Kjemi 1: Atomer og periodesystemet⚛️

Basert på 1.1, 1.2 og 1.3: Atomer, stoffer og bindinger undervisning oppå kublaklan

Hvilke to atommodeller brukes i dag?

• Bohrs skallmodell

• Schrödingers orbitalmodell

Hva er viktig å få frem om Bohrs skallmodell?

At det er en skallmodell, med kjerne bestående av elektroner og protoner, og elektroner i faste elektronskall som går i bane rundt kjernen.

(Bonus): 1913. Basert på observasjoner der man eksisterte elektroner i hydrogenatomer. Konkluderte med at elektroner kunne “hoppe” mellom bestemte energinivåer rundt kjernen.

Hva er problemet med Bohrs skallmodell?

Når man prøver å eksilere elektroner i tyngre grunnstoffer (alt annet enn hydrogen) faller den sammen. Dermed forstår vi at modellen er for enkel til å gi en god forklaring på atomer.

Hva skjedde i 1923? (årstall ikke viktig)

Louis de Broglie viste i 1923 at elektroner har bølgeegenskaper i tillegg til partikkelegenskaper.

Hva vill det si/hvilken betydning har elektroners egenskaper?

Atomer følger bølge-partikkel-dualitet, et grunnleggende prinsipp i kvantemekanikken som viser at materie på atomnivå ikke kan beskrives fult ut som bare partikler eller kunn som bølger. Avhengig av hvordan vi observerer dem kan atomer oppføre seg som enten partikler eller bølger.

Partikkelegenskaper

Bohrs skallmodell er basert på at atomer kunn har partikkelegenskaper:

• Masse og form: konkret masse som opptar et bestemt punkt i rommet (som i skallmodellen)

• Kollisjoner: Kan støte inn i hverandre eller andre objekter

• Lokalitet: man kan i teoriene peke ut nøyaktig hvor partikkelen er i et gitt øyeblikk under en måling.

Bølgeegenskaper

Når atomer eller subatomære partikler beveger seg uten å bli forstyrret eller målt oppfører de seg som bølger.

• Ikke en fast lokaliserbar plassering, men en bølgefunksjon som representerer sannsynligheten for hvor atomet (/elektron ++) kan befinne seg

• samt egenskaper som interferens og diffraksjon

Schrödingers orbitalmodell

1926: tok i bruk avansert matte for å regne ut sansynligheten for hvor elektroner oppholder seg rundt kjernen. Modellen sier at elektroner befinner seg i diffuse orbitaler rundt kjernen.

Orbital definisjon

En orbital er et matematisk område eller en bølgefunksjon i kvantemekanikken som viser sansynligheten for å finne et elektron rundt en atomkjerne.

Om elektronskallene i Schrödingers modell

1. Elektronskallene rundt kjærnen inneholder forskjellige energinivåer: minst innerst og mer energi desto lengre bort vi kommer.

2. Energinivåene omtales som underskall og klassifiseres i fire hovedgrupper: S,P, D og F

3. Ulike underskall har ulikt antall orbitaler

Hvor mange elektroner er det plass til i hver orbital?

Maksimalt to!

1. Hvilken form har S-orbitalen i Schrödingers orbitalmodell?

a. Hvor mange orbitalkonfigurasjoner finnes det i S-underskallet?

1. S-orbitalen er kuleformet, med kunn en orbitalkonfigurasjon (En kule kan ikke orienteres på flere måter)

a) Det er defor plass til maksimalt to elektroner i s-orbitalen, der et elektron “spinner” oppover og et “spinner” nedover.

1. Hvilken form har p-orbitalen?

a) og hvor mange orbitalkonfigurasjoner finnes det i p-underskallet?

P-orbitalen er formet som en slags åttetalls-ballong.

a) og den har tre konfigurasjoner: en som går frem og tilbake, en som går opp og ned, og en som går fra venstre til høyre. Det er plass til to elektroner i hver av disse orbitalene, en som spinner opp og en som spinner ned, det er derfor maksimalt 6 elektroner i p-orbitalen.

Hvilke to andre underskall nevnes i Kjemi 1 (men har mindre fokus)?

D-underskallet og F-underskallet.

• D-underskallet har fem orbitalkonfigurasjoner, og maks antall elektroner er 10 (5 ×2=10)

• F-underskallet har syv orbitalkonfikurasjoner. Plass til maks 14 elektroner (7 ×2 = 14)

Styrke/ svakheter ved de to modellene?

