Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet

Transkriptio

1 Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet Käsiteltävät aiheet: Mikä aikaansaa sidokset? Mitä eri sidostyyppejä on? Mitkä ominaisuudet määräytyvät sidosten kautta? Chapter 2-1

2 Atomirakenne Atomi elektroneja 9,11 x kg protoneja } neutroneja 1,67 x kg Järjestysluku (Z) = protonien lukumäärä atomin ytimessä (= elektronien lkm, kun atomi on neutraali) A = atomimassayksikkö (u) =1/12 12 C-atomin massasta Atomimassa/molekyylimassa = 6,023 x molekyylin tai atomin paino 1 u/atomi = 1g/mol C 12,011 H 1,008 jne. Chapter 2-2

3 Atomirakenne Valenssielektronit määräävät seuraavat ominaisuudet 1) kemialliset 2) sähköiset 3) termiset 4) optiset Chapter 2-3

4 Elektronit Elektronit käyttäytyvät sekä aaltomaisesti, että hiukkasmaisesti näin ollen elektronit sijaitsevat orbitaaleilla, jotka määräytyvät todennäköisyyden perusteella. jokaisella orbitaalilla on erillinen energiatasonsa, joka määräytyy kvanttiluvun perusteella. kvanttiluku n = energiataso kuori tunnus K, L, M, N, O (1, 2, 3, jne.) l = orbitaalit s, p, d, f (0, 1, 2, 3,, n-1) m l = magneettinen m s = spin ½, -½ 1, 3, 5, 7 (-l to +l) Chapter 2-4

5 Bohrin atomimalli Chapter 2-5

6 Kvanttimekaaninen atomimalli Chapter 2-6

7 Elektronin energiatilat Elektroneilla on Erilliset energiatilat Pyrkimys matalimpaan mahdolliseen energiatilaan 4d 4p 3d 4s N-kuori n = 4 Energia 3p M-kuori n = 3 3s 2p 2s Fig. 2.4, Callister 7e. L-kuori n = 2 1s K-kuori n = 1 Chapter 2-7

8 Elektronien energiatilat Chapter 2-8

9 Elektronijärjestys Valtaosalla alkuaineista elektronijärjestys on epästabiili Alkuaine Vety Helium Litium Beryllium Boori Hiili... Neon Natrium Magnesium Alumiini... Argon... Krypton Z Elektronijärjestys 1s 1 1s 2 (stabiili) 1s 2 2s 1 1s 2 2s 2 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2 2s 2 2p s 2 2s 2 2p 6 (stabiili) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 (stabiili)... 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 (stabiili) Miksi? valenssi(ulko)kuori ei ole täytetty kokonaan Table 2.2, Callister 7e. Chapter 2-9

10 Elektronijärjestys Valenssielektronit sijaitsevat vajailla elektronikuorilla Täydet kuoret ovat stabiilempia Valenssielektronit muodostavat helpoiten sidoksia ja siten vaikuttavat merkittävästi kemiallisiin ominaisuuksiin esimerkki: C (järjestysluku = 6) 1s 2 2s 2 2p 2 valenssielektronit Chapter 2-10

11 esim: Fe Z = 26 Elektronijärjestys 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 4d 4p 3d 4s N-kuori n = 4 valenssielektronit Energia 3p M-kuori n = 3 3s 2p 2s Fig. 2.4, Callister 7e. L-kuori n = 2 1s K-kuori n = 1 Chapter 2-11

12 luovuttaa1e luovuttaa 2e luovuttaa 3e jalokaasut kaappaa 1e kaappaa 2e Jaksollinen järjestelmä Sarakkeet: samankaltainen valenssirakenne H He Li Be O F Ne Na Mg K Ca Sc S Se Cl Br Ar Kr Fig. 2.6, Callister 7e. Rb Sr Y Te I Xe Cs Ba Po At Rn Fr Ra elektropositiiviset aineet: Luopuvat helposti elektroneista, tullakseen positiivisiksi ioneiksi elektronegatiiviset aineet: Vastaanottavat helposti elektroneja tullakseen negatiivisiksi ioneiksi Chapter 2-12

13 Elektronegatiivisuus Vaihtelee 0,7 ja 4,0 välillä Suurempi arvo: taipumus kaapata elektroneja Pienempi elektronegatiivisuus Suurempi elektronegatiivisuus Fig. 2.7, Callister 7e. (Fig. 2.7 Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University. Chapter 2-13

