Häkkyrä poikineen : Atomimalleista alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään

1. Fysiikanjakemianperusteetjapedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2014 Häkkyräpoikineen: Atomimalleistaalkuaineidenjaksolliseenjärjestelmään

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. Atomissaprotonienjaelektroniensähkövaraustenmäärätkumoavattoisensa, 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. 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 kuorelle maksimissaan mahtuvien elektronien lukumäärä (pää)kuorella laskea kaavalla 2n2, missä n on kuoren järjestysluku. On kuitenkin huomattava, että ns. oktettisääntö ”ei salli” uloimmalle kuorelle maksimissaan kuin 8 elektronia.

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

8. Täydennä kloorin elektronikuorimalli. Kloorilla on 17 elektronia.

9. Alkuaine ja isotoopit; merkintöjä • Alkuaine koostuu vain yhdenlaisista atomeista; alkuaineen atomeilla on aina sama määrä protoneja ytimessään. • 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. • Protonien lukumäärä kertoo alkuaineen järjestysluvun Z, joka ilmaisee luonnollisesti myös elektronien määrän atomissa. • Esimerkiksi vetyatomin ytimessä on yksi protoni ja järjestysluku on 1. Hapen (järjestysluku 8) ytimessä on 8 protonia. • Järjestysluku merkitään kemiallisen merkin vasempaan alakulmaan. • Atomin massaluku (A) kertoo, kuinka monta ydinhiukkasta eli protonia ja neutronia atomilla on yhteensä. Se merkitään kemiallisen merkin vasempaan yläkulmaan. • Tietyillä alkuaineella voi olla ytimessään eri määrät neutroneja. Näitä muotoja kutsutaan alkuaineen isotoopeiksi: kyseessä on sama alkuaine (protoneja yhtä monta), mutta neutronien määrä on eri. Esimerkiksi vedyllä on kolme isotooppia 1H, 2H ja 3H. • Mikä on seuraavien alkuaineatomien rakenne?

10. Jos järjestetään alkuaineet järjestyslukujen mukaiseen järjestykseen, saadaan seuraavaa: Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä • Kokeellisesti on huomattu, että samankaltaiset kemialliset ominaisuudet toistuvat säännöllisesti. ”Alkuainejono” on katkaistu ja kemiallisesti samoin käyttäytyvät aineet on laitettu 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) • Vaakarivejä kutsutaan jaksoiksi. • Samassa jaksossa olevilla alkuaineilla on sama määrä elektronikuoria • Eräs 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 sn. lantanoideissa ja aktinoideissa em. säännöt eivät päde • Selvitä jaksollisesta järjestelmästä: • Millä alkuaineella on uloimmalla (kolmannella) kuorella 8 elektronia? • Kuinka monta elektronikuorta on magnesiumilla Mg? • Mitä voit sanoa germaniuminGe elektroneista? • Mikä alkuaine on toisessa ryhmässä ja neljännessä jaksossa?

13. 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

14. Ionit • 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-. • 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.

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