Bhor sin modell er svært enkel, og intuitiv. Dette er både modellens styrke og svakhet. Den er for enkel, og rett og slett ikke riktig. Men den er mye mer pedagogisk og kan bedre “vise” det vi snakker om (for eksempel at det er to elektroner i ytterste skall).Schöninger sin modell gir en mer korrekt fremstilling av virkeligheten, hvertfall basert på informasjonen vi har i dag. Men den er svært komplisert, og viser ikke like mye. Desto fler orbitalkonfigurasjoner som vises i modellen, desto vanskeligere blir det å hente faktisk informasjon fra den. Det er hele tiden en “trade off” vurdering, der man må balansere forståelse og intuitiv fremstilling mot mer korrekt representasjon.

Hva viser denne modellen?

Den viser elektronskall og antall elektroner det vil være plass til.

K = innerste elektronskall, det har underskall S, S- orbitalen har kunn en orbitalkonfigurasjon og dermed plass til 2 elektroner.

L = andre elektronskall: atomer som har fylt opp K-skallen fyller videre opp L med underskallene S og P. P-orbitalen har 3 konfigurasjoner og plass til 6 elektroner. Dermed vil et atom med elektronskall K og L ha plass til 8 elektroner.

M = tredje elektronskall; underskall: s, p og d. d-orbitalen har 5 konfigurasjoner og dermed plass til 10 elektroner. Totalt vil det være plass til 18 elektroner.

N = fjerde elektronskall: har s, p, d og f. f-orbitalen har 7 konfigurasjoner = maksimalt 14 elektroner. N= plass til 32 elektroner.

Hvilke 8 typer informasjon kan man hente ut fra periodesystemet?

1. Atom nr: antall protoner (kjerneladningen)

2. Atommassen (vekt)

3. Symbol (f.eks. Na)

4. Navn

5. Klassifisering: metaller / ikke metaller. Glidende overgang = halvmetaller. Handler om grunnstoffets metalliske egenskaper.

6. Periode: antall elektronskall

7. Grupper/hovedgrupper: antall elektroner i ytterste skall

8. Elektronfordeling

Hvorfor er periodesystemet delt inn i fire blokker?

Fordi vi har fire forskjellige orbitaler. Hvilken orbital siste elektron opptar bestemmer hvilken blokk aromet er i.

• Alle stoffer i s-blokka vil ha sitt ytterste elektron i en s-orbital. Alle stoffer i d-blokka vil ha sitt i en d-orbital osv.

Hva forteller gruppene i periodesystemet oss?

Hvilken gruppe atomer tillhører forteller oss noe om hvor mange valenselektroner stoffet har, selv om det finnes mange unntak. Det siste sifret forteller oss (somregel) antall valenselektroner.

Gruppe 1-2 i periodesystemet

Gruppe 1: Alkalimetaller, har ett elektron i sitt ytterste skall

Gruppe 2: jordalkalimetaller, har to elektroner i sitt ytterste skall

Gruppe 3-12 i periodesystemet

Gruppe 3-12 er innskuddsmetaller. Det er disse stoffene som utgjør d-blokken.

Gruppe 13-18 i periodesystemet

Gruppe 13: Bor-gruppa

Gruppe 14: karbon-gruppa

Gruppe 15: nitrogengruppa

Gruppe 16: oksygengruppa

Gruppe 17: halongener

Gruppe 18: edelgassene

Hvilke kjemiske egenskaper er unike for grunnstoffene i gruppe 18?

(skipp ved dårlig tid, ikke pensum)

Gruppe 18 er edelgassene. Disse er svært stabile fordi de har 8 elektroner i sitt ytterste skall, og dermed oppfylt okkett. Helium (He) er unntak med 2 elektroner, men har kunn 1 skall (1 periode), dermed er ytterste skall fylt opp og prinsippet gjelder.

• Reaktiviteten øker nedover gruppen (atom radius øker)

Gruppe 17 egenskaper

(skipp ved dårlig tid, ikke pensum)

• Svært reaktive: mangler ett elektron for fylle opp ytterste elektronskall.

• Ikke-metaller. Alle danner molekyler bestående av to atomer, holdt sammen av en enkeltbinding (X₂)

Hva heter de to gruppene som ligger under resten av periodesystemet?

lantanoider og aktinoider

Hvordan tegnes et forenklet elektronfordelingsdiagram for de fire første elektronskallene?

Viktig å få med de fire skallene:

1. K

2. L

3. M

4. N

og “unntaket” ved M og N-skallene. Altså at s-orbitalen i N-skallet har lavere energi enn d-orbitalen i M.

Skriv opp (/ si høyt) elektronfordelingen til grunnstoff 16- svovel (S)

1s² 2s² 2p⁶ 3s²3

K skallet = s-orbital

L skallet = s- orbital og p-orbital

M skallet = S orbital og p-orbital. IKKE d- orbital 1. fordi p-ikke er fullt. 2. fordi 4s kommer før 3d

Elektronfordelingen til grunstoff 21- Scandium

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

S- orbitalen i skall 4(N) har lavere energi enn d-orbitalen i skall 3 (M)

Hvorfor ligger d-blokka mellom s-blokka og p-blokka? og hva kalles stoffene i denne blokka?

Stoffene i d-blokka kalles innskuddsmetaller, og dette fordi 4s- orbitalen har lavere energi enn 3d-orbitalen. 3d er “skutt inn” mellom 4s og 4p.

Hvilken lov beskriver kraften mellom to ladninger?

Coulumbs lov: sier at kreftene mellom ladde partikler øker mer størrelsen på ladningen og med kortere avstand mellom partiklene.

F = kraft.

K_e= konstant

q₁ x q₂ = størrelsen på ladningene

r = radius

Hva er den generelle trenden for periodesystemet når det gjelder atomradius?

• Atomradius øker nedover: fordi antall skall øker

• Atomradius minker mor høyre: antall ladde partikler øker (“dras” tettere mot kjernen).

Hva skjer med atomradius bortover i gruppene?

Atomradius minker bortover i gruppene. Flere elektroner og protoner uten å endre antall skall.

Eksempel på bilde

Hva er en periodisk trend?

Et mønster eller en trend i periodesystemet, som viser hvordan ting endrer seg når vi går nedover/bortover i periodesystemet?

Hvorfor øker atomstørrelsen nedover i periodesystemet?

Fordi periodene øker nedover i periodesystemet = dermed flere elektronskall og større radius. Nye orbitaler legger seg utenpå allerede eksisterende orbitaler?

Hvorfor minker atomradius mot høyre i periodesystemet?

Antall ladninger øker for hver gruppe mot høyre. Som Coulombs lov sier øker kraften med antall ladninger. Økt kraft gjør at elektronene trekkes nærmere kjernen, og minker dermed radius.

Hva skjer med radius når et atom blir et kation?

😺kationer vil generelt være mindre enn atomet sitt, fordi kationer gir fra seg elektroner i sitt ytterste skall for å oppnå okett.

Hva skjer med radius når atomer blir anioner?

🦆(-) Anioner vil generelt være større enn atomet sitt, fordi det blir ubalanse i kreftene som skal tiltrekke hverandre. Det er flere elektroner og mindre protoner→ vanskeligere for kjernen å “trekke” elektronene mot seg.

Hvorfor er størrelsen på atomer så viktig for kjemiske reaksjoner?

Strl. på atomer sier noe om kraften mellom kjerne og elektroner. Kjemiske reaksjoner forutsetter ødeleggelsen av gamle sterke bindinger og dannelsen av nye sterke bindinger. Større avstand mellom kjerne og elektroner i ytterste skall = kjernen trekker mindre på dem og det kreves mindre kraft fra et annet atom for at elektronet skal inngå i en binding med dette atomet.

Ioniseringsenergi

ioniseringsenergi er den minste mengden energi som kreves for at et atom skal gi fra seg ett elektron.

Elektronaffinitet

Elektronaffinitet er energien som frigjøres når et nøytralt atom tar til seg et elektron (det motsatte av ioniseringsenergi). Beskriver atomers tilbøyelighet til å ta opp elektroner og danne negative ioner.

Elektronegativitet

Elektronegativitet er et atoms evne til å trekke til seg elektroner i en binding.

Hvorfor gir kalsiumatomer lettere fra seg elektroner enn magnesiumatomer?

Begge er gruppe 2 (2 valenselektroner). Kalsium (Ca) er i periode 4, magnesium (Mg) er i periode 3. Men avstanden mellom kjernen og ytterste skall er større i Ca. Mindre kraft som “holder elektronene”, dermed kreves mindre ioniseringsenergi for at Ca skal gi fra seg elektron.

Hva er elektronaffinitet og hvordan henger dette sammen med elektronegativiteten?

Elektronaffinitet = evnen et atom har til å ta til seg et elektron og bli et anion. Elektronegativitet = evnen et atom har til å trekke til seg elektronpar i en elektronparbinding.
Disse verdiene er korrelert.

Hvordan vil elektronene i en binding mellom oksygen og hydrogen være forskjøvet?

Oksygenatomert har 6 elektroner, mens hydrogen kunn har ett elektron hver. Det dannes derfor en binding mellom to H og 1 O → H₂o = 8 elektroner. I denne bindingen har O høyere elektronegativitet, og trekker mer på elektronene enn H. O blir derfor delta-negativ (litt mer negativ) og H blir delta-positiv (litt mer positiv)