Häkkyrä poikineen: Atomimalleista alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään

1. Fysiikanjakemianperusteetjapedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012 Häkkyrä poikineen: Atomimalleista alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään

2. Atomien mallintamisen historiaa • Aine koostuu atomeista • Nimitys tulee sanasta atomos = jakamaton (400 eaa, Kreikka) • Atomin kuvaamiseen käytetään atomimalleja • Pallomalli • Luumuvanukasmalli • Aurinkokuntamalli • Bohrin atomimalli • Elektronipilvimalli jne.

3. Elektronit kiertävät atomin ydintä. Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista. Elektronien ja protonien lukumäärä on sama Aurinkokuntamalli • Elektroneilla on negatiivinen sähkövaraus ja protoneilla on positiivinen sähkövaraus. Neutroneilla ei ole sähkövarausta

4. Atominjärjestysluku Z jamassaluku A • Mitäniilläkuvataan? Miksijärjestysluku on tärkeätunnistaa? • Mitätarkoittavataineenisotoopit? • Atomissaprotonienjaelektroniensähkövarauksetkumoavattoisensa, jotenatomi on ulospäinsähköisestineutraali. • Edellämainittujenasioidenmallintamiseenaurinkokuntamalli on riittävä, muttasenkäytössä on ongelmansa: • Aurinkokuntamalli (tai planeettamalli) on ongelmallinen, koskatodellisuudessayksittäisenelektronintarkkaasijaintiaytimenympärilläeivoidatuntea. • Lisäksiaineilla on havaittuominaisuuksiajoitaeivoidaselittääyksinkertaisellaaurinkokuntamallilla. • Aurinkokuntamallinoppiminensaattaahaitatamyöhemminmuidenatomiakuvaavienmallienomaksumista (esim. Kuorimallit 7-9-luokilla jaorbitaalimallitlukiossa).

5. Elektronitkiertävätydintäsatunnaisestieivätkäelektronitliikumäärättyjäratojapitkin. Ytimenympärilläolevaelektronipilvikuvaaelektronientodennäköistäsijaintia. Kauempanaytimestäolevilla elektroneilla on suurempienergia. Aurinkokuntamalllinvoisiopetusmallinakorvatahyvinelektronipilvimallilla – useinnäintehdäänkin. Perusopetuksenvuosiluokilla 5-6atominmallintamiseenriittääpallomalli (vrt. 2. kemianharjoitukset). Atominelektronipilvimalli

6. Käytämme energiakuorimallia tällä opintojaksolla ymmärtääksemme aineiden ominaisuuksia, rakenteita ja reaktioita • Voidaan ajatella, että aineesta riippuen elektronit sijaitsevat eri energiatasoilla eli elektronikuorilla • Sisin elektronikuori on K-kuori ja sinne mahtuu 2 elektronia • Seuraavana on L-kuori, johon mahtuu 8 elektronia • M-kuori (18 elektronia) ja N-kuori (32 elektronia) • Jos kuoret numeroidaan järjestyksessä sisimmästä alkaen (K=1, L=2…), voidaan elektronien lukumäärä (pää)kuorella laskea kaavalla 2n2, missä n on kuoren järjestysluku

7. Vedyllä on vain yksi elektroni • Esim. Vedyn ja natriumin elektronikuorimallit Natriumilla on yksitoista elektronia

8. Täydennä kloorin elektronikuorimalli. Kloorilla on 17 elektronia.

9. Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä • Tietyn alkuaineen atomilla on aina sama määrä protoneja ytimessä ja elektroneja kuorilla • Protonien lukumäärä kertoo alkuaineen järjestysluvun Z • Esimerkiksi vetyatomin ytimessä on yksi protoni ja järjestysluku on 1. Hapen (järjestysluku 8) ytimessä on 8 protonia • Alkuaineille on oma tunnus, esimerkiksi vety H, helium He ja happi O. Palauta mieleesi 20 ensimmäisen alkuaineen kemialliset merkit + seuraavat: rauta, kupari, sinkki, kulta ja hopea,

10. Järjestetään alkuaineet järjestyslukujen mukaiseen järjestykseen: • Kokeellisesti huomataan että samankaltaiset kemialliset ominaisuudet toistuvat säännöllisesti. Katkaistaan ”alkuainejono” ja laitetaan kemiallisesti samoin käyttäytyvät aineet allekkain • Esimerkiksi vety, litium, natrium reagoivat kiivaasti, kun taas helium ja neon eivät reagoi juuri lainkaan.