14 Ionisidos metalli + epämetalli luovuttaa elektroneja kaappaa elektroneja Erisuuret elektronegatiivisuudet esim: MgO Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 O 1s 2 2s 2 2p 4 [Ne] 3s 2 Mg 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 O 2-1s 2 2s 2 2p 6 [Ne] [Ne] Chapter 2-14

15 Ionisidos Esiintyy positiivisten ja negatiivisten ionien välillä Vaatii elektronien vaihtoa Vaatii suuren elektronegatiivisuuseron Esimerkki: NaCl Na (metalli) epästabiili elektroni Cl (epämetalli) epästabiili Na (kationi) stabiili + - Coulombinen voima Cl (anioni) stabiili Chapter 2-15

16 Ionisidos Energia pienin energia stabiilein energiatasapaino veto- ja hylkimisvoimien välillä A B E N = E A + E R = - - n r r Hylkimisenergia E R Atomien välinen etäisyys r Nettoenergia E N Fig. 2.8(b), Callister 7e. Vetoenergia E A Chapter 2-16

17 Esimerkkejä ionisidoksista Hallitseva sidos keraameissa NaCl MgO CaF2 CsCl luovuttavat elektroneja kaappaavat elektroneja Fig. 2.7, Callister 7e. (Fig. 2.7 Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University. Chapter 2-17

18 C: 4 valenssi e -, tarvitsee 4 lisää H: 1 valenssi e -, tarvitsee 1 lisää Kovalenttinen sidos Samanlainen elektronegatiivisuus: jakaa elektronit Valenssi määrää sidoksen s ja p orbitaalit dominoivat sidoksessa Esimerkki: CH 4 Elektronegatiivisuuden arvot ovat lähellä toisiaan CH4 H H C H H jaetut elektronit hiiliatomilta jaetut elektronit vetyatomeilta Fig. 2.10, Callister 7e. Chapter 2-18

19 Vahvat sidokset Metallisidos - vapaat elektronit elektronipilvessä Ionikovalenttinen yhdistelmä ionityyppi % = 1- e - (X A-X B ) 4 x (100%) jossa X A & X B ovat Paulingin elektronegatiivisuuksia Esim: MgO X Mg = 1,3 X O = 3,5 2 ( 3, ionityyppi % 1 - e 1, 3) 2 x (100%) 70,2% Chapter 2-19

20 Heikot sidokset Syntyvät dipolien vuorovaikutuksesta Vaihtuvat dipolit epäsymmetriset elektronipilvet nestemäinen H 2 H 2 H heikko Pysyvät dipoli-molekyylit yleinen tapaus: esim: neste HCl esim: polymeeri sidos Fig. 2.13, Callister 7e. H H heikko sidos heikko H Cl H Cl sidos heikko sidos H Fig. 2.14, Callister 7e. H Chapter 2-20

21 Tyyppi ionisidos Yhteenveto: sidokset Sidosenergia Kommentteja suuri! epäsuuntautunut (keraamit) kovalenttinen metallisidos heikot sidokset vaihteleva suuri - timantti pieni - vismutti vaihteleva suuri - volframi pieni - elohopea pienin suuntautunut (puolijohteet, keraamit polymeeriketjut) epäsuuntautunut (metallit) suuntautunut polymeeriketjujen väliset molekyylien väliset Chapter 2-21

22 Sidoksista seuraavat ominaisuudet: T m Sidoksen pituus, r r Sulamislämpötila, T m Energia Sidosenergia, E o Energia r o pienempi T m r lepopituus r o r E o = sidosenergia suurempi T m T m on suurempi, kun E o on suurempi Chapter 2-22

23 Sidoksista seuraavat ominaisuudet: a Lämpölaajenemiskerroin, a pituus, Lo lämpölaajenemiskerroin alkutilanne, T 1 kuuma, T 2 DL a ~ symmetria r o :ssa Energia DL Lo = a (T 2 -T 1 ) E o E o lepopituus r o r pienempi a suurempi a a on suurempi, kun E o on pienempi Chapter 2-23

24 Yhteenveto: vahvat sidokset Keraamit (ioni- & kovalenttiset sidokset) Metallit (metallisidokset) Suuri sidosenergia suuri T m suuri E pieni a Vaihteleva sidosenergia keskisuuri T m keskisuuri E keskisuuri a Polymeerit (kovalenttiset ja heikot sidokset) Suuntautuneet ominaisuudet heikot sidokset hallitsevina pieni T m pieni E suuri a Chapter 2-24

25 Luettavaa: Tiedotettavaa Tärkeää: Itseopiskeltavaa: Chapter 2-25