Hoofdstuk 7 Elektronenstructuur van atomen PDF

Hoofdstuk 7: De elektronenstructuur van atomen Chemie https://www.youtube.com/watch?v=ukGLH_NrFH8 Atomaire oppervlakken afbeelden illustreert één van de fundamentele principes van de kwantummechanica: precieze metingen op atomaire schaal zijn niet mogelijk! 2 Chemie en Chemische Technologie 3...

Hoofdstuk 7: De elektronenstructuur van atomen Chemie https://www.youtube.com/watch?v=ukGLH_NrFH8 Atomaire oppervlakken afbeelden illustreert één van de fundamentele principes van de kwantummechanica: precieze metingen op atomaire schaal zijn niet mogelijk! 2 Chemie en Chemische Technologie 3 Chemie en Chemische Technologie 7.1 Van klassieke fysica tot kwantumtheorie • Klassieke mechanica → wetten van Newton Goed voor macroscopische objecten, niet voor atomen en moleculen. • Aanname dat moleculen zich gedragen als terugkaatsende ballen. Natuurkunde kon niet verklaren waarom atomen in moleculen bij elkaar worden gehouden • Max Planck (1858-1947) begon een nieuw tijdperk in de natuurkunde toen hij ontdekte dat energie gekwantificeerd is (kwantumtheorie). • Om dit te begrijpen, moet je de eigenschappen van golven kennen 4 Chemie en Chemische Technologie 7.1 Van klassieke fysica tot kwantumtheorie Licht: van golf naar deeltje Frequentie is het aantal golven dat per seconde passeert door een bepaald punt (Hz = 1 cyclus/s). 5 Chemie en Chemische Technologie 7.1 Van klassieke fysica tot kwantumtheorie Licht: van golf naar deeltje Beschrijving van golven: golflengte, frequentie en amplitude Snelheid: v = golflengte x frequentie https://www.youtube.com/watch?v=KWzyQKcJBYg 6 Chemie en Chemische Technologie 7.1 Van klassieke fysica tot kwantumtheorie Elektromagnetische straling https://www.youtube.com/watch?v=zngc-i8cuYk Snelheid = c = 300000 km/s Watergolf → oscillerende watermoleculen Geluidsgolf → oscillerende luchtmoleculen Elektromagnetische golf → oscillerend elektrisch veld en magnetisch veld Elektromagnetische straling is de overdracht van energie in de vorm van elektromagnetische golven Ze verplaatsen zich met een snelheid van 3 108 m s-1 7 Chemie en Chemische Technologie 7.1 Van klassieke fysica tot kwantumtheorie Elektromagnetische straling Snelheid = c = 300000 km/s Afhankelijk van de golflengte →Verschillende types elektromagnetische straling 8 Chemie en Chemische Technologie 7.1 Van klassieke fysica tot kwantumtheorie Licht is een golf, bewezen dankzij het double slit experiment https://www.youtube.com/watch?v=Jqm4f55soJQ 9 Chemie en Chemische Technologie 7.1 Van klassieke fysica tot kwantumtheorie Licht is een golf, bewezen dankzij het double slit experiment https://www.youtube.com/watch?v=Jqm4f55soJQ 10 Chemie en Chemische Technologie 7.1 Van klassieke fysica tot kwantumtheorie Kwantum theorie van Planck https://www.youtube.com/watch?v=1wMoR2y01Nw De hoeveelheid stralingsenergie die een voorwerp bij een bepaalde temperatuur uitzendt, is afhankelijk van de golflengte 11 Chemie en Chemische Technologie 7.1 Van klassieke fysica tot kwantumtheorie Kwantum theorie van Planck Example 7.1-7.2 Planck : de energie die door atomen en moleculen wordt afgegeven of opgenomen is steeds een veelvoud van h.n h = de constante van Planck = 6.63 x 10-34 J s. n = frequentie De kleinste hoeveelheid = kwantum 𝒄 E = hn = hλ De energie is gekwantiseerd Andere voorbeelden van gekwantiseerde systemen: • betaling = veelvoud van de kleinste munt • eieren door een kip gelegd = veelvoud