCl - molekyyli. Alkuaineiden pääryhmät 1A Alkalimetallit - ulkokuoren rakenne : 1kpl S -elektroneja * 1 H vety, 3 Li litium, 11 Na (natrium) 19 K (kalium), 37 Rb (rubidium), 55 Cs (cesium), 87 Fr (frankium) * Atomit pyrkivät oktettiin luovuttamalla 1 elektronin * Ionivaraus +1: H +, Li +, Na +,- - - * erittäin reaktioherkkiä metalleja * vesiliuokset emäksisiä 4

5 2A Maa-alkalimetallit * ulkokuoren rakenne 2 s -elektronia * Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra * pyrkivät luovuttamaan 2 elektronia * ionivaraus +2 3B Booriryhmä * ulkokuorella 3 elektronia (2s + 1p) * B, Al, Ga, In, Tl * luovuttavat useimmiten 3 elektronia * ionivaraus + 3 4B hiiliryhmä (ulkokuorella 4 elektronia: 2s+2p) * C, Si, Ge, Sn, Pb * luovutettujen el. määrä vaihtelee * sisältää sekä epämetalleja ja metalleja 5B typpiryhmä * ulkokuoren rakenne 2 s+3p= yht. 5 elektronia * N, P, As, Sb, Bi * epämetalleja 6B Happiryhmä * ulkokuorella 6 elektronia = 2 vaille oktetti * O, S, Se, Te, Po * saavuttavat oktetin ottamalla vastaan 2 elektronia * ionivaraus -2 7B halogeenit (ulkokuorella 7 el. = 1 vaille oktetti) * F, Cl, Br, I ja At * epämetalleja, ionivaraus -1 * erittäin aktiivisia 0 jalokaasut (He, Ne, Kr, Ar, Xe, Rn) * ovat jo oktetissa, täysin passiivisia 5

6 Väliryhmät Täyttymisjärjestyskaaviosta nähdään, että esim. 4. Kuorella täytyy s -tilojen jälkeen edellisen 3.kuoren d- tilat. 4. Kuoren täyttyminen jatkuu vasta tämän jälkeen. Näiden 10 alkuaineen kohdalla ulkokuoren rakenne on sama. Aineet ovatkin kohtalaisen lähellä toisiaan kemiallisesti. (21-30, 39-48,...). Näihin ns. Väliryhmiin sijoittuu kaupallisesti tärkeitä metalleja: Fe, Ni, Cu, Au, Ag,... Metallit ja epämetallit metalleja B Al Metalleja Epämetalleja Puolimetalleja 6

7 Sidostyypit Ionisidos Kovalenttinen sidos Poolinen sidos Metallisidos Ks. Maol:n taulukko: Alkuaineiden elektronegatiivisuudet Elektronegatiivisuus = atomin kyky vetää puoleensa elektroneja Ionisidos * Esiintyy, kun atomien elektronegatiivisuusero on suuri ( >1.7) * Elektronegatiivisempi alkuaine riistää elektronin toiselta alkuaineelta. Syntyy posit. ioni eli kationi ja negatiivinen ioni eli anioni. * Kationit ja anionit ryhmittyvät kiteeksi * Yhdisteitä kutsutaan suoloiksi. * tyypillistä kovuus, korkeat sulamispisteet johtuen suurista sähköisistä voimista, olomuoto kiinteä Esim. NaCl -kide

8 Kovalentti sidos * Esiintyy, kun atomien elektronegatiivisuusero on pieni (<=0.5) * Kaksi alkuainetta voivat päästä oktettiin siirtämällä elektroneja yhteiskäyttöön. Esim. 2 klooriatomia : Cl Cl Cl 2 -molekyyli Yhteinen elektronipari merk. Cl-Cl Molekyylien välisiä voimia ei ole, joten olomuoto on usein kaasu. Jos yhteisiä elektronipareja on 2 kpl on kyseessä kaksoissidos (jos 3 kpl, kolmoissidos) Huom! Kaikki muut kaasut paitsi jalokaasut esiintyvät 2 atomin molekyyleinä: H 2, N 2, O 2 O O O 2 -molekyyli 2 yhteistä elektroniparia merk. O=O 8

9 Poolinen sidos * elektronegatiivisuusero välillä Yhteinen elektronipari on lähempänä elektronegatiivisempaa atomia. Molekyylille tulee tällöin + ja - napa eli siitä tulee dipoli. Molekyylit pitävät kiinni toisistaan sähköisillä voimilla muodostaen ketjuja. Olomuoto on usein neste. Esim. Vesi H 2 O Kuvassa vesimolekyylejä ketjuuntuneena. - Happi + vety Metallisidos Metalliatomien välillä oleva sidos poikkeaa edellisistä, eikä selity elektronegatiivisuudella. * Atomit ovat järjestyneet kidetasoihin. Niiden etäisyydet määräytyvät sähköisillä jousivoimiin verrattavilla sidoksilla. * ulkoelektronit eivät kuulu millekään atomille, vaan pääsevät vapaasti liikkumaan kiteessä * ominaista kovuus, hyvä lämmön- ja sähkönjohtokyky 9

10 Määritä sidostyyppi: a) CO 2 b) H Cl c) N 2 d) H 2 S e) Cu Tehtävä 10