Oppimistavoite
- Määritä alkuaineiden ja ionien elektronikonfiguraatio ja tunnista elektronikuorien ja alikuorien välinen suhde.
Kärkikohdat
- Jos atomin energiaa kasvatetaan, atomin elektroni virittyy. Palatakseen perustilaansa elektroni luovuttaa energiaa. Elektronin laskiessa energiatasoa alemmas vapautuvan valon energia on sama kuin kahden energiatason välinen energiaero.
- Yksinkertaisesti tarkasteltuna elektronit ovat järjestäytyneet kuoriin atomin ytimen ympärille. Ydintä lähinnä olevilla elektroneilla on pienin energia. Ytimestä kauempana olevilla elektroneilla on suurempi energia. Atomin elektronikuoreen mahtuu 2n2 elektronia (jossa n on kuoren taso).
- Realistisemmassa mallissa elektronit liikkuvat atomin orbitaaleissa eli alakuorissa. Orbitaalimuotoja on neljä erilaista: s, p, d ja f. Kunkin kuoren sisällä s-alakuori on alhaisemman energian omaava kuin p-alakuori. Atomin elektronikonfiguraation määrittämiseen käytetään orbitaalikaaviota.
- Atomin elektronikonfiguraation määrittämiseen on olemassa ohjeita. Elektroni siirtyy orbitaaliin, jonka energia on alhaisin. Kullekin orbitaalille mahtuu vain yksi elektronipari. Elektronit erottuvat mahdollisimman paljon toisistaan kuoren sisällä.
Termit
- Kvantisointi Prosessi, jossa jatkuvaa signaalia approksimoidaan joukolla diskreettejä symboleja tai kokonaislukuarvoja.
- frekvenssiToistuvan tapahtuman esiintymien määrä aikayksikköä kohti.
Elektronien energia atomiorbitaaleissa
Atomin keskeinen rakenne on ydin, joka sisältää protonit ja neutronit. Tätä ydintä ympäröivät elektronit. Vaikka näillä elektroneilla on kaikilla sama varaus ja sama massa, jokaisella atomin elektronilla on erilainen määrä energiaa. Elektronit, joilla on pienin energia, ovat lähimpänä ydintä, jossa positiivisesti varautuneen ytimen vetovoima on suurin. Elektronit, joilla on suurempi energia, sijaitsevat kauempana.
Energian kvantittuminen
Kun atomin energiaa kasvatetaan (esimerkiksi kun ainetta kuumennetaan), myös atomin sisällä olevien elektronien energia kasvaa – toisin sanoen elektronit virittyvät. Jotta kiihdytetty elektroni voisi palata alkuperäiseen energiaansa eli perustilaansa, sen on vapautettava energiaa. Yksi tapa, jolla elektroni voi vapauttaa energiaa, on lähettää valoa. Jokainen alkuaine säteilee kuumentuessaan valoa tietyllä taajuudella (tai värillä), joka vastaa elektronin kiihdytysenergiaa.
On hyödyllistä ajatella, että tämä on kuin nousisi portaita ylöspäin. Jos et nosta jalkaasi tarpeeksi, törmäät askeleeseen ja jäät jumiin maanpinnan tasolle. Sinun on nostettava jalkasi askelman korkeudelle siirtyäksesi eteenpäin. Sama pätee elektroneihin ja niiden energian määrään. Tätä elektronien jakamista energiayksiköihin kutsutaan energian kvantittamiseksi, koska elektronilla voi olla atomissa vain tietty määrä energiaa. Valon energia, joka vapautuu, kun elektroni putoaa korkeammalta energiatasolta alemmalle energiatasolle, on sama kuin näiden kahden energiatason välinen energiaero.
Elektronien kuoret
Aloitamme hyvin yksinkertaisella tavalla osoittamalla elektronien sijoittumisen atomin ympärille. Tässä elektronit on järjestetty energiatasoihin eli kuoriin atomin ytimen ympärille. Ensimmäisellä energiatasolla (energiataso 1) olevat elektronit ovat lähimpänä ydintä ja niillä on pienin energia. Kauempana ytimestä olevilla elektroneilla on suurempi energia. Atomin elektronikuoreen mahtuu 2n2 elektronia, jossa n on energiataso. Esimerkiksi ensimmäiselle kuorelle mahtuu 2 x (1)2 eli 2 elektronia. Toiselle kuorelle mahtuu 2 x (2)2 eli 8 elektronia.
Esimerkiksi fluorin (F), jonka järjestysluku on 9, eli neutraalissa fluoriatomissa on 9 elektronia. Ensimmäiset 2 elektronia löytyvät ensimmäiseltä energiatasolta ja loput 7 elektronia löytyvät toiselta energiatasolta.
Atomiorbitaalit
Vaikka elektronit voidaan esittää yksinkertaisesti renkaina ytimen ympärillä kiertävinä, todellisuudessa elektronit liikkuvat paljon monimutkaisempia ratoja pitkin. Näitä polkuja kutsutaan atomiorbitaaleiksi tai alikuoriksi. Orbitaaleja on useita erilaisia – s-, p-, d- ja f-orbitaaleja – mutta keskitymme nyt lähinnä s- ja p-orbitaaleihin. Ensimmäinen energiataso sisältää vain yhden s-orbitaalin, toinen energiataso sisältää yhden s-orbitaalin ja kolme p-orbitaalia ja kolmas energiataso sisältää yhden s-orbitaalin, kolme p-orbitaalia ja viisi d-orbitaalia. Kunkin energiatason sisällä s-orbitaali on pienemmällä energialla kuin p-orbitaalit.
Orbitaalidiagrammin avulla voidaan määrittää alkuaineen elektronikonfiguraatio. Alkuaineen elektronikonfiguraatio on elektronien sijoittuminen kuoriin. Tämän konfiguraation selvittämiseen on olemassa muutamia ohjeita:
- Kullekin orbitaalille mahtuu vain kaksi elektronia. Yhdessä orbitaalissa esiintyviä elektroneja kutsutaan elektronipariksi.
- Elektroni pyrkii aina siihen orbitaaliin, jolla on pienin energia.
- Elektroni voi miehittää orbitaalin yksin, mutta se miehittää mieluummin matalamman energian orbitaalin yhdessä toisen elektronin kanssa ennen kuin se miehittää korkeamman energian orbitaalin. Toisin sanoen yhden energiatason sisällä elektronit täyttävät s-orbitaalin ennen kuin alkavat täyttää p-orbitaaleja.
- S-alakuoreen mahtuu 2 elektronia.
- P-alakuoreen mahtuu 6 elektronia.
Elektronikonfiguraatioita voidaan käyttää kemiallisten ominaisuuksien järkeistämiseen sekä epäorgaanisessa että orgaanisessa kemiassa. Sitä käytetään myös atomispektrien tulkintaan, menetelmään, jolla mitataan alkuaineiden ja yhdisteiden lähettämän valon energiaa.
.