Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 4 Grunnstoffene Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og nanoteknologi.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 4 Grunnstoffene Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og nanoteknologi."— Utskrift av presentasjonen:

1

2 MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 4 Grunnstoffene Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo Universet Nukleosyntese Elektroner Orbitaler Kvantetall Periodesystemet Atomenes egenskaper Størrelse Ioniseringsenergi Elektronaffinitet Elektronegativitet

3 MEF 1000 – Materialer og energi Elementene Platons geometriske klassifisering Lavoisiers vannskillings apparat (1780 årene). 3H 2 O +2Fe -> 3H 2 + Fe 2 O 3

4 MEF 1000 – Materialer og energi Universet 15 milliarder år siden Big Bang: Ett punkt – hele Universets masse – uendelig høy temperatur Millisekunder senere: kvarker og elektroner Sekunder: 10 milliarder grader; protoner (H +,p) og nøytroner (n) Minutter og timer: ”Den sterke kraften” begynner å binde protoner og nøytroner sammen til atomkjerner –(fortsetter ennå) År: Hydrogen (ca 90%) og helium (ca 10%) Fra

5 MEF 1000 – Materialer og energi Atomenes indre struktur Hva bestod atomene av? Elektronet var den første sub atomære partikkel. Katodestrålerøret: Sir William Crookes (1903) Elektronet: J.J. Thomson ( )

6 MEF 1000 – Materialer og energi Atomenes indre struktur II Elektronet har negativ ladning. Det måtte være en positiv ladning som balanserte denne. Tidlige atom modeller: W. Thomson (1903) Jevnt fordelte elektroner H. Nagaoka (Japan) 1904; positiv ladning i sentrum med elektronet i ringer (som Saturn) rundt. Lord Kelvin; Elektronet var virvler i en positiv veske. Mens innflytelses rike vitenskapsmenn som Ernst Mach, Heinrich Herz og Wilhlem Ostwald Motarbeidet atom teorien.

7 MEF 1000 – Materialer og energi Atomenes indre struktur III Elektronet har negativ ladning. En liten tung positiv kjerne. Ernst Rutherford (1911)

8 MEF 1000 – Materialer og energi Fundamental Forces

9 MEF 1000 – Materialer og energi Fundamental Forces

10 MEF 1000 – Materialer og energi Elementærpartikler og nuklider Nuklider: –E kjemisk symbol (gitt av Z) –Z atomnummer –A massetall Isotop: Bestemt nuklide –Eksempler: Grunnstoff: Blanding av isotoper –Eksempel: naturlig H er en blanding av 1 H og 2 H, med atommasse 1,008 –Elektrone - –Positrone + –Foton  –Nøytrino –m.fl. Nukleoner: –Nøytron –Proton I radioaktiv stråling: –  -partikler (He 2+ -kjerner) –  -partikler (elektroner) –  -stråling (foton, elektromagnetisk stråling)

11 MEF 1000 – Materialer og energi Nuklidekartet Antall nøytroner Antall protoner Vi merker oss at det blir relativt flere nøytroner jo tyngre kjernene blir. Dette er for å motvirke frastøtningen mellom protonene.

12 MEF 1000 – Materialer og energi Nuklidekartet Antall nøytroner

13 MEF 1000 – Materialer og energi Hvordan dannes grunnstoffene? Ved universets tilblivelse ble element 1 H og 2 He dannet. Dette reflekteres i elementfordelingen i universet. Energien til sola kommer fra kjernereaksjonen: 4 H -> He + energi (E=mc 2 ) Samtidig dannes tyngre elementer i andre kjernereaksjoner. Er stjernen stor nok vil den eksplodere som en supernova Materien blir da slynget ut rommet og kan danne nye solsystem.

14 MEF 1000 – Materialer og energi Fordelingen av grunnstoffene på jorda Av element fordelingen ser vi at vårt solsystem er en 3.genrasjons stjerne.

