Introduktion til kemi

læringsmål

• skelne mellem elektronorbitaler i Bohr-modellen versus kvantemekaniske orbitaler

Vilkår

• elektronskalde kollektive tilstande af alle elektroner i et atom med samme hovedkvantetal (visualiseret som en bane, hvor elektronerne bevæger sig).
• orbitalen specifikation af energi og sandsynlighedstæthed af en elektron på ethvert tidspunkt i et atom eller molekyle.

selvom det er nyttigt at forklare reaktiviteten og den kemiske binding af visse elementer, afspejler Bohr-modellen af atomet ikke nøjagtigt, hvordan elektroner fordeles rumligt omkring kernen. De cirkler ikke kernen, som Jorden kredser om solen, men findes snarere i elektronorbitaler. Disse relativt komplekse former skyldes, at elektroner opfører sig ikke bare som partikler, men også som bølger. Matematiske ligninger fra kvantemekanik kendt som bølgefunktioner kan forudsige inden for et bestemt sandsynlighedsniveau, hvor en elektron kan være til enhver tid. Det område, hvor en elektron mest sandsynligt findes, kaldes dens orbital.

første elektronskal

den nærmeste orbital til kernen, kaldet 1s orbital, kan rumme op til to elektroner. Denne orbital svarer til den inderste elektronskal af Bohr-modellen af atomet. Det kaldes 1s orbital, fordi det er sfærisk omkring kernen. 1s orbital er altid fyldt før enhver anden orbital. Hydrogen har en elektron; derfor har den kun et sted inden for 1s orbital besat. Dette betegnes som 1S1, hvor den overordnede 1 henviser til den ene elektron inden for 1s orbital. Helium har to elektroner; derfor kan det helt fylde 1s orbital med sine to elektroner. Dette betegnes som 1s2, der henviser til de to elektroner af helium i 1s orbital. På det periodiske system er hydrogen og helium de eneste to elementer i den første række (periode); dette skyldes, at de er de eneste elementer, der kun har elektroner i deres første skal, 1s orbital.

anden elektronskal

den anden elektronskal kan indeholde otte elektroner. Denne skal indeholder en anden sfærisk s orbital og tre “dumbbell” formede p orbitaler, som hver kan rumme to elektroner . Efter at 1s orbital er fyldt, fyldes den anden elektronskal, først fylder dens 2s orbital og derefter dens tre p orbitaler. Når man fylder p-orbitalerne, tager hver en enkelt elektron; når hver p-orbital har en elektron, kan der tilføjes et sekund. Lithium (Li) indeholder tre elektroner, der optager den første og anden skaller. To elektroner fylder 1s orbital, og den tredje elektron fylder derefter 2s orbital. Dens elektronkonfiguration er 1s22s1. Neon (Ne) har derimod i alt ti elektroner: to er i sin inderste 1s orbital, og otte fylder sin anden skal (to hver i 2s og tre p orbitaler). Således er det en inert gas og energisk stabil: den danner sjældent en kemisk binding med andre atomer.

tredje elektronskal

større elementer har yderligere orbitaler, der udgør den tredje elektronskal. Subshells d og f har mere komplekse former og indeholder henholdsvis fem og syv orbitaler. Principal shell 3N har S, p og d subshells og kan rumme 18 elektroner. Principal shell 4N har S, p, d og f orbitaler og kan rumme 32 elektroner. Når man bevæger sig væk fra kernen, øges antallet af elektroner og orbitaler, der findes i energiniveauerne. Fremskridt fra et atom til det næste i det periodiske system kan elektronstrukturen udarbejdes ved at montere en ekstra elektron i den næste tilgængelige orbital. Mens begreberne elektronskaller og orbitaler er nært beslægtede, giver orbitaler en mere nøjagtig Skildring af elektronkonfigurationen af et atom, fordi orbitalmodellen specificerer de forskellige former og specielle orienteringer for alle de steder, som elektroner kan besætte.