KEMA00 Magnus Ullner Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium kan laddas ner från http://www.kemi.lu.se/utbildning/grund/kema00/dold Användarnamn: Kema00 Lösenord: DeltaH0 F2 – Periodiska systemet • Beskriver likheter i grundämnenas kemiska egenskaper • Tydlig struktur – varför? Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Kort svar • Atomers (grundämnenas) inre struktur Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Atomers beståndsdelar • Protoner – positiv laddning – massa = 1,7×10-27 kg • Neutroner – neutrala – massa = 1,7×10-27 kg • Elektroner – negativ laddning – massa = 9,1×10-31 kg • Atomnummer Z: antal protoner i kärnan • Atomvikt: till största delen summan av protonernas och neutronernas massor, dvs. kärnans massa • Isotoper: variation av antalet neutroner ger atomer med samma atomnummer men olika atomvikt Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Våg-partikel-dualititet • Fotoelektriska effekten – ljus beter sig som partiklar med given energi/partikel E = hν = • Elektroner ger diffraktionsmönster, precis som ljus hc λ € Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Schrödingerekvationen • Om partiklar beter sig som vågor borde man kunna använda samma matematiska beskrivning: en vågekvation • Lösningar till schrödingerekvationen: ‒ Ψ är en vågfunktion som beskriver en partikel i ett visst tillstånd – E är partikelns energi i detta tillstånd Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Exempel: endimensionell låda • Lösningar motsvarar stående vågor (jfr gitarrsträng): ⎛ 2 ⎞ ⎛ nπx ⎞ Ψn (x) = ⎜ ⎟ sin⎜ ⎟ ⎝ L ⎠ ⎝ L ⎠ n = 1, 2, ... med energierna € € n 2h 2 E= 8mL2 • Att bara vissa tillstånd med vissa energier (n = heltal) är tillåtna är en konsekvens av att partikeln är ”instängd”. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Borns tolkning • Ψ2 är sannolikhetstätheten • Sannolikheten P(x) att finna partikeln i en liten volym dV runt x är P(x) = Ψ2 (x)⋅ dV € • Jfr massan m i en volym dV i ett material med densiteten ρ m = ρ ⋅ dV Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Väteatomen • Tung proton (”ligger still”) • Lätt elektron (”far omkring”) • Coulomb-växelverkan Växelverkan längs x-axeln - jfr med endimensionell låda V(x) x 2 V (r) = − e 4 πε 0 r där r är avståndet mellan elektron och proton € • Lös schrödingerekvationen för elektronen i växelverkan med protonen I 3D: tänk lök med samma värde i ett sfäriskt lager Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Väteatomen - lösningar Lösningarna specificeras med tre kvanttal: – huvudkvantalet: n = 1, 2, 3, … – bikvanttalet: l = 0, 1, 2, …, n – 1 – magnetiska kvanttalet: ml = -l, 1 – l, …, -1, 0, 1, …, l – 1, l Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Orbitaler • Väteatomens elektronvågfunktioner kallas orbitaler, inspirerat av planetbanor (”orbits” på engelska) • De beskriver diffusa elektronmoln • Ett vanligt sätt att representera dem är att rita en gränsyta som omsluter det område där det finns en viss sannolikhet att hitta elektronen, typiskt 90% Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Huvudkvanttalet, n • n = 1, 2, 3, … • utbredning / storlek • skal Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Bikvanttalet, l • l = 0, 1, 2, …, n – 1 • l = s, p, d, f, g, … (från atomspektra) • form • underskal d (diffuse) l=2 s (sharp) l=0 p (principal) l=1 f (fundamental) l=3 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Magnetiska kvanttalet, ml • • • • ml = 0, ±1, ±2, …, ±l antal = 2l + 1 orientering orbital i underskal d-orbitaler l=2 2l + 1 = 5 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 p-orbitaler l=1 2l + 1 = 3 Kvanttal - sammanfattning • Antal orbitaler i ett skal: n2 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Spinnkvantalet, ms • Elementarpartiklar har en rent kvantmekanisk egenskap: spinn • Spinn kan uppfattas som om partikeln roterar kring sin egen axel • Spinntillståndet anges av spinnkvantalet ms • En elektron kan ha ms = -1/2, +1/2 spinn ”ner”, ”upp” Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Pauliprincipen • Två elektroner kan inte samtidigt ha samma uppsättning kvanttal (värden på n, l, ml och ms) • En orbital (n, l, ml) kan högst innehålla två elektroner (ms = ±1/2) Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Energinivåer • För väteatomen ges energin endast av n En = − € hR 2 , n = 1, 2, 3, ... n • För atomer med fler elektroner beror energin även på l • Orbitaler med samma energi sägs vara degenererade Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Atomspektra Kvantmekaniken ger en förklaring till atomspektra - endast våglängder som motsvarar skillnader i energinivåer syns Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Aufbauprincipen • För att få en elektronkonfiguration, fyll på elektroner i orbitaler från låg till hög energi • Max två elektroner i varje orbital Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 H, He, Li, Be Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 B Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Hunds regel Om flera orbitaler i ett underskal finns tillgängliga, placera i första hand elektronerna i olika orbitaler med parallella spinn (oparade elektroner) innan två elektroner placeras i samma orbital med olika spinn (parade elektroner) Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 O, F, Ne Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Periodiska systemet – enligt aufbau Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Övning • Ange elektronkonfigurationen för S, Ca, Ni och Br i grundtillståndet. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Svar S Z=16 Ca Z=20 Ni Z=28 Br Z=35 2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 2 4 10 12 [Ne]3s 3p 16 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 2 4 10 12 18 [Ar]4s2 20 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2 2 4 10 12 4 [Ar]3d84s2 18 26 28 3d10 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 2 4 10 12 18 28 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 30 4p5 35 Valenselektroner • Elektronerna utanför inre skal med ädelgasstruktur eller utanför fulla d- och f-underskal. • Elektroner som kan delta i kemisk bindning • Exempel S: [Ne]3s23p4 Ca: [Ar]4s2 Ti: [Ar]3d24s2 Br: [Ar]3d104s24p5 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Effektiv kärnladdning, Zeff • Kärnladdning upplevd av valenselektroner • Zeff = Z – S är lägre än Z pga skärmning av inre elektroner Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Atom- och jonradie • Uppmätt som kärnavstånd i föreningar • Egentligen en funktion av växelverkan mellan atomer Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Atomradie • Effektiv kärnladdning ökar åt höger i perioden Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Övning Vilken är störst? 1. K eller Rb? 2. K eller Ca? 3. K eller Cl? Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Svar Vilken är störst? 1. K eller Rb? 2. K eller Ca? 3. K eller Cl? Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Jonradie • Katjoner (+) förlorat elektroner i yttersta skalet • Anjoner (-) fler elektroner, som repellerar varandra • Runt ädelgas – samma elektronkonfiguration, men olika kärnladdning Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Övning Vilken är störst? 1. K+ eller Rb+? 2. K+ eller Ca2+? 3. K+ eller Cl-? Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Svar Vilken är störst? 1. K+ eller Rb+? 2. K+ eller Ca2+? 3. K+ eller Cl-? Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Joniseringsenergi, I • Energi som upptas vid reaktionen X(g) → X+(g) + e-(g) Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Övning Vilken har störst joniseringsenergi? 1. K eller Rb? 2. K eller Ca? 3. K eller Cl? Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Svar Vilken har störst joniseringsenergi? 1. K eller Rb? 2. K eller Ca? 3. K eller Cl? Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Elektronaffinitet, Ea • Energi som avges vid reaktionen X(g) + e-(g) → X-(g) Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00