Embed Size (px)
Citation preview
KE02: Kemins mikrovärld
Bedömning
● Prov: 80%
● Inlämningsuppgifter: 20%
Period 1: KE02 Kemins mikrovärldPeriod 3: KE04 Metaller och material
(KE05 Reaktioner och jämvikt)Period 5: KE06 Labbkurs
Nästa år: KE05 Reaktioner och jämvikt KE07 Repetitionskurs
Grunderna för gymnasiets läroplan 2003: Kursens mål är att de studerande skall
• känna till sambanden mellan ämnenas struktur och deras egenskaper
• kunna utnyttja kemiska formler, tabeller och system för att klarlägga egenskaper hos kemiska föreningar
• förstå organiska föreningars strukturer och känna till metoder som används för att bestämma dem
• med hjälp av olika experiment och modeller kunna undersöka fenomen som hör samman med ämnenas strukturer, egenskaper och reaktioner.
CENTRALT INNEHÅLL• grundämnenas egenskaper och det periodiska systemet
• elektronhöljets strukturer och atomorbitaler
• bestämning av oxidationstal och föreningsformler
• kemisk bindning, bindningsenergi och kemiska ämnens egenskaper
• hybridisering av atomorbitaler och organiska föreningars bindnings- och rymdstrukturer
• isomeri
Kursens innehåll
● Atomens struktur, Periodiska systemet● Elektronernas energi● Starka bindningar, hybridisering● Svaga bindningar
Labb: Bestämning av antalet kristallvattenmolekyler i kopparsulfat
● Organisk kemi: isomeri
● Enligt nutida uppfattning består atomerna av protoner, elektroner och neutroner.
● Protonerna och neutronerna är uppbyggda av två slags kvarkar. Elektronerna hör till leptonerna.
1.1 Atomens struktur
● De negativt laddade elektronerna dras p.g.a elektrisk växelverkan till de positivt laddade protonerna.
● Den elektriska laddningen hos varje proton och varje elektron är lika stark.
● I grundtillståndet har en atom alltid lika många protoner och elektroner = NEUTRAL.
● Atomnumret (Z): antalet protoner i atomens kärna
● Masstalet (A) = det sammanlagda antalet protoner och neutroner
● Alla atomer som har samma antal protoner i kärnan är ett och samma grundämne.
● 98 grundämnen förekommer naturligt,118 har identifierats (nov 2011).
Grundämne
Isotop
● Atomer av samma grundämne, som har olika antal neutroner i kärnan.
• Isotoper har: - Samma antal protoner = samma atomnummer (Z) - Olika antal neutroner, alltså olika masstal (A)
•
Relativ atommassa, Ar
● Eftersom en enskild atom har en så liten massa, använder man sig av en relativ atommassa där C-12 isotopen givits det exakta värdet 12.
● Grundämnenas relativa atommassor är vägda medeltal av de relativa atommassorna för grundämnets naturligt förekommande isotoper.
Ex. Neon förekommer i naturen som tre isotoper med de relativa atommassorna 19,992, 20,994 och 21,991. Motsvarande procentuella andelar är 90,92%, 0,26% och 8,82%. Räkna ut tabellvärdet, dvs. den relativa atommassan för grundämnet neon.
1.3 Periodiska systemet• Atomerna är placerade enligt stigande
atomnummer (Z ) = antal protoner = antal elektroner
• Perioden (vågrätt) anger antalet elektronskal hos atomen
• Gruppen (lodrätt) anger antalet ytterelektroner. Grundämnen i samma grupp har liknande kemiska egenskaper.
http://periodictable.com/
http://www.rsc.org/periodic-table/ http://education.jlab.org/itselemental/
Huvudgrupperna
• Grupp 1. Alkalimetaller: en ytterelektron, ytterst reaktiva• Grupp 2. Jordalkalimetaller: 2 ytterelektroner, reaktiva• Grupp 17. Halogenerna, 7 ytterlektroner.• Grupp 18: Ädelgaserna, oktett, reagerar ytterst ogärna.
Atomradie
● Atomradien minskar mot höger, eftersom antalet
protoner (Z) och elektroner växer och den ökande
elektriska dragningskraften drar elektronerna närmare
kärnan.
● Atomradien växer neråt, eftersom antalet elektronskal
ökar.
Joners storlek
● I de positivt laddade katjonerna har kärnan oförändrat antal protoner de färre elektornerna dras starkare till
kärnan→radien blir mindre
● De negativt laddade anjonerna har flera elektroner än protoner och dessa dras sämre till kärnