KEMA00 - Lunds universitet

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