3.1 Atomin elektronirakenne Flashcards
(9 cards)
Miten elektronit ovat levittäytyneet atomiytimen ympärille kvanttimekaanisen atomimallin mukaan? (aaltoyhtälö)
Kvanttimekaanisen atomimallin mukaan elektronilla on sekä hiukkas-, että aaltoluonne. Elektronin ajatellaan olevan atomiytimen ympärillä seisovassa aaltoliikkeessä eli aaltoliikkeessä, joka ei etene. Tämä aaltoliike voidaan kuvata matemaattisesti Erwin Schrödingerin atomiin soveltamalla aaltoyhtälöllä. Aaltoyhtälön ratkaisuna saadaan aaltofunktioita, joista voidaan määrittää elektronitiheys atomiytimen ympärillä. Kvanttimekaanisessa atomimallissa elektronin voi siis ajatella levittäytyvän tietylle alueelle atomiytimen ympärille.
Mitä ovat orbitaalit? (elektronitiheys)
Aluetta, jolle yksittäinen elektroni leviää, kutsutaan orbitaaliksi. Orbitaaleja on usieta erilaisia ja yhdellä orbitaalilla voi olla enintään kaksi elektronia. Orbitaaleilla ei ole tarkkaa rajaa, joten orbitaalien kuvaamiseksi niistä rajataan usein alue, jossa on korkein elektronitiheys (90-95 %). Elektronitiheydellä tarkoitetaan sitä, kuinka suuri osa elektronista on orbitaalin tietyssä kohdassa. Elektronien seisova aaltoliike atomiytimen ympärillä määrää orbitaalien muodon (s-, p-, d- ja f-orbitaalit)
Orbitaalit eivät siis ole kiinteitä olioita, vaan niiden muoto riippuu ympäristön rakenteesta eli atomiytimestä ja elektroniverhon koosta. Eri alkuaineatomien 1s-orbitaalit eivät siis ole täysin samanlaisia keskenään.
Eri orbitaalityypit ovat energialtaan erilaisia.
Mitä ovat kvanttiluvut? Kerro pää- ja sivukvanttiluvuista.
Schrödingerin aaltoyhtälön ratkaisuna saadaan neljä kvanttilukua, joiden kautta voidaan johtaa kunkin elektronin energia ja orbitaalien muodot. Kukin elektroni voidaan siten kuvata neljän kvanttiluvun avulla.
Pääkvanttiluku (n) ilmaisee elektronin pääenergiatason numeron. Se kuvaa elektronin energian ja orbitaalin muodon sekä etäisyyden atomiytimestä. Pääkvanttiluvut vastaavat karkeasti Bohrin atomimallin elektronikuoren numeroa atomiytimen ympärillä (arvot n=1,2,3,4…).
Sivukvanttiluku (l) kuvaa pääenergiatasolla olevan orbitaalin kolmiulotteisen muodon. Sivukvanttiluku riippuu pääkvanttiluvusta (l=0,1,2,3… n-1). Lukuarvojen sijasta käytetään usein kirjaimia s, p d ja f (0, 1, 2 ja 3).
Kerro magneettisesta kvanttiluvusta ja spinkvanttiluvusta.
Mangneettinen kvanttiluku (m) kertoo eri orbitaalityyppien lukumäärät ja avaruudelliset suunnat (m=0,+-1,+-2…+-l).
Kullakin orbitaalilla olevat kaksi elektronia käyttäytyvät magneettikentässä eri tavoin. Tätä elektronin ominaisuutta kutsutaan spiniksi ja sitä kuvataan spinkvanttiluvulla s (s=0,5, -0,5). Elektronin spin merkitään usein nuolella, joka suuntautuu ylös tai alas.
Miten elektronin hiukkasluonne näkyy?
Kvanttimekaanisen atomimallin mukaan elektroni voi esiintyä hiukkasena ja aaltona, mutta ei molempina samanaikaisesti.
Elektronin hiukkasluonne näkyy esimerkiksi siinä, että elektroneja on atomissa täsmällinen lukumäärä, joka on kokonaisluku. Lisäksi elektronilla on täsmällinen massa sekä täsmällinen varaus, vaikka se on levittäytynyt tietylle alueelle (orbitaalille) atomiytimen ympärille. Atomin absorboidessa energiaa yksittäinen elektroni siirtyy orbitaalilta toiselle.
Miten elektronit sijoittuvat eri orbitaaleille?
Elektronien sijoittuminen eri orbitaaleille noudattaa seuraavia sääntöjä:
- Minimienergiaperiaate: eri orbitaalityyppien energia on erisuuruinen, joten myös niillä olevien elektronien energiat ovat erisuuruisia. Elektronit sijoittuvat orbitaaleille siten, että alhaisimman energian orbitaalit täyttyvät ensin.
- Paulin kieltosääntö: jokainen elektroni voidaan kuvata neljän kvanttiluvun avulla (n, l, m, s). Atomissa ei ole kahta elektronia, joiden kaikki neljä kvanttilukua olisivat samoja.
- Hundin sääntö: Elektronit sijoittuvat samanenergisille orbitaaleille, eli saman pääenergiatason samantyyppisille orbitaaleille, siten, että kullekin orbitaalille sijoittuu ensin yksi elektroni. Näillä parittomilla elektroneilla on samansuuntaiset spinit.
Mitä tarkoitetaan alkuaineen elektronikonfiguraatiolla?
Kvanttimekaanisen atomimallin mukainen alkuaineen elektronikonfiguraatio kuvaa, miten elektronit sijoittuvat atomin orbitaaleille.
Mitä tarkoittaa ionisaatioenergia? Mitä voit sanoa sen määritysolosuhteista?
Ionisaatioenergia (IE) on pienin energia, jolla perustilassa olevasta alkuaineatomista tai molekyylistä saadaan irrotettua yksi elektroni.
Jotta atomien välinen sidosenergia ei vaikuttaisi ionisaatioenergiaan, ionisaatioenergian määritysolosuhteissa ionisoidaan kaasumaisessa olomuodossa olevia alkuaineen atomeja yksi mooli.
Ionisaatioenergia voi olla 1., 2., 3., jne… riippuen siitä, monennenko elektronin irrottamisesta on kyse. Atomi luovuttaa ensin uloimman pääenergiatason orbitaaleilla olevat elektronit.
(Suuruus: kuinka lähellä atomiydintä (protonien lukumäärä –> atomiytimen vetovoima elektroneihin kasvaa))
Milloin atomilla on pysyvä elektronirakenne?
Atomilla on pysyvä elektronirakenne, jos sen uloimmat orbitaalit ovat täynnä, uloimmat orbitaalit ovat tyhjiä (ionit) tai samalla pääenergiatasolla olevat samantyyppiset orbitaalit sisältävät kukin vain yhden elektronin = orbitaalin puolimiehitys.
