1.1 Atomin elektronirakenne

Atomi koostuu positiivisesti varautuneiden protonien ja varauksettomien neutronien muodostamasta ytimestä ja negatiivisesti varautuneiden elektronien muodostamasta elektroniverhosta.

 

  suhteellinen massa suhteellinen varaus
Protoni (p) 1,0073 +1
Neutroni (n) 1,0087 0
Elektroni (e) 0,000549 -1

- atomin massa keskittynyt ytimeen (> 99,9%)

- halkaisija 1/10 000 osa atomin halkaisijasta (10-10 m)

- muodostunut protoneista ja neutroneista = nukleonit

- ytimen varaus = protonien lukumäärä = järjestysluku Z

- protonien lukumäärä määrittää alkuaineen

- atomi on ulkoisesti varaukseton ( lukumäärät p+ = e– )

Määritelmiä:

Atomiluku (Z) = järjestysluku = protonien määrä ytimessä.

Massaluku (A) = neutronien ja protonien lukumäärä ytimessä.

Isotoopit = saman alkuaineen erimassaisia atomeja. Isotoopeilla on sama atomiluku, mutta eri massaluvut (samalla alkuaineella voi olla eri määrä neutroneja).

 Isotooppimerkintä:   , esim.  , ,

X = alkuaine (kemiallinen merkki)
Z = järjestysluku
A = N + Z = massaluku
N = neutronien lukumäärä ytimessä

Atomipaino = alkuaineen (luonnossa esiintyvien isotooppien) keskimääräinen massa. Esim. Hiilen atomipaino on 12.011, koska sen prosenttinen koostumus on: 12C 98,89%; 13C 1,11%; 14C alle 0,01%.

 Elektronikuoret ja atomiorbitaalit

Jaksollisen järjestelmän alkuaineet on järjestetty atominumeroiden eli protonien lukumäärän perusteella ja neutraali alkuaine sisältää saman määrän elektroneja. Elektronit täyttävät elektronikuoret joilla on tietty kapasiteetti. Ensimmäiselle kuorelle mahtuu kaksi elektronia, toiselle kahdeksan, ja kolmannelle 18. Jalokaasuilla on ulkokuorellaan kahdeksan elektronia (oktetti), paitsi heliumilla, jolla on vain kaksi ulkokuoren elektronia. Alla on esitetty osittainen alkuaineiden jaksollinen järjestelmä, jossa on esitetty tavallisimpien orgaanisissa yhdisteissä esiintyvien alkuaineiden elektronirakenteet (opettele piirtämään taulukko ulkomuistista).

 

Osittainen alkuaineiden jaksollinen järjestelmä

 

H

1

           

He

2

Li

2,1

Be

2,2

B

2,3

C

2,4

N

2,5

O

2,6

F

2,7

Ne

2,8

Na

2,8,1

Mg

2,8,2

Al

2,8,3

Si

2,8,4

P

2,8,5

S

2,8,6

Cl

2,8,7

Ar

2,8,8

K

2,8,8,1

         

Br

2,8,18,7

Kr

2,8,18,8
           

I

2,8,18,18,7

Xe

2,8,18,18,8

 

Elektronit käsitetään aaltoliikkeeksi, jota voidaan kuvata matemaattisella funktiolla, aaltoyhtälöllä, joka määrittelee elektronien energian ja sen alueen, missä elektroni on tavattavissa. Näin saadaan elektronin tilaa kuvaava matemaattinen funktio, jota sanotaan orbitaaliksi.

 Orbitaali = alue atomiytimen ympärillä, jossa tietyn energian omaava elektroni tai elektronipari sijaitsee 90-95% ajastaan.

Orbitaalit määräytyvät kvanttilukujen perusteella ts. elektronin energia ja sitä vastaavan orbitaalin muoto määräytyvät neljän kvanttiluvun n, l, ml ja ms avulla, jotka nimetään pää‑, sivu-, magneettiseksi ja spin-kvanttiluvuksi.

 

Nimi Tunnus Kuvaus Mahdolliset arvot Esimerkkiarvo
Pääkvanttiluku n orbitaalin koko ja energia 1 ≤ n n = 1,2,3…
Sivukvanttiluku l orbitaalin muoto 0 ≤ l ≤ n -1 kun n =3
l = 0,1,2 (s, p, d)

Magneettinen kvanttiluku

 

 ml elektronien energia magneettikentässä l ≤ ml  ≤ -l kun l = 2
ml  = -2,-1, 0, 1, 2
Spinkvanttiluku ms elektronin pyöriminen akselinsa ympäri eli spin +½, -½ ainoat arvot: +½, -½

 

 

Sivukvantti- luku  l orbitaali
0 s
1 p
2 d
3 f

 

orbitaali s p d f
l 0 1 2 3
ml 0 -1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

orbitaalien

lukumäärä

 1 3 5 7

 

Elektronikonfiguraatio: alkuaineen elektronirakenne kuvataan atomiorbitaalien avulla.

Elektronikuori

(pääkvanttiluku, n)

Orbitaalit

(sivukvanttiluku, l )

elektronien lukumäärä

4

4s2 ,4p6, 4d10, 4f14

32

3

3s2, 3p6, 3d10

18

2

2s2, 2p6

8

1

1s2

2

  Atomiorbitaalit

- s-orbitaali: muodoltaan pallomainen, 1 kpl elektronikuorellaan, sis. enintään 2 elektronia.

- p-orbitaali: käsittää kaksi lohkoa, joita erottaa ytimen kautta kulkeva solmutaso, muodostavat kohtisuorassa toisiaan vastaan olevia kolmiulotteisia "kahdeksikkoja", 3 kpl elektronikuorellaan (px, py ja pz ), sis. enintään 6 elektronia.

- d-orbitaali: muodoltaan "apilamainen" (paitsi dz2), 5 kpl elektronikuorellaan (dxy, dxz, dyz, dx2-y2   ja dz2,), sis. enintään 10 elektronia.

- f-orbitaali: 7 kpl elektronikuorellaan, sis. enintään 14 elektronia. 

   

                 

                

                                s- ja p-orbitaalit

Sisällysluettelo

1. Johdanto: orgaanisten yhdisteiden rakenne ja sidokset; hapot ja emäkset

1.2 Atomien elektronikonfiguraatiot