Lärandemål
- Bestäm elektronkonfigurationen för grundämnen och joner, och identifiera förhållandet mellan elektronskal och underskal.
Nyckelpunkter
- Om energin i en atom ökar blir en elektron i atomen exciterad. För att gå tillbaka till sitt grundtillstånd frigör elektronen energi. Energin i ljuset som frigörs när en elektron sjunker i energinivå är densamma som skillnaden i energi mellan de två nivåerna.
- Vid förenklad betraktelse är elektroner ordnade i skal runt en atomkärna. Elektroner närmast kärnan har den lägsta energin. Elektroner längre bort från kärnan kommer att ha högre energi. En atoms elektronskal kan rymma 2n2 elektroner (där n är skalnivån).
- I en mer realistisk modell rör sig elektronerna i atomära banor eller underskal. Det finns fyra olika orbitalformer: s, p, d och f. Inom varje skal har s-delskalet en lägre energi än p. Ett orbitaldiagram används för att bestämma en atoms elektronkonfiguration.
- Det finns riktlinjer för att bestämma en atoms elektronkonfiguration. En elektron kommer att förflytta sig till den orbital med lägst energi. Varje orbital kan rymma endast ett elektronpar. Elektroner kommer att separera så mycket som möjligt inom ett skal.
Termer
- KvantiseringProcessen att approximera en kontinuerlig signal med en uppsättning diskreta symboler eller heltalsvärden.
- frekvensAntalet förekomster av en upprepad händelse per tidsenhet.
Energier för elektroner i atomära banor
Den centrala strukturen i en atom är atomkärnan, som innehåller protoner och neutroner. Denna kärna är omgiven av elektroner. Även om dessa elektroner alla har samma laddning och samma massa har varje elektron i en atom olika mycket energi. Elektroner med lägst energi finns närmast kärnan, där den positivt laddade kärnans dragningskraft är störst. Elektroner som har högre energi finns längre bort.
Energikvantisering
När energin i en atom ökas (t.ex. när ett ämne värms upp), ökas också energin hos elektronerna i atomen – det vill säga, elektronerna blir exciterade. För att den exciterade elektronen ska kunna gå tillbaka till sin ursprungliga energi, eller grundtillstånd, måste den avge energi. Ett sätt för en elektron att frigöra energi är att avge ljus. Varje grundämne avger ljus med en specifik frekvens (eller färg) vid upphettning som motsvarar energin i elektronens excitation.
Det är bra att tänka på detta som att gå uppför en trappa. Om du inte lyfter foten tillräckligt mycket kommer du att stöta mot trappsteget och fastna på marknivån. Du måste lyfta foten till trappstegets höjd för att kunna gå vidare. Samma sak gäller för elektroner och den mängd energi de kan ha. Denna uppdelning av elektroner i energienheter kallas kvantisering av energi eftersom det bara finns vissa mängder energi som en elektron kan ha i en atom. Energin i det ljus som frigörs när en elektron sjunker ner från en högre energinivå till en lägre energinivå är densamma som skillnaden i energi mellan de två nivåerna.
Elektronskal
Vi kommer att börja med ett mycket enkelt sätt att visa hur elektronerna är placerade runt en atom. Här är elektronerna ordnade i energinivåer, eller skal, runt atomkärnan. Elektroner som befinner sig i den första energinivån (energinivå 1) är närmast kärnan och kommer att ha den lägsta energin. Elektroner som befinner sig längre bort från kärnan har högre energi. En atoms elektronskal kan rymma 2n2 elektroner, där n är energinivån. Exempelvis kan det första skalet rymma 2 x (1)2 eller 2 elektroner. Det andra skalet kan rymma 2 x (2)2 eller 8 elektroner.
Som exempel kan nämnas att fluor (F) har atomnumret 9, vilket innebär att en neutral fluoratom har 9 elektroner. De två första elektronerna finns i den första energinivån och de övriga sju finns i den andra energinivån.
Atomorbitaler
Trots att elektroner kan framställas enkelt som att de kretsar runt kärnan i ringar, rör sig elektronerna i verkligheten längs vägar som är mycket mer komplicerade. Dessa banor kallas atomära banor eller subskal. Det finns flera olika orbitalformer – s, p, d och f – men vi kommer huvudsakligen att fokusera på s- och p-orbitalerna för tillfället. Den första energinivån innehåller endast en s-orbital, den andra energinivån innehåller en s-orbital och tre p-orbitaler, och den tredje energinivån innehåller en s-orbital, tre p-orbitaler och fem d-orbitaler. Inom varje energinivå har s-orbitalet en lägre energi än p-orbitalerna.
Ett orbitaldiagram hjälper till att bestämma elektronkonfigurationen hos ett grundämne. Ett grundämnes elektronkonfiguration är elektronernas placering i skalen. Det finns några riktlinjer för att räkna ut denna konfiguration:
- Varje orbital kan rymma endast två elektroner. Elektroner som förekommer tillsammans i en orbital kallas för ett elektronpar.
- En elektron försöker alltid gå in i den orbital som har lägst energi.
- En elektron kan ockupera en orbital på egen hand, men den ockuperar hellre en orbital med lägre energi tillsammans med en annan elektron innan den ockuperar en orbital med högre energi. Med andra ord, inom en energinivå kommer elektroner att fylla en s-orbital innan de börjar fylla p-orbitaler.
- S-delskalet s kan rymma 2 elektroner.
- P-delskalet p kan rymma 6 elektroner.
Elektronkonfigurationer kan användas för att rationalisera kemiska egenskaper i både oorganisk och organisk kemi. Den används också för att tolka atomspektrum, den metod som används för att mäta energin i det ljus som sänds ut från grundämnen och föreningar.