Vi har set, at protoner og neutroner er indeholdt i den lille, tætte kerne på et atom. Det er imidlertid elektronerne i atomet, der bestemmer de fysiske og kemiske egenskaber for grundstoffet. Vi vil derfor nu kigge på konfigurationen af elektronerne i det store volumen af plads, der omkranser kernen.
Der er en grænse for antallet af elektroner, der er tilladt på de forskellige energiniveauer. Kun få elektroner kan befinde sig på de lave energiniveauer, mens der er plads til flere elektroner i de højere energiniveauer. Det maksimale antal elektroner der kan være på et energiniveau, beregnes ved at bruge formlen (2 gange hovedkvantetallet i anden potens). Tabel 5.1 viser det maksimale antal tilladte elektroner på de første fire energiniveauer.
Underniveauer
Inden for hvert energiniveau, har s underniveauet den laveste energi. Hvis der er flere underniveauer, har p underniveauet det næst laveste energiniveau, så kommer d underniveauet, og til sidst f underniveauet.
Konceptforståelse 5.3 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energiniveauer og underniveauerFærdiggør følgende tabel med energiniveauer:
SvarAntallet af underniveauer, er lig med hovedkvantetallet, n. De ledige underniveauer begynder med den laveste energi s, efterfulgt af p, d, og f. For n = 1 energiniveauet, er der kun et underniveau, 1s. For n = 2 energiniveauet, er der to underniveauer, 2s og 2p. For n = 3, er der tre underniveauer, 3s, 3p, og 3d. For n = 4, er der fire underniveauer, 4s, 4p, 4d, og 4f.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Orbitaler
Der er ikke nogen måde, hvorpå man kan kende en elektrons eksakte placering i et atom. I stedet beskriver videnskabsfolkene en elektrons placering i form af sandsynlighed. En orbital, er et tredimensionelt volumen, i hvilket der er den største sandsynlighed for at finde elektronerne.
Som en analogi, forestil dig at du kunne tegne en cirkel med en 100 meter radius omkring dit kemilokale. Der er en stor sandsynlighed for, at vi kan finde dig inden for denne cirkel, når du er i gang med en kemitime. Engang imellem, kan du dog være uden for denne cirkel, fordi du var syg, eller det er weekend.
Orbitalernes former
Hver type af orbital, har en unik tredimensionel form. Elektroner i en s orbital, er mest sandsynlige at finde i et område, som har en kugleform. Forestil dig, at du tager et billede af en elektrons position i en s orbital, hvert sekund over en time. Når alle disse billeder lægges sammen, ville resultatet, kaldet sandsynlighedstæthed, ligne elektronskyen vist i figur 5.6a. For nemheds skyld, tegner vi denne elektronsky som en kugle, kaldet en s orbital. Der er en s orbital for hvert energiniveau, startende med n = 1. For eksempel i det første, anden og tredje energiniveau, findes der s orbitaler angives som 1s, 2s, og 3s. Som hovedkvantetallet stiger, er der en stigning i størrelsen på s orbitalerne, selvom formen forbliver den samme (se figur 5.6b).
Orbitalerne besat af p, d, og f elektroner, har tredimensionelle former, der er forskellig fra dem for s elektroner. Der er tre p orbitaler, startende med n = 2. Hver p orbital har to lapper, som en ballon der er snoet sammen på midten. De tre p orbitaler er arrangeret i tre vinkelrette retninger, langs med x, y, og z akserne, omkring kernen (se figur 5.7). Som med s orbitaler, forbliver formen på p orbitaler den samme, men volumen af dem stiger ved højere energiniveauer.
Som opsummering, består energiniveauet n = 2 af 2s og 2p underniveauer, som består af en s orbital og tre p orbitaler.
Energiniveau n = 3, består af tre underniveauer s, p, og d. d underniveauet indeholder fem d orbitaler (se figur 5.8).
Energiniveau n = 4, består af fire underniveauer s, p, d, og f. I f underniveauet, er der syv f orbitaler. Formerne på f orbitaler er meget komplekse, så de er ikke inkluderet i denne tekst.
Opgaveeksempel 5.3 |
Energiniveauer, underniveauer, og orbitalerAngiv type og antal af orbitaler i hver af de følgende energiniveauer eller underniveauer: a. 3p underniveau b. n = 2 c. n = 3 d. 4d underniveau Løsning
a. 2p underniveauet indeholder 3p orbitaler |
Orbitalkapacitet og elektronspin
Paulis eksklusionsprincip fastslår, at hver orbital maksimalt kan indeholde to elektroner. Ifølge en brugbar model for elektronopførsel, ses en elektron som spinnende om dens akse, hvilket genererer et magnetfelt. Når to elektroner befinder sig i samme orbital, vil de frastøde hinanden, med mindre deres magnetfelter udlignes. Dette sker kun, når de to elektroner spinner i modsat retning. Vi kan repræsentere elektronernes spin i samme orbital, som en pil der peger op og en pil der peger ned:
Antal elektroner i underniveauer
Der er et maksimalt antal elektroner, som kan besætte hvert underniveau. Et s underniveau indeholder 1 eller 2 elektroner. Fordi hver p orbital kan indeholde op til 2 elektroner, kan de tre p orbitaler i et p underniveau, indeholde 6 elektroner. Et d underniveau med fem d orbitaler, kan maksimalt indeholde 10 elektroner. Med syv f orbitaler, kan et f underniveau indeholde op til 14 elektroner.
Som tidligere nævnt, vil højere energiniveauer, som for eksempel n = 5, 6, og 7, have 5, 6, og 7 underniveauer, men disse underniveauer ud over f, bruges ikke af nogle atomer fra grundstoffer, der er kendt i dag. Det totale antal elektroner i alle underniveauerne, giver samlet det antal elektroner der er tilladt i et energiniveau. Antallet af underniveauer, antallet af orbitaler og det maksimale antal elektroner for energiniveau 1 til 4, er vist i tabel 5.2.
