Atomets oppbygning. Orbitaler og det periodiske system Kjemi 1 Atomets oppbygning. Orbitaler og det periodiske system

PS Dagens forskningsdrypp: ROSE-prosjektet ROSE: Relevance of Science ”Internasjonalt forskningsprosjekt som vil arbeide for å gjøre skolens undervisning i naturfag og teknologi (NT) mer meningsfull, interessant og relevant for elevene.” ”Til grunn for ROSE-prosjektet ligger en antakelse om at flukten fra NT i stor grad skyldes at elevene i liten grad opplever disse fagene som meningsfulle og betydningsfulle for dem selv som individer – og at dette er noe man kan endre ved å endre fagenes 'profil'.” Norske deltakere Svein Sjøberg (prosjektleder), Camilla Schreiner Diverse publikasjoner fra Finland, Sverige, England, Irland, Japan, Ghana, Norge..

Dagens innspill til læreplan og undervisning fra ROSE Jidesjö, Anders & Oscarsson, Magnus. (2004). Students´ attitudes to science and technology. First results from The ROSE-project in Sweden (pdf). Undersøkelse av holdninger hos svenske 15-årige elever ”Many of the items we traditionally teach in our science classes are found among the items students don´t want to learn. Items like atoms and molecules, mountains, detergents, famous scientists and plants in their area, are apparently the least popular.. Instead, students want to learn about things we cannot yet explain and don´t have a clear idea about.” ”As a matter of fact, there are no science facts – but it seems like pupils apprehend the school science as being authoritarian and dead certain about things”

Hvordan kan vi vite noe om atomer og molekyler? Atomer er (veldig) små.. Men vi kan likevel ta bilder Vi kan til og med ta bilder av molekyler – f eks DNA av atomer – f eks gull!

Konkretisere molekyler Visuelle representasjoner (figurer, animasjoner). På papir, eller dataskjerm Strukturformler, kulepinnemodeller og ”bollemodeller” PS Mange sliter med å oversette fra flat figur til gjenstand i rommet!

Konkretisere molekyler Kulepinnemodeller. Naturlig 3D og taktile, og ypperlige hjelpemidler Merk at fargekoder er brukt svært bevisst Merk at ulike atomer har forskjellig antall hull (hvorfor?) Merk at bindingsvinklene stort sett er nær de romlig korrekte

Atomteori – moderne utvikling Hvor mange ulike typer atomer finnes det? Dalton ca 1807: Grunnstoff-begrepet. Et grunnstoff består av bare én type atom! Mendelejev ca 1869: Det periodiske system Hvordan er ett atom bygd opp? Ca 1897: Thomsons ”plumpudding-modell” Ca 1911: Rutherford ”miniatyr solsystem”

Oppbygningen av atomet Ca 1913: Bohrs atommodell Positivt ladet kjerne bygd opp av protoner og nøytroner Negativt ladde elektroner i ”skall” rundt kjernen Elektronene kan hoppe fra ett skall til et annet – og de vil da avgi eller ta opp energi Mellom kjernen og elektronene er det absolutt ingen ting! Grublis: Materien består altså nesten bare av tomt rom. Så hvorfor kan jeg ikke spasere tvers gjennom veggen??

Litt om elementærpartiklene Protoner har positiv ladning, mens nøytronene er nøytrale Protoner og nøytroner er omtrent like tunge - og langt tyngre enn elektronene (hhv ca 1836 og 1839 ganger tyngre). Og forresten er begge bygd opp av tre kvarker Elektronene farer ikke ut av atomet fordi de tiltrekkes av den positivt ladde atomkjernen Protonene frastøter hverandre – men holdes sammen i kjernen av sterke kjernekrefter Massen av ett proton er ca 1,67*10-27 kg. Dvs det går ca 6 000 000 000 000 000 000 000 000 protoner på ett gram!!

Bohrs modell – litt om styrker og svakheter Noen fine ting med Bohrs modell er at Modellen er enkel og oversiktlig (bl a er den jo todimensjonal, og veldig stilisert!) Begreper som ”ytterskall”, elektronpar og ”oktettregelen” er lett å visualisere med Bohrs modell Den viser dessuten at atomet består av nesten bare tomt rom, og at elektronene befinner seg i skall med ulike energinivåer Noen mindre gode er at Modellen gir strengt tatt et galt bilde av hvordan elektronene fordeler seg romlig. Den romlige fordelingen er viktig for å forstå hvorfor atomene i molekyler holdes sammen av bindinger med karakteristiske bindingsvinkler. Den egner seg egentlig best for de første 20 grunnstoffene

Justering av Bohrs modell Fra faste elektronbaner til elektronskymodell Elektronene beveger seg i stor fart rundt kjernen. Vi kan ikke si nøyaktig hvor et elektron er til en gitt tid, men bare oppgi sannsynligheten for hvor det kan være..

Elektronskymodellen forklart litt mer u(!)forståelig Elektronskyen kommer fra kvante-mekaniske beregninger bl a basert på Bohr Hovedskall som i Bohrs modell Hovedskallene er igjen oppdelt i underskall med plass til to elektroner (et elektronpar) Elektroner har noe litt mystisk kalt spinn (opp eller ned)

Mer om orbitaler og sånn Atomene har hovedskall nummerert fra 1 og oppover Hvert hovedskall er oppdelt i underskall (”orbitaler”) som kan inneholde ett par elektroner – med ulikt spinn! 1. hovedskall har bare en orbital (kalt 1s) 2. hovedskall har fire orbitaler (én s og tre p-orbitaler) 3. hovedskall er inndelt i ni orbitaler (én s, tre p og fem d-orbitaler)

Hvordan kan vi forestille oss atomet Visuelle representasjoner i 2 dimensjoner (dvs papir eller skjerm) Taktile modeller Romlige modeller F eks modeller av orbitalene. PS Alle modeller er bare hjelpemidler for å lette vår forståelse. Atomer har en del litt mystiske egenskaper som ingen enkel modell helt kan vise (f eks at elektronet – i likhet med lys - både er partikkel og bølge..)

Atomnummer – det periodiske system Atomnummeret til et grunnstoff er antall protoner i atomkjernen. Antall nøytroner kan variere i et grunnstoff (gir ulike isotoper) Grunnstoffene ordnes etter atomnummer i det periodiske system Grunnstoffene er delt inn i perioder (vannrett) og hovedgrupper (loddrett)

Det periodiske system forts Det periodiske systemet er satt opp for å vise lovmessigheter og likheter mellom ulike grunnstoffer Systemet er generelt mest oversiktlig i de tre første periodene.. 1. hovedgruppe kalles alkalimetaller, 17. kalles halogener. Grunnstoffene i begge grupper er (svært) reaktive. 18. hovedgruppe* inneholder edelgassene, som er fryktelig stabile (gjesp) *Kalles av og til 0. hovedgruppe

Eksempel på hovedgrupper: Alkalimetallene og halogenene Alkalimetallene er: Litium, natrium, kalium, rubidium, cesium og francium Felles for disse er at de har ett enslig elektron i ytterste skall Halogenene er: Fluor, klor, brom, jod, astat Felles for disse er at de mangler ett elektron på å få fullt ytterskall.

Oktettregelen Egenskapene til et grunnstoff avhenger sterkt av hvor mange elektroner atomet har i sitt ytterste hovedskall (spesielt i s- og p-orbitalene) Oktettregelen: Atomer vil avgi eller trekke til seg elektroner slik at ytterskallet består av fulle s- og p-orbitaler (så ytterskallet vil ha 2 + 3*2 = 8 elektroner) Eksempler: I 2. periode av det periodiske system har neon fullt skall – mens fluor mangler ett elektron, oksygen 2, nitrogen 3 og karbon 4 elektroner på ”full oktett”

Oktettregelen sier noe om hvordan grunnstoffer kan reagere med hverandre Grunnstoffene i 17. hovedgruppe (halogenene) mangler ett elektron på fullt ytre skall, og vil lett ta opp et elektron for å ”fylle hullet” Grunnstoffene i 1. hovedgruppe (alkali-metallene) har ett enslig elektron utenfor et fullt skall. Dette ytre elektronet løsner lett fra atomet Så om vi blander natrium og klor, vil Na-atomene avgi ett elektron hver til Cl-atomene. Natrium får positiv ladning (Na+) og klor får negativ ladning (Cl-). Til sammen blir dette natriumklorid (NaCl), som er vanlig kjøkkensalt!

Oktettregelen –eksempel vann Grunnstoffer i 16. hovedgruppe mangler to elektroner på fullt ytterskall. F eks oksygen Hydrogen har ett elektron, og mangler ett på fullt ytterskall (PS 1. hovedskall har bare to plasser) Hydrogen vil likevel ikke overføre sitt elektron helt til oksygenatomet – men hydrogen og oksygen kan dele på elektronene slik at begge atomer får fulle skall Siden oksygen har to ”plasser ledig”, binder oksygenatomet seg til to hydrogenatomer

Oktettregelen – eks CO2 Grunnstoffene i 14. hovedgruppe har fire elektroner og fire ”ledige plasser” i ytterskallet. F eks karbon, atomnummer 6 Oksygen har to ”uparede elektroner” i sitt ytterskall. Disse kan ”pares” med to elektroner fra et karbonatom Siden karbonatomet har fire elektroner ytterst, kan det binde seg til to oksygenatomer

Kovalent binding: Enkeltbindinger, dobbeltbindinger osv Bindingen som oppstår mellom to atomer som deler et elektronpar, kalles kovalent binding Når to atomer deler ett elektronpar, kalles bindingen mellom atomene en enkeltbinding – eks H2O og H2 Når to atomer deler to elektronpar, kalles bindingen mellom atomene en dobbeltbinding – eks CO2 og O2 Når to atomer deler tre elektronpar, kalles bindingen mellom atomene en trippelbinding – eks N2