11. Allekkain olevien alkuaineiden sanotaan kuuluvan samaan ryhmään • Saman ryhmän alkuaineilla on sama määrä elektroneja ulkokuorella (poikkeus: helium) • Jaksollinen järjestelmä: http://www.oph.fi/etalukio/opiskelumodulit/kemia/kemia3/jaksj.html

12. Pääryhmät on nimetty seuraavasti: • 1 alkalimetallit • 2 maa-alkalimetallit • (1)3 booriryhmä • (1)4 hiiliryhmä • (1)5 typpiryhmä • (1)6 happiryhmä • (1)7 halogeenit • (1)8 jalokaasut • Sivuryhmissä (3-12) sekä lantanoideissa ja aktinoideissa em. säännöt eivät päde • Vaakarivejä kutsutaan jaksoiksi. Samassa jaksossa olevilla alkuaineilla on sama määrä elektronikuoria

13. Selvitä jaksollisesta järjestelmästä: • Millä alkuaineella on uloimmalla (kolmannella) kuorella 8 elektronia? • Monta elektronikuorta on magnesiumilla Mg? • Mitä voit sanoa germaniumin Ge elektroneista? • Mikä alkuaine on toisessa ryhmässä ja neljännessä jaksossa?

14. Oktetti • Alkuaineen ominaisuudet riippuvat pitkälti ulommaisen elektronikuoren elektronien lukumäärästä • Jalokaasut ovat kemiallisesti lähes täysin passiivisia. Näitä yhdistää ulommaisella kuorella olevat 8 elektronia (poikkeus: helium) • 8 elektronia ulommaisella kuorella tarkoittaa että atomilla on oktetti. Se on hyvin pysyvä rakenne • Atomit voivat luovuttaa tai vastaanottaa elektroneja saadakseen oktettirakenteen • paitsi H, Li ja Be pyrkivät toisinaan saavuttamaan He:n elektronirakenteen eli 2 elektronia K-kuorelle

15. Kun atomi luovuttaa vai vastaanottaa elektroneja, siitä tulee ioni • Ionilla protonien ja elektronien lukumäärä ei ole sama joten ionilla on sähkövaraus • Ionisoitumisessa atomilla on pyrkimys oktettiin • Esimerkiksi ryhmän 17 alkuaineella fluorilla F on 7 ulkoelektronia. Fluori vastaanottaa mielellään yhden elektronin jotta uloimmalla kuorella on oktetti. Tällöin fluorilla on yhden elektronin suuruinen sähkövaraus, merkitään F-

16. Vastaavasti magnesium Mg ryhmästä 2 luovuttaa helposti 2 elektronia pois, jotta saa oktettirakenteen. Magnesiumille jää tällöin 2 elektronin ”vaje” ja merkitään Mg2+ • Positiivinen ioni, kationi, syntyy kun atomi luovuttaa elektroneja • Negatiivinen ioni, anioni, syntyy kun atomi vastaanottaa elektroneja • Huom! Esimerkiksi litium ei voi saada 8 ulkoelektronia, joten se pyrkii heliumin rakenteeseen, jossa on 2 ulkoelektronia ensimmäisellä kuorella

17. Pohdittavaa: • Millaisen ionin happi O muodostaa helposti? Onko se kationi vai anioni? • Entä alumiini Al? • Miksi lisää elektroneja saava ioni saa negatiivisen sähkövarauksen?