van 1 ei 12 Informative: https://www.youtube.com/watch?v=YtVBoH1VEXc Chemie en Chemische Technologie 7.2 Het foto-elektrisch effect Einstein gebruikte kwantisatie energie en het verschijnsel van het foto-elektrisch effect om te postuleren dat elektromagnetische straling een verzameling deeltjes is = fotonen 1 electron volt = 1.60217663 × 10-19 joules Licht heeft deeltjes- en golfeigenschappen → duaal karakter van licht Afhankelijk van het experiment wordt licht beschouwd als een golf of als een stroom van deeltjes (fotonen) E = hn = KE + W 13 KE is kinetische energie van losgeslagen eW = arbeid, maat voor hoe sterk de e- in metaal gehouden worden Chemie en Chemische Technologie 7.2 Het foto-elektrisch effect E = hn = KE + W Example 7.3 h = 6.63 x 10-34 J s WCs = 3.42 X 10-19 J a) Bereken max golflengte (min frequentie) van elektromagnetische straling die e- kan verwijderen uit metaal b) Bereken de kinetische energie van een e- dat losgeslagen werd mbv EMS van ν = 1.00 x 1015 s-1 (λ = 150 nm) 14 Chemie en Chemische Technologie 7.3 Bohr en het waterstofatoom Emissiespectra Observatie : Wanneer aan een bepaalde stof (ijzer, waterstof, kwik …) energie wordt toegevoegd dan zal deze stof elektromagnetische straling (EMS) uitzenden (bvb. licht) Men noemt dit het emissiespectrum. Emissie van EMS kan 15 - continu zijn, bvb de zon zendt alle l van het zichtbare lichtgebied uit → continu spectrum - enkel straling van specifieke l wordt uitgezonden → lijnenspectrum Chemie en Chemische Technologie 7.3 Bohr en het waterstofatoom Emissiespectrum van waterstof atoom Line Emission Spectrum of Hydrogen Atoms 16 Chemie en Chemische Technologie 7.3 Bohr en het waterstofatoom Emissiespectra Natrium lampen Emissiespectra van a) Waterstof b) Neon c) Kwik 17 Chemie en Chemische Technologie 7.3 Bohr en het waterstofatoom De energie van een elektron kan slechts welbepaalde waarden hebben: kwantisatie En = -RH ( 1 n2 ) Example 7.4 RH = Rydberg constante voor H = 2,18 x 10-18 J ΔE = Ef – Ei æ -R ö æ -R ö DE = çç 2H ÷÷ - çç 2H ÷÷ è n f ø è ni ø 18 Chemie en Chemische Technologie 7.3 Bohr en het waterstofatoom Mechanische analogie voor het emissieproces. De bal kan op de treden maar niet tussen de treden blijven liggen De reis van een lagere naar hogere trede is een energievragend proces, terwijl de beweging van een hogere naar lagere trede een energieafgevend proces is. 19 Chemie en Chemische Technologie 7.3 Chemistry in Action: Lasers Light amplification by stimulated emission of radiation Ruby laser: eerste bekende laser. Ruby = dieprood mineraal met Al2O3 waarin sommige Al3+ ionen zijn vervangen door Cr3+ ionen Een flash lamp gebruikt om chroomatomen te exciteren Geëxciteerde atomen zijn instabiel: → op bepaald moment zullen sommige terugkeren naar de grondtoestand → foton in rode gebied van spectrum uitzenden Foton weerkaatst vele malen tussen spiegels aan tegenovergestelde uiteinden van de laserbuis. Wanneer het licht voldoende intensiteit heeft, krijgen we een laser straal 20 Chemie en Chemische Technologie 7.4 Het duaal karakter van het elektron Example 7.5 Golven kunnen zich gedragen als deeltjes en deeltjes kunnen golfeigenschappen hebben (De Broglie) λ= ℎ 𝑚𝑢 l = golflengte h= constante van Planck, 6.63 x 10-34 J s m = massa bewegend deeltje u = snelheid waarmee deeltje beweegt Oefening: bereken de golflengte geassocieerd aan a) Een tennisbal van 55 g die met een snelheid van 162 km/u beweegt (2.67 x 10-34m) b) Een elektron (m = 9,1094 x 10-31 kg) dat met een snelheid van 162 km/u beweegt (1.6 x 10-5m) J = kg m / s² 21 Chemie en Chemische Technologie 7.4 Het duaal karakter van het elektron Een elektron gedraagt zich soms als een geladen massadeeltje, maar soms ook als een golf (zoals licht). Beste manier om een elektron in een atoom te beschrijven is het voor te stellen als staande golf (De Broglie) Dit maakt het mogelijk om kwantisatie te verklaren Toegelaten l → 2p r = n l n is geheel getal → r kan slechts bepaalde waarden aannemen En Eelektron hangt af van r → E is gekwantiseerd 22 Chemie en Chemische Technologie 7.4 Chemistry in Action Electronenmicroscoop Produceert beelden van voorwerpen die niet zichtbaar zijn met het blote oog of lichtmicroscopen Maakt gebruik van de golfeigenschappen van deeltjes Een licht foton valt op een elektron en wordt weerkaatst (links). Tijdens de botsing geeft het foton momentum aan het elektron. Het gereflecteerde foton kan gezien worden door een microscoop, maar het elektron is out of focus (rechts). Zijn exacte positie kan niet bepaald worden. 23 Chemie en Chemische Technologie 7.5 Kwantummechanica Onbepaalbaarheidsprincipe/onzekerheidsprincipe van Heisenberg Van elektron kunnen energie (Δp) en positie (Δx) niet tegelijkertijd met grote nauwkeurigheid bepaald worden h Δp Δx ≥ 4p Dus: omdat de energie goed gekend is (lijnspectrum) zal de positie onzeker blijven. Elektronenbanen bestaan dus niet en de Newtoniaanse mechanica schiet tekort Een licht foton valt op een elektron en wordt weerkaatst (links). Tijdens de botsing geeft het foton momentum aan het elektron. Het gereflecteerde foton kan gezien worden door een microscoop, maar het elektron is out of focus (rechts). Zijn exacte positie kan niet bepaald worden. https://www.youtube.com/watch?v=9mXJK86GCsI 24 Chemie en Chemische Technologie 7.5 Kwantummechanica De wiskundige beschrijving van de golven door Schrödinger laat toe de waarschijnlijkheid te berekenen om een elektron met een welbepaalde energie op een welbepaalde plaats aan te treffen. ψ2 = waarschijnlijkheid om e- met energie E aan te treffen op een bepaalde plaats in de ruimte (analogie met golftheorie Ilicht evenredig met ψ2) Specifieert alle mogelijke E-toestanden die het e- in een H-atoom kan bezitten; ze geeft bijhorende golffuncties (Y) weer. De E-toestanden en golffuncties worden gekarakteriseerd door een set kwantumgetallen Atomair orbitaal → golffunctie van een elektron in een atoom of (praktischer) Orbitaal is gedeelte van de ruimte rond de kern waarin men 90% kans heeft een elektron met een welbepaalde energie aan te treffen. De verschillende orbitalen worden beschreven met kwantumgetallen. 25 Chemie en Chemische Technologie 7.5 Kwantummechanica Een atomair orbitaal wordt beschreven door 3 kwantumgetallen n, l, ml 26 Chemie en Chemische Technologie 7.6 Kwantumgetallen Het hoofdkwantumgetal (n) Waarde: 1, 2, 3, 4, ……… Betekenis: geeft aan in welk energieniveau het elektron zich bevindt. Energieniveau wordt ook schil genoemd. Elektronen met hogere energie (n) → gemiddeld verder van de kern. 27 Chemie en Chemische Technologie 7.6 Kwantumgetallen Het nevenkwantumgetal (l) Waarde: 0, 1, 2,……… (n-1) Betekenis: geeft aan in welk soort orbitaal (vorm) het elektron zich bevindt. l=0 l=1 l=2 l=3 s-orbitaal p-orbitaal d-orbitaal f-orbitaal verder: alfabet 28 Chemie en Chemische Technologie 7.6 Kwantumgetallen Het magnetisch kwantumgetal (ml ) Example 7.7 Waarde: -l,….-1,0,1,….