MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA KEMIAA KAIK- KIALLA, KE1 Ulkoelektronit ja oktettisääntö Alkuaineen korkeimmalla energiatasolla olevia elektroneja sanotaan ulkoelektroneiksi eli valenssielektroneiksi. Ne määräävät atomin kemialliset ominaisuudet, kuten reaktiokyvyn ja sen, missä suhteissa atomit liittyvät toisiinsa. Elektronikaavassa esitetään atomin ulkoelektroneja. Yksi piste tarkoittaa yhtä elektronia, viiva elektroniparia. 1
Täyttä kahdeksan ulkoelektronin joukkoa kutsutaan oktetiksi. Se on kemiallisesti hyvin pysyvä eli matalaenerginen elektronirakenne. Jalokaasuilla, heliumia lukuun ottamatta, on tällainen elektronirakenne. Myös muut alkuaineet pyrkivät reaktioissaan saavuttamaan mahdollisimman pysyvän elektronirakenteen joko luovuttamalla tai vastaanottamalla elektroneja tai muodostamalla yhteisiä elektronipareja. Tätä pyrkimystä kahdeksaan ulkoelektroniin sanotaan oktetti-säännöksi. Esimerkki: vesi H 2 O ydin, + elektroni, - H O H uloin- eli valenssikuori Nyt hapella on oktetti ja vedyllä samoin ulkokuori täynnä. ydin, + elektroni, - Viiva kuvaa kovalenttista sidosta eli kahta sidoselektronia. H O H Vesi Lewisin kaavalla kirjoitettuna. Alkuaineet siis pyrkivät saamaan jalokaasun elektronirakenteen yhdisteissä: - Elektronien luovutus/vastaanotto (ionit) tai yhteiset elektroniparit (molekyylit) Mistä tiedetään, mitä tapaa kukin alkuaine käyttää? Tukeudutaan jaksolliseen järjestelmään ja alkuaineiden elektronegatiivisuusarvoihin. 2
Määritelmä: Elektronegatiivisuus kuvaa sidoksen/sidosten muodostumiseen osallistuvan alkuaineen kykyä vetää puoleensa elektroneja. Mitä suurempi on alkuaineen elektronegatiivisuusarvo sitä voimakkaammin se vetää elektroneja puoleensa. Fluori F on elektronegatiivisin alkuaine, merkitään χ F = 4.0 [khii]. Elekronegatiivisuusarvot ovat taulukoituja MAOL. Jos sitoutuneilla atomeilla on yhtä voimakas kyky vetää elektroneja puoleensa, niin kyseinen sidos on pooliton, kovalenttinen sidos. Vihkoon! Huom! yhtä voimakas tarkoittaa, että elektronegatiivisuusarvojen erotus on alle 0,5. Esimerkki C C χ C = 2,5 χ C = 2,5 χ = 2,5 2,5 = 0 δ δ + C H χ C = 2,5 χ H = 2,1 χ = 2,5 2,1 = 0,4 < 0,5 δ + = osittainen pos.varaus δ = osittainen neg.varaus Kun sitoutuneiden atomien välinen elektronegatiivisuusarvojen erotus on kutakuinkin 0,5 1,7, niin kyseessä on poolinen, kovalenttinen sidos. Vihkoon! 3
δ Esimerkki O H δ + χ O = 3,5 χ H = 2,1 χ = 3,5 2,1 = 1,4 Huom! Poolisia molekyylejä sanotaan dipoleiksi (di-pole= kaksi napaa). Ja lopuksi, kun sitoutuneiden atomien välinen elektronegatiivisuusarvojen erotus on yli 1,7, niin kyseessä on ionisidos. Vihkoon! Esimerkki Na Cl χ Na = 0,9 χ Cl = 3,0 χ = 3,0 0,9 = 2,1 + Huom! Esimerkiksi vetyfluoridissa HF elek.neg.arvojen erotus on 1,9, mutta kyseessä ei ole ionisidos! Syy: molemmat ovat epämetalleja ja kyseessä on siten erittäin poolinen koval.sidos. HYVÄ KAAVIO! 4
Ionin muodostuminen Koska pääryhmien (jaksollinen järjestelmä seuraavalla tunnilla) metalleilla on vain 1 3 ulkoelektronia, ne kaikki luovutetaan pois. Tällöin metalleista syntyy positiivisia ioneja, kationeja. Elektronien luovuttaminen on hapettumista! Epämetalleilla on 4 8 ulkoelektronia (poikkeuksena vety ja helium), ja ne pääsevät oktettiin vastaanottamalla elektroneja. Tällöin elektronegatiivisemmista epämetalliatomeista syntyy negatiivisia ioneja eli anioneja. Elektronien vastaanottaminen on pelkistymistä! 5
Elektronin virittyminen Kun atomiin tuodaan energiaa (lämpö, valo, hiukkassäteily), niin atomi voi virittyä. Se tarkoittaa sitä, että ulkoelektroni(t) siirtyy(-vät) perustasoltaan korkeammalle energiatasolle. Viritystilan purkautuessa (spontaani tai pakotettu) atomit lähettävät eli emittoivat näkyvää valoa, joka voidaan havaita. Kvanttimekaniikan mukaan vain tietyt aallonpituudet (energia E = hf ja aallonpituus v = λf) ovat sallittuja. Liekkikokeilla voidaan tunnistaa tiettyjä ioneja. Ope demoaa. 6