Johdatus kemiaan

Oppimistavoite

• erottaa Bohrin mallin elektroniorbitaalit kvanttimekaanisista orbitaaleista

termit

• elektronikuori atomin kaikkien elektronien kollektiiviset tilat, joilla on sama pääkvanttiluku (visualisoidaan radaksi, jolla elektronit liikkuvat).
• orbitalA määritteli elektronin energian ja todennäköisyystiheyden missä tahansa atomin tai molekyylin pisteessä.

vaikka se on hyödyllinen selittämään tiettyjen alkuaineiden reaktiivisuutta ja kemiallista sidostumista, atomin Bohr-malli ei kuvaa tarkasti sitä, miten elektronit ovat jakautuneet avaruudellisesti ytimen ympärille. Ne eivät kierrä ydintä kuten Maa kiertää aurinkoa, vaan sijaitsevat pikemminkin elektroniorbitaaleilla. Nämä suhteellisen monimutkaiset muodot johtuvat siitä, että elektronit käyttäytyvät hiukkasten lisäksi myös aaltojen tavoin. Aaltofunktioiksi kutsutut kvanttimekaniikan matemaattiset yhtälöt voivat ennustaa tietyn todennäköisyystason sisällä, missä elektroni voi milloinkin olla. Aluetta, jolta elektroni todennäköisimmin löytyy, kutsutaan sen orbitaaliksi.

ensimmäinen elektronikuori

ydintä lähimmällä orbitaalilla, jota kutsutaan 1s-orbitaaliksi, voi olla enintään kaksi elektronia. Tämä orbitaali vastaa atomin Bohr-mallin sisintä elektronikuorta. Sitä kutsutaan 1s-orbitaaliksi, koska se on pallomainen ytimen ympärillä. 1s-orbitaali täytetään aina ennen muita kiertoratoja. Vedyllä on yksi elektroni, joten sillä on vain yksi piste miehitetyllä 1s-orbitaalilla. Tästä käytetään nimitystä 1s1, jossa supersäde 1 tarkoittaa yhtä elektronia 1s-orbitaalin sisällä. Heliumilla on kaksi elektronia, joten se voi täyttää 1s-orbitaalin kokonaan kahdella elektronillaan. Tästä käytetään nimitystä 1s2, joka viittaa heliumin kahteen elektroniin 1s-orbitaalilla. Jaksollisessa järjestelmässä vety ja helium ovat ainoat kaksi alkuainetta ensimmäisellä rivillä (periodi); tämä johtuu siitä, että niillä on ainoana alkuaineena elektroneja vain niiden ensimmäisessä kuoressa, 1s-orbitaalissa.

toinen elektronikuori

toinen elektronikuori voi sisältää kahdeksan elektronia. Tämä kuori sisältää toisen pallomaisen s-orbitaalin ja kolme ”käsipainon” muotoista p-orbitaalia, joista jokaiseen mahtuu kaksi elektronia . Kun 1s-orbitaali on täytetty, toinen elektronikuori täytetään, ensin täytetään sen 2S-orbitaali ja sitten sen kolme p-orbitaalia. Täytettäessä p-orbitaalit, jokainen ottaa yhden elektronin; kun jokaisella p-orbitaalilla on elektroni, voidaan lisätä toinen. Litium (Li) sisältää kolme elektronia, jotka miehittävät ensimmäisen ja toisen kuoren. Kaksi elektronia täyttää 1s-orbitaalin, ja kolmas elektroni täyttää 2s-orbitaalin. Sen elektronikonfiguraatio on 1s22s1. Neonilla (Ne) taas on yhteensä kymmenen elektronia: kaksi on sen sisimmällä 1s-orbitaalilla ja kahdeksan täyttää sen toisen kuoren (kaksi kukin 2s: llä ja kolme p-orbitaalilla). Näin ollen se on inertti kaasu ja energeettisesti stabiili: se harvoin muodostaa kemiallista sidosta muiden atomien kanssa.

kolmannen elektronikuoren

suuremmilla alkuaineilla on ylimääräisiä orbitaaleja, jotka muodostavat kolmannen elektronikuoren. Subshells d ja f ovat monimutkaisempia muotoja ja sisältävät viisi ja seitsemän orbitaalia, vastaavasti. Pääkuorella 3n on S -, p-ja d-alikuoret ja siihen mahtuu 18 elektronia. Pääasiallinen shell 4n on S, p, d, ja f orbitaalit ja mahtuu 32 elektronia. Siirryttäessä pois ytimestä energiatasoissa olevien elektronien ja orbitaalien määrä kasvaa. Edetessään jaksollisessa järjestelmässä atomista toiseen elektronirakenne voidaan selvittää sovittamalla ylimääräinen elektroni seuraavalle käytettävissä olevalle orbitaalille. Elektronikuorien ja orbitaalien käsitteet liittyvät läheisesti toisiinsa, mutta orbitaalit antavat tarkemman kuvauksen atomin elektronikonfiguraatiosta, koska orbitaalimalli määrittää eri muodot ja erityiset suunnat kaikissa niissä paikoissa, joissa elektronit voivat olla.