+l Betekenis: Geeft ruimtelijke oriëntering weer Van een bepaalde orbitaalsoort kunnen meerdere exemplaren voorkomen. Voorbeeld: stel l = 2, dit komt overeen met een d-orbitaal dan: ml = -2, -1, 0, 1, of 2 ---> 5 d-orbitalen 29 Chemie en Chemische Technologie 7.7 Atomaire orbitalen 30 Chemie en Chemische Technologie 7.7 Atomaire orbitalen s orbitalen De waarschijnlijkheidsverdeling van een 1s orbitaal van het H-atoom 31 Chemie en Chemische Technologie 7.7 Atomaire orbitalen s orbitalen l = 0 (s orbitalen) 32 Chemie en Chemische Technologie 7.7 Atomaire orbitalen p orbitalen l = 1 (p orbitalen) 33 Chemie en Chemische Technologie 7.7 Atomaire orbitalen d orbitalen l = 2 (d orbitalen) 34 Chemie en Chemische Technologie 7.7 Atomaire orbitalen De energie van orbitalen In waterstof (1 elektron) wordt de energie enkel bepaald door n Energietoename in waterstofatoom: 1s < 2s = 2p < 3s = 3p = 3d < 4s = 4p = 4d = 4f < … In poly elektronische atomen wordt de energie van de orbitalen bepaald volgens de n + l regel 35 Chemie en Chemische Technologie 7.7 Atomaire orbitalen De energie van orbitalen 36 Chemie en Chemische Technologie 7.8 Elektronenconfiguratie In welke orbitalen bevinden de elektronen van dit deeltje zich Methode voor het opstellen van de elektronenconfiguratie = AUFBAU principe (7.9) De orbitalen worden opgevuld beginnend bij de laagste energie gebruik makend van regels. Schrijfwijze: 37 1s1 betekent 1 elektron in het 1s orbitaal Chemie en Chemische Technologie 7.6 Kwantumgetallen Het spin kwantumgetal (ms) Voor volledige beschrijving van gedrag van elektronen is nog een vierde quantumgetal nodig. Waarde: -1/2 of +1/2 38 Voorstelling: Example 7.10 en Chemie en Chemische Technologie 7.8 Elektronenconfiguratie Het exclusieprincipe van Pauli / het verbod van Pauli In een atoom kunnen geen twee elektronen voorkomen die dezelfde waarden hebben voor de vier quantumgetallen. Of: In een orbitaal kunnen slechts twee elektronen geplaatst worden en die moeten dan een verschillende waarde hebben voor ms verboden toestand 39 Chemie en Chemische Technologie 7.8 Elektronenconfiguratie Regel van Hund De meest stabiele verdeling van elektronen in een subschil is die met zoveel mogelijk ongepaarde elektronen met dezelfde spin Grondtoestand 40 Aangeslagen toestand (niet verboden) Chemie en Chemische Technologie 7.9 Het Aufbau principe Wanneer protonen één voor één worden toegevoegd aan de kern om elementen op te bouwen, worden tegelijkertijd elektronen toegevoegd aan de atomaire orbitalen. De laagst energetische atomaire orbitalen worden hierbij eerst opgevuld. Hydrogen Helium Lithium Beryllium 41 H He Li Be 1s1 1s 2s 1s 2s 1s 2s 1s2 1s22s1 1s22s2 Chemie en Chemische Technologie 7.9 Het Aufbau principe 42 Chemie en Chemische Technologie 7.9 Het Aufbau principe Verkorte schrijfwijze van elektronenconfiguraties. 43 Chemie en Chemische Technologie 7.9 Het Aufbau principe Wat komt na Argon? Argon = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Na 3p komt niet 3d maar 4s (n+l regel) Dus: Kalium = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 Calcium = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 Pas vanaf Sc worden de 3d-orbitalen opgevuld 44 Chemie en Chemische Technologie 7.9 Het Aufbau principe 45 Chemie en Chemische Technologie 7.9 Het Aufbau principe 46 Chemie en Chemische Technologie 7.9 Het Aufbau principe Oorworm alarm! https://www.youtube .com/watch?v=Vb6k AxwSWgU 47 Chemie en Chemische Technologie