Kvantmekanik, atomstruktur och periodicitet

Question 1

Vad är en enelektronatom och en flerelektronatom?

Answer 1

En enelektronatom har bara en elektron, tex H, He+, Li2+ osv…

En flerelektronatom har flera elektroner, tex Na (z=11) etc.

Question 2

Varför behöver man studera atomer och subatomiska system med kvantmekanik och inte klassisk mekanik?

Answer 2

För att elektroner och fotoner beter sig som både partiklar och vågor, också kallat våg-partikeldualiteten, vilket gör att klassisk mekanik inte fungerar.

Question 3

För en enelektronatom finns det en EXAKT kvantmekanisk behandling som kan appliceras, detta finns inte för flerelektronatomer, vad gör man istället?

Answer 3

bygger kvantmekaniska modeller som använder approximationer och regler som grund.

Question 4

Vad menas med “kärnladdningstalet”=Z?

Answer 4

Kärnladdningstalet eller atomnumret som det också kallas anger hur många protoner som finns i kärnan på en atom.

Question 5

Einstein och Planck visade att strålning är diskontinuerlig (att olika typer av strålning har olika frekvens), dvs finns i specifika energimängder som kallas kvanta (ett kvantum). Vad kallar man ett strålningskvantum med ett annat ord?

Answer 5

Ett strålningskvantum kallas för en “foton” och bär en energi 𝐸 =ℎ𝜈 = ℎ𝑐/𝜆. Detta kallas också för fotonrelationer (två st).

Question 6

Vad står de olika variablerna för i denna ekvation?
𝐸 =ℎ𝜈 = ℎ𝑐/𝜆.

Ange även enheten för varje variabel.

Answer 6

E=energi (Joule)
h=plancks konstant (Js: joule-sekunder)
c=ljusets hastighet (m/s)
𝜈 (nu) =frekvens (Hz eller S^-1 "per sekund")
𝜆 (lambda)= våglängd (m)

Question 7

Våg-partikeldualiteten upptäcktes av de Broglie år 1924. Vad sade hans tes?

Answer 7

“Till varje partikel med massan m, som rör sig med hastigheten v, kan man associera en våg med våglängd: 𝜆=ℎ/𝑚𝑣” (där v är en hastighet)

Question 8

Våg-partikeldualiteten blev bekräftat experimentellt 1925 av Davisson och Germer. Hur såg experimentet ut och vad var beviset?

Answer 8

De ställde upp en elektronkälla med ett hål i sidan, ur hålet kom en elektronström som gick in i en kristall. i kristallen bröts elektronbanan och ett INTERFERENSMÖNSTER kunde observeras på en skärm.

Detta är även principen bakom elektronmikroskopet.

Question 9

Förklara varför klassisk mekanik fungerar för makroobjekt.

Answer 9

Man kan använda 𝜆=ℎ/𝑚𝑣 även för makroobjekt, tex för objekt med m=1kg och v=1m/s, där våglängden blir lika med h vid insättning i formeln. Detta visar att våglängden är så liten att den blir försumbar vid beräkning av makroobjekt och därför fungerar klassisk mekanik.

För mikroskopiska objekt är inte våglängden försumbar i relation till storlek.

Question 10

Man pratar inte om en elektrons “position” eller “bana” när man beskriver dess rörelse, förklara varför inte och hur man korrekt refererar till en elektrons rörelse, samt dess beteckning.

Answer 10

Eftersom elektroner beter sig som en våg kan man inte veta exakt var den befinner sig vid en given tidpunkt. Man pratar istället om sannolikheten för att träffa på en elektron i en viss punkt. Den matematiska funktionen som beskriver detta betecknas Ψ (psi) och kallas för en vågfunktion.

Question 11

För att hitta en atoms energi (E) och vågfunktion (Ψ) måste man lösa en vågekvation. Vad kallas denna ekvation och hur många lösningar har den?

Answer 11

Den heter Schrödninger-ekvationen, och har oändligt många lösningar på E och Ψ.

𝐸𝑛 =−(𝑍/𝑛)^2 x 𝐸𝐻 ;𝐸𝐻 = +13,6 𝑒𝑉, n=1,2,3…∞

Question 12

När man pratar om energinivåer, vad innebär “grundtillståndet”? Vad kallar man övriga tillstånd?

Answer 12

Grundtillståndet är tillståndet med lägst möjliga energi. övriga tillstånd är “exciterade”.

Question 13

För att en atom ska bli exciterad behöver energi tillföras (i form av en foton), vad kallas denna process?

Answer 13

Absorbtion.

Question 14

När en atom “hoppar ner” en energinivå avgår energi (i form av en foton), vad kallas denna process?

Answer 14

Emission.

Question 15

Vad säger ekvationen En=(z/n)^2Eh om olika värden på energi?

Answer 15

Ekvationen anger att endast vissa värden på energin är tillåtna, vilket innebär att energin är kvantiserad, inte kontinuerlig. Man kan säga att energin går uppåt som en trappa, inte som en backe.

Question 16

Hur definieras joniseringsenergi? (IE)

Answer 16

Joniseringsenergin är den lägsta energin som behövs tillföras till en atom för att ta bort en elektron. Tex H –> H+ + 1e-.

Question 17

Man kan jonisera en atom flera gånger, vad kallar man energin som behövs för varje joniseringssteg?

Answer 17

Första joniseringsenergin, andra joniseringsenergin, tredje… osv tills dess att alla elektroner är slut.

Question 18

När Ψ är reell kallas den en orbital,

vad är definitionen av en orbital?

Answer 18

En orbital är en 3D matematisk funktion som är reell, och som ger sannolikheten att finna en elektron i en viss punkt.

Question 19

Förklara vad en orbital är/representerar med egna ord.

Answer 19

En orbital är formen av utrymmet där det med stor sannolikhet går att hitta elektroner i en atom. När man tittar på ritningar av orbitaler så representerar formen den yttre gränsen av detta utrymme, så elektronen finns med störst sannolikhet (90%) någonstans i utrymmet innanför gränsen.

Question 20

Vilka orbitaler finns? Namnge dem.

Answer 20

s-orbitaler, p-orbitaler, d-orbitaler, f-orbitaler och g-orbitaler.

Question 21

Hur ser s-orbitaler ut och hur många finns?

Answer 21

s-orbitaler är sfäriska runt kärnan och det finns bara en sådan.

Question 22

Hur ser p-orbitaler ut och hur många finns?

Answer 22

p-orbitaler ser ut som två ballongformade kroppar som går rakt ut från kärnan med lika långt avstånd emellan dem åt alla håll. Det finns tre stycken p-orbitaler, en längs vardera av x,y och z axeln.

dessa kan skrivas (px, py och pz om antal elektroner i vardera ska skrivas ut)

Question 23

Hur många d-orbitaler finns?

Answer 23

Det finns fem d-orbitaler.

Question 24

Hur många f-orbitaler finns?

Answer 24

Det finns sju f-orbitaler.

Question 25

Förklara kortfattat hur s-f orbitalerna för en enelektronatom skulle ritas upp i ett diagram där E ökar uppåt.

Answer 25

osv…..

n=4    -       ---     -----    -------
         4s     4p     4d       4f
n=3    -       ---     -----    
         3s     3p     3d
n=2    -       --- 
         2s     2p
n=1     -
          1s

Question 26

spinn är en egenskap hos elektronen, och det finns två spinntillstånd: upp och ner. Vad innebär spinn?

Answer 26

Att elektonen beter sig som att den snurrade, antingen medsols eller motsols. Den rör sig alltså i ett magnetfält som om den snurrade trots att den inte gör det.

Question 27

Hur ritar man en elektron med spinn-upp eller spinn-ner?

Answer 27

En pil upp- eller nedåtriktad genom en orbital (horisontellt streck)

Question 28

Coulombkraften i en atom kan vara attraktiv eller repulsiv, vad innebär detta? Hur skiljer sig enelektronatomer och flerelektronatomer i detta avseende?

Answer 28

Lika laddningar repellerar och olika laddningar attraherar, detta innebär att det förekommer coulomb repulsion mellan två elektroner och coulombattraktion mellan en elektron och en proton. I en enelektronatom förekommer endast coulombattraktion medan elektronerna repellerar varandra (växelverkar) i en flerelektronatom.

Question 29

Varför finns det ingen lösning på Schrödingers ekvation för flerelektronatomer?

Answer 29

På grund av att elektronerna i en flerelektronatom repellerar varandra så fungerar inte schrödingers ekvation, då den inte behandlar effekterna från repulsionen. Därför behöver man använda approximationer, modeller, regler och principer istället.

Question 30

Vad säger Paulis uteslutningsprincip? (exclusion principle) Varför är den viktig?

Answer 30

“Högst två elektroner kan befinna sig i en orbital: en med spinn upp och den andra med spinn ner”.

Viktig för att förstå det periodiska systemet.

Question 31

Vad säger Hunds regel?

Answer 31

“Om det finns flera orbitaler i delskalet får atomen lägst energi om man fyller på alla orbitalerna i delskalet med en elektron, innan man börjar para elektroner. De oparade elektronerna har dessutom parallella spinn.”