15 MEF 1000 – Materialer og energi Kjernereaksjoner - nukleosyntese Syntese av lette elementer (fusjon) –Eksempel: Hydrogen-brenning Totalreaksjon: Endepunktet er 56 Fe, som er den mest stabile kjernen Syntese av tunge elementer Nøytroner fra fusjon, eks.: kolliderer med kjerner, eks.: Ustabile kjerner spaltes (fisjon): (Tc er i sin tur ustabilt…) Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

16 MEF 1000 – Materialer og energi Elementærpartikler og nuklider Nuklider: –E kjemisk symbol (gitt av Z) –Z atomnummer –A massetall Isotop: Bestemt nuklide –Eksempler: Grunnstoff: Blanding av isotoper –Eksempel: naturlig H er en blanding av 1 H og 2 H, med atommasse 1,008 –Elektrone - –Positrone + –Foton  –Nøytrino –m.fl. Nukleoner: –Nøytron –Proton I radioaktiv stråling: –  -partikler (He 2+ -kjerner) –  -partikler (elektroner) –  -stråling (foton, elektromagnetisk stråling)

17 MEF 1000 – Materialer og energi Grunnstoffenes forekomst i Universet Universet: –De lette grunnstoffene dominerer fortsatt –Partall-atomnummer-kjerner er mer stabile Solen: Figurer fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry og fra Universet:

18 MEF 1000 – Materialer og energi Grunnstoffenes forekomst i jordskorpen Logaritmiske og lineære plott Figurer fra Logaritmiske og lineære plott av forekomst i jordskorpen. De lineære plottene (nederst) avslører at jordskorpen inneholder hovedsakelig (i synkende rekkefølge): O Si Al Ca Fe Mg Na

19 MEF 1000 – Materialer og energi Klassifisering av grunnstoffene - Periodesystemet Johann Döbereiner 1817 –Periodisitet John Newlands 1860s –Grupper á 8. Oktaver? Har det noe med musikk å gjøre? Lothar Meyer Dimitri Mendeleev –1860s-70s –Første periodiske tabeller Figur bl.a. fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

20 MEF 1000 – Materialer og energi Det moderne periodesystemet Henry Moseley 1910s –Antall protoner Mange utgaver: –Rektangulært Kort “Normal” Lang –Spiral –Triangel

21 MEF 1000 – Materialer og energi Ett-elektron-atomer (hydrogeniske atomer) Kvantemekanikk Orbitaler Geometri - struktur

22 MEF 1000 – Materialer og energi Egenskaper til atomene Emisjons spektre Flamme test a) Li b) Na c) K d) Rb

23 MEF 1000 – Materialer og energi Egenskaper til atomene Emisjons spektre Absorbsjons spektre

24 MEF 1000 – Materialer og energi Egenskaper til atomene Emisjons spektret til H

25 MEF 1000 – Materialer og energi Kvantifisering Fri partikkel kan ha “alle” energier. Bundet partikkel har kvantifiserte, diskrete energier Hydrogenisk (én-elektron) atom: n = 1,2,3….. hovedkvantetallet Skall K,L,M... Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

26 MEF 1000 – Materialer og energi Kvantemekanikk for et elektron Bølgefunksjonen  –Schrödingerligningen 1926 –Relaterer energier og koordinater x,y,z

27 MEF 1000 – Materialer og energi Kvantemekanikk for et elektron Bølgefunksjonen  –Schrödingerligningen 1926 –Relaterer energier og koordinater x,y,z  2 uttrykker sannsynlighet

28 MEF 1000 – Materialer og energi Interferens

29 MEF 1000 – Materialer og energi Kvantetall og orbitaler Bølgefunksjonen spesifisert ved kvantetall: n: hovedkvantetallet –avstand; n = 1,2,3.... –skall: K,L,M... l: bikvantetallet –vinkelmoment (form); l = 0,1,2...(n-1) –subskall: s,p,d,f,g m l : magnetisk kvantetall –orientering (retning); m l = -l...0…l –Orbitaler 1 s-orbital 3 p-orbitaler 5 d-orbitaler 7 f-orbitaler m s spinnkvantetallet +1/2 “spinn opp” -1/2 “spinn ned” Figurer fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry. Tabell fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi

30 MEF 1000 – Materialer og energi Kvantetall og orbitaler II n: hovedkvantetallet – n=1,2,3.... –skall: K,L,M... l: bikvantetallet – l=0,1,2...(n-1) –subskall: s,p,d,f,g m l : magnetisk - l...0…l –Orbitaler

31 MEF 1000 – Materialer og energi Spinn M s spinnkvantetallet +1/2 “spinn opp” -1/2 “spinn ned” En del detaljer midt på side 13 ikke viktige.

32 MEF 1000 – Materialer og energi Bølgefunksjon for hydrogeniske orbitaler  nlm = R nl (r,Z) Y lm ( ,  )

33 MEF 1000 – Materialer og energi Radielle bølgefunksjoner  nlm = R nl (r,Z) Y lm ( ,  )

34 MEF 1000 – Materialer og energi Radiell fordelingsfunksjon Hydrogenisk 1s orbital Sannsynligheten for å finne elektronet ved gitt radius fra kjernen: P = 4  r 2  2

35 MEF 1000 – Materialer og energi 2p er gjennomsnittlig nærmere kjernen 2s har større sannsynlighet for å være svært nær kjernen

36 MEF 1000 – Materialer og energi

37 Før vi går videre…. Kvantemekanisk grunnlag –Kvantiserte energier, n –Bølgefunksjoner, orbitaler; n,l,m l, m s, s Sannsynlighetsfunksjoner –Utseende på orbitaler for ett-elektron-atomer (hva ligger i det?); s-, p-, d-orbitaler Hva skjer når vi får flere elektroner? Hva skjer når vi får flere atomer?

38 MEF 1000 – Materialer og energi Fler-elektron-atomer Oppbygging av periodesystemet Skjerming Gjennomtrengning (penetration)

39 MEF 1000 – Materialer og energi Orbital-approksimasjonen Fler enn ett elektron: –Elektronene påvirker hverandre –Orbitalene endres i forhold til i ett- elektron-tilfellet. –Håpløst vanskelig å beregne og visualisere. Orbital-approksimasjonen: –antar at orbitalene likevel er tilnærmet lik dem i ett- elektron-tilfellet.

40 MEF 1000 – Materialer og energi Pauli eksklusjonsprinsipp Kun to elektroner i hver orbital (spinn +1/2 og -1/2) Eller: To elektroner kan ikke ha samme fire kvantetall. H 1s 1 He 1s 2 Li 1s 3 ?? 1s 2 2s 1 !!

41 MEF 1000 – Materialer og energi Oppfylling av orbitaler Oppfylling og benevning: –ett elektron: 1s 1 –to elektroner: 1s 2 –tre elektroner: 1s 2 2s 1 eller [He]2s 1 Grunntilstand: lavest mulig energi n gir rekkefølge (energi) –for ett-elektron-atomer: Alltid –for fler-elektron-atomer: Som hovedregel Men hvilken har lavest energi av s, p, d..? –Én-elektron: Like –Fler elektroner: s < p < d < f

42 MEF 1000 – Materialer og energi Skjerming Kjerneladning Z Skjerming –Grunnet andre elektroner Skjermingsparameter  Effektiv kjerneladning Z eff = Z -  Skjematisk bilde av skjerming i orbitalapproksimasjonen:

43 MEF 1000 – Materialer og energi Skjerming og gjennomtrengning Nær kjernen –mindre skjerming fra andre elektroner; –Z eff større –Penetrerer s penetrerer mye p penetrerer lite Energi: s < p ( < d < f) Z eff i tabell 1.3, s.19

44 MEF 1000 – Materialer og energi Fylling av orbitaler

45 MEF 1000 – Materialer og energi Oppfylling av orbitalene Grunnstoffene H(Z=1)...Ar(Z=18): –K < L < M –s < p < d K(Z=19), Ca(Z=20): –4s < 3d Sc(Z=21)...: –3d < 4s

46 MEF 1000 – Materialer og energi Orbital-energier Kvalitativt bilde av orbitalenergier for flerelektronatomer

47 MEF 1000 – Materialer og energi Oppfylling av orbitaler Hunds regel –Orbitaler med samme energi oppfylles først med ett elektron i hver, med paralelle spinn Forklares med romlig frastøtning: Parallelle spinn tillegges kvantemekanisk spinn- korrelasjon (mindre frastøtning) –Eksempel: karbon, C 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 = 1s 2 2s 2 2p 2 = [He]2s 2 2p 2

48 MEF 1000 – Materialer og energi Elektronkonfigurasjoner Eksempel 1.4, s. 22 Ti –[Ar]4s 2 3d 2 –eller bedre [Ar]3d 2 4s 2 Ti 3+ –[Ar]3d 1

49 MEF 1000 – Materialer og energi Oppbygging av periodesystemet Hunds regel: Parallelle spinn fylles først. Periode 1 og 2: H(1s 1 ) He(1s 2) Li(1s 2 2s 1 ) Be(1s 2 2s 2 ) B(1s 2 2s 2 2p x 1 ) C(1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 ) N(1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 1 ) O(1s 2 2s 2 2p x 2 2p y 1 2p z 1 ) F(1s 2 2s 2 2p x 2 2p y 2 2p z 1 ) Ne(1s 2 2s 2 2p x 2 2p y 2 2p z 2 ) Vi unnlater ofte å spesifisere x, y, z, f.eks. O(1s 2 2s 2 2p 4 ) Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

50 MEF 1000 – Materialer og energi Periodesystemets format Perioder; hovedskall n Blokker; underskall –Geometri Gruppe (G) og antall valenselektroner –s, d: G –p: G - 10 Oksidasjonstrinn –Oppnå oktett Fullt ytre skall

51 MEF 1000 – Materialer og energi Atomenes egenskaper Noe få viktige egenskaper: –Størrelse –Energi for å fjerne elektroner –Energi ved å legge til elektroner –Elektronegativitet –Polariserbarhet Sammen med oksidasjonstall (relatert til antall valenselektroner), bestemmer disse grunnstoffenes egenskaper og kjemi! Noe få viktige egenskaper: –Størrelse –Energi for å fjerne elektroner –Energi ved å legge til elektroner –Elektronegativitet –Polariserbarhet Sammen med oksidasjonstall (relatert til antall valenselektroner), bestemmer disse grunnstoffenes egenskaper og kjemi! Figur fra

52 MEF 1000 – Materialer og energi Størrelse -radier For atomære størrelser bruker vi 1Å (ångstrøm) = m 1 nm = m = 10 Å 1 pm = m = 0.01 Å Atomradius er ikke en absolutt størrelse på et fritt atom – den defineres som halve avstanden mellom atomkjerner i en binding. Klassifiseres derfor etter type binding Atomradius –van der Waalsk radius –Metallradius –Kovalent radius Ionisk radius –r(O 2- ) = 1,40 Å Fortvil ikke: Vi skal lære mer om disse bindingstypene i neste kapittel! Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

53 MEF 1000 – Materialer og energi Størrelse - periodiske trender Avtar mot høyre i perioden –Kjerneladning Øker nedover gruppen –Skall Innskudds-gruppene Lantanide-kontraksjonen Figurer fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

54 MEF 1000 – Materialer og energi Størrelse - periodiske trender Øker innen gruppen –Skall Avtar innen perioden; Kjerneladning

55 MEF 1000 – Materialer og energi Effekt av ionisasjon Kationer –Mindre radius Mindre frastøtning og skjerming Ofte fullstendig tømming av et skall Anioner –Større radius Mer frastøtning og skjerming Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

56 MEF 1000 – Materialer og energi Effekt av ionisasjon Kationer –Mindre radius Mindre frastøtning og skjerming Ofte tomme valensskall Anioner –Større radius Mer frastøtning og skjerming

57 MEF 1000 – Materialer og energi Effekt av ionisasjon Kationer –Mindre radius Mindre frastøtning og skjerming Ofte tomme valensskall Anioner –Større radius Mer frastøtning og skjerming

58 MEF 1000 – Materialer og energi Effekt av innskuddsmetallene (d-blokka) Kontraksjon i størrelse Sc-Zn Mindre enn ellers, fordi vi fyller opp et underliggende skall (3d) (skjermer den økende kjerneladningen) Men kontraksjonen fører til at grunnstoffene i p-blokkens 4. periode får størrelse relativt lik de i 3. periode. –Eks.: egenskapene til Al og Ga blir like Figurer fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry, og fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi

59 MEF 1000 – Materialer og energi Effekt av lantanidene (f-blokka); lantanide-kontraksjonen (ikke pensum) Kontraksjon i størrelse (La-Hf) Mye mindre enn ellers, fordi vi fyller opp et dypt underliggende skall (4f) Men kontraksjonen fører til at grunnstoffene i d-blokkens 6. periode får størrelse relativt lik de i 5. periode. –Eks.: egenskapene til Hf og Zr blir like, likeså alle tilsvarende etterfølgende par Figurer fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry, og fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi

60 MEF 1000 – Materialer og energi Effekt av koordinasjonstall Radius øker med økende koordinasjonstall (CN) ( = antall nærmeste naboer) Skyldes at bindingselektronene deles på flere bindinger; svakere bindinger. Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

61 MEF 1000 – Materialer og energi Elektronaffinitet,  H a A(g) + e - (g) = A - (g) Gunstig for ett elektron for de fleste grunnstoffer –(men ofte negativ for mer enn ett, eks. O 2- ) NB: Varierende bruk av fortegn på energien Størst for halogenene, minst for edelgassene Figur fra

62 MEF 1000 – Materialer og energi Ioniseringsenergi A(g) = A + (g) + e - (g) Øker innen perioden Avtar innen gruppen Små avvik: Fulle og halvfylte subskall relativt stabile

63 MEF 1000 – Materialer og energi Elektronaffinitet

64 MEF 1000 – Materialer og energi Ioniseringsenergi Øker innen perioden Avtar innen gruppen A(g) = A + (g) + e - (g)

65 MEF 1000 – Materialer og energi Ioniseringsenergi Øker jo flere elektroner vi fjerner –Ellers lite systematikk Hovedgruppe- grunnstoffer: Høye oks.-trinn øverst Innskudds-metallene: Høye oks.-trinn nederst

66 MEF 1000 – Materialer og energi Elektronegativitet,  Evne til å trekke på elektroner i en kjemisk binding –Pauling: Fra bindingsenergier –Mulliken: Snitt av ioniseringsenergi og elektronaffinitet  = (  H i +  H a )/2 –Allred-Rochow: Ta hensyn til Z eff Empirisk, kvalitativ, relativ, tilfeldig valgt skala (  Fluor ~ 4). Øker diagonalt opp mot høyre i periodesystemet Figurer fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry og fra

67 MEF 1000 – Materialer og energi Kjemisk binding Ionisk Metallisk Kovalent

68 MEF 1000 – Materialer og energi Eletronegativitet Cl 2 Cl2 = 242 KJ/mol H2 = 432 KJ/mol H2H2 HCl=?? 323 KJ/mol 428 KJ/mol +105 KJ/mol “The nature of the chemical bond” by Pauling  =D(AB)-{D(AA)(BB)} 1/2  =105 Det vil si bindingen er 428/323 = 1.3 ganger Sterker enn ventet.

69 MEF 1000 – Materialer og energi Polariserbarhet Store atomer eller ioner: Elektronene langt ute – svakt bundet Tunge atomer eller ioner: Små sprang mellom energinivåene Store og tunge atomer eller ioner: Lett for andre atomer å påvirke elektronene –Myke = polariserbare Små og lette atomer eller ioner: –Harde/stive = lite polariserbare Figur fra Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

70 MEF 1000 – Materialer og energi Oppsummering – Kap. 4 Universet – kjerneraksjoner – nukleosyntese (lette – Fe – tunge) Historikk Kvantemekanikk –kvantetall – orbitaler – sannsynlighet Oppbygging av det moderne periodesystemet –Orbitaler –Blokker Atomenes egenskaper og deres variasjon i periodesystemet –Størrelse –Ioniseringsenergier –Elektronaffinitet –Elektronegativitet Viktige og enkle prinsipper Begynne å lære plasseringen av viktige grunnstoffer Universet – kjerneraksjoner – nukleosyntese (lette – Fe – tunge) Historikk Kvantemekanikk –kvantetall – orbitaler – sannsynlighet Oppbygging av det moderne periodesystemet –Orbitaler –Blokker Atomenes egenskaper og deres variasjon i periodesystemet –Størrelse –Ioniseringsenergier –Elektronaffinitet –Elektronegativitet Viktige og enkle prinsipper Begynne å lære plasseringen av viktige grunnstoffer Figurer fra P. Kofstad: Uorganisk kjemi

71 MEF 1000 – Materialer og energi

72 Formelt oksidasjonstrinn F alltid -1 H alltid +1 eller -1 O -2 (eller -1 eller -1/2) Ellers følges elektronegativitetsskalaen –Eksempler: CaO H 2 O OF 2 ICl 4 SiO 2

73 MEF 1000 – Materialer og energi Periodiske egenskaper Diagonal likhet

74 MEF 1000 – Materialer og energi Periodiske egenskaper

75 MEF 1000 – Materialer og energi Grenseorbitaler - polariserbarhet Grenseorbitaler (frontier orbitals) –Høyeste fylte orbital –Laveste tomme orbital Små, lette atomer (få elektroner): –Store energisprang –Lite polariserbart (stivt) Store, tunge atomer (mange elektroner): –Tette energinivåer –Mer polariserbart (mykt)


Laste ned ppt "MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 4 Grunnstoffene Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og nanoteknologi."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google