Indledning til kemi

Termer

• KvantiseringProcessen, hvor et kontinuerligt signal tilnærmes ved hjælp af et sæt diskrete symboler eller heltalsværdier.
• frekvensAntal forekomster af en gentagende begivenhed pr. tidsenhed.

Energien af elektroner i atomare orbitaler

Den centrale struktur i et atom er atomkernen, som indeholder protoner og neutroner. Denne kerne er omgivet af elektroner. Selv om disse elektroner alle har den samme ladning og den samme masse, har hver elektron i et atom en forskellig mængde energi. Elektroner med den laveste energi findes tættest på kernen, hvor den positivt ladede kernes tiltrækningskraft er størst. Elektroner med højere energi findes længere væk.

Energikvantisering

Når energien i et atom øges (f.eks. når et stof opvarmes), øges også energien hos elektronerne inde i atomet – det vil sige, at elektronerne bliver exciteret. For at den exciterede elektron kan gå tilbage til sin oprindelige energi, eller grundtilstand, skal den afgive energi. En måde, hvorpå en elektron kan frigive energi, er ved at udsende lys. Hvert grundstof udsender lys med en bestemt frekvens (eller farve) ved opvarmning, som svarer til energien af den elektroniske excitation.

Det er nyttigt at tænke på dette som at gå op ad en trappe. Hvis du ikke løfter foden nok, vil du støde ind i trappetrinet og sidde fast på jordniveau. Du er nødt til at løfte din fod til trinets højde for at komme videre. Det samme gælder for elektroner og den mængde energi, de kan have. Denne opdeling af elektroner i energienheder kaldes kvantisering af energi, fordi der kun er visse mængder energi, som en elektron kan have i et atom. Energien i det lys, der frigives, når en elektron falder ned fra et højere energiniveau til et lavere energiniveau, er den samme som energiforskellen mellem de to niveauer.

Elektronskaller

Vi vil starte med en meget enkel måde at vise elektronernes placering omkring et atom på. Her er elektronerne arrangeret i energiniveauer, eller skaller, omkring atomets kerne. Elektroner, der befinder sig i det første energiniveau (energiniveau 1), er tættest på kernen og vil have den laveste energi. Elektroner længere væk fra kernen vil have højere energi. Et atom har plads til 2n2 elektroner i sin elektronskal, hvor n er energiniveauet. F.eks. kan den første skal rumme 2 x (1)2 eller 2 elektroner. Den anden skal kan rumme 2 x (2)2 eller 8 elektroner.

Som eksempel kan nævnes fluor (F), der har atomnummer 9, hvilket betyder, at et neutralt fluoratom har 9 elektroner. De første 2 elektroner findes i det første energiniveau, og de andre 7 findes i det andet energiniveau.

Atomorbitaler

Selv om elektronerne kan fremstilles simpelt som omkredsende kernen i ringe, bevæger elektronerne sig i virkeligheden ad baner, der er meget mere komplicerede. Disse baner kaldes atomare orbitaler eller underskaller. Der findes flere forskellige orbitalformer – s, p, d og f – men vi vil i første omgang primært fokusere på s- og p-orbitalerne. Det første energiniveau indeholder kun én s-orbital, det andet energiniveau indeholder én s-orbital og tre p-orbitaler, og det tredje energiniveau indeholder én s-orbital, tre p-orbitaler og fem d-orbitaler. Inden for hvert energiniveau har s-orbitalet en lavere energi end p-orbitalerne.

Et orbitaldiagram er med til at bestemme et grundstofs elektronkonfiguration. Et grundstofs elektronkonfiguration er anbringelsen af elektronerne i skallerne. Der er nogle få retningslinjer for udregning af denne konfiguration:

• Hver orbital kan kun rumme to elektroner. Elektroner, der optræder sammen i en orbital, kaldes et elektronpar.
• En elektron vil altid forsøge at gå ind i den orbital med den laveste energi.
• En elektron kan indtage en orbital alene, men den vil hellere indtage en orbital med lavere energi sammen med en anden elektron, før den indtager en orbital med højere energi. Med andre ord vil elektroner inden for et energiniveau udfylde en s-orbital, før de begynder at udfylde p-orbitaler.
• Den s-underskal kan rumme 2 elektroner.
• Den p-underskal kan rumme 6 elektroner.

Elektronkonfigurationer kan bruges til at rationalisere kemiske egenskaber i både uorganisk og organisk kemi. Den bruges også til at fortolke atomspektrer, som er den metode, der bruges til at måle energien af det lys, der udsendes fra grundstoffer og forbindelser.