Question 32

Hunds regel är alltså inte applicerbar på s-orbitalerna, eftersom det endast finns en orbital i s-delskalen. Förklara hur elektronerna ligger för N (z=7) med hjälp av hunds regel och Paulis uteslutningsprincip.

Answer 32

N har atomnummer 7 vilket innebär att 7 elektroner ska sättas ut. I delskal 1s och 2s finns två elektroner vardera, en med spinn upp och en med spinn ned. I delskal 2p finns tre orbitaler, och de tre kvarvarande elektronerna finns därför en i varje delskal med spinn upp. N: 1s^2 2s^2 2(px^1 p^y1 pz^1)

Question 33

Varför är energimängden för 2s och 2p inte samma i en flerelektronatom? Vilken av dem har högst energi?

Answer 33

På grund av växelverkan mellan elektronerna. 2p har högre energi i en flerelektronatom.

Question 34

Generellt skriver man ett delskal ns, np, nd, nf… etc. där n = HUVUDKVANTTALET. Vad bestämmer huvudkvanttalet i en enelektronatom?

Answer 34

Huvudkvanttalet bestämmer energinivån i en enelektronatom. n=1, n=2 osv.. därav fungerar ekvationen 𝐸𝑛 =−(𝑍/𝑛)^2 x 𝐸𝐻.

Question 35

Vad menas med valenselektroner? Förklara närmare med Kol och natrium som exempel.

Answer 35

Valenselektroner är de yttersta elektronerna i en atom, tex C (6): 1s2 2s2 2p2 har 4 valenselektroner (4st i “2x” orbitalerna) medan Na (11): 1s2 2s2 2p6 3s1 har 1 valenselektron (1st i “3x” orbitalen).

Question 36

Modellen “skärmning” (sheildning) baseras på den coulombska växelverkan som finns mellan protoner och elektroner i atomer. Denna modell förklarar många trender i det periodiska systemet. Vad innebär skärmning?

Answer 36

Skärmning kan definieras som “minskad elektrostatisk attraktion mellan kärnan och valenselektroner på grund av närvaron av ökande mängd elektroner mellan dem.” och anger kortfattat hur osäkert valenselektronerna sitter.

Question 37

I en H atom (1) känner elektronen av den verkliga kärnladdningen (Z). De två elektronerna i He repellerar varandra (man säger att de “skärmar varandra”) och detta påverkar vilken attraktion de känner gentemot kärnan. Vad kallar man den attraktion de upplever?

Answer 37

Elektronerna i He upplever attraktion från en effektiv kärnladdning (Zeff) som är mycket mindre an den verkliga kärnladdningen (Z).

Question 38

Atomstorlek ges med radien r, hur definieras atomstorlek och hur ser trenden ut för atomstorlek i det periodiska systemet?

Answer 38

Atomstorlek definieras som halva avståndet mellan kärnor hos två atomer av samma typ.
Trenden för atomstorlek är generellt att r ökar med Z i en grupp (vertikalt) och minskar i en period (horisontellt). Längst ner till vänster finner man alltså den största atomen.

Question 39

Hur ser trenden ut för joniseringsenergi i det periodiska systemet?

Answer 39

Då elektroner lämnar lättare desto längre ifrån kärnan de är, så är trenden för IE tvärtom från atomstorlek. Desto större atom, desto lägre är IE som krävs. Därför hittas ämnen med högst IE högst upp till höger i PS.

Question 40

Vad menas med elektronaffinitet? (EA)

Answer 40

Elektronaffinitet är den förändring i energi som sker när en neutral atom eller molekyl i gasfas tar upp en elektron.

Question 41

Hur ser trenden ut för elektronaffinitet (EA) i det periodiska systemet?

Answer 41

EA ökar när IE ökar och atomstorlek minskar.

Question 42

Hur lyder Paulings definition av elektronegativitet? (EN)

Answer 42

Elektronegativitet (EN) är “förmågan hos en atom att dra åt sig elektroner från andra atomer”.

Question 43

Hur ser trenden ut för elektronegativitet (EN) i det periodiska systemet?

Answer 43

EN ökar när IE och EA ökar och atomstorlek minskar.

Question 44

Vilken av följande atomer är större (större atomstorlek r)? Varför?

a) Na+ eller Na
b) Cl eller Cl-

Answer 44

Attraktion till kärna större = atom mindre.

a) Na+ störst pga mindre attraktion
b) Cl störst pga mindre attraktion.

Question 45

Hur ligger F (9) till trendmässigt i PS? Ange hög/låg: Z, r, IE, EA, EN

Answer 45

F är högt upp till höger, och har hög Z, IE, EA och EN i relation till period och grupp. r är bland de minsta i perioden och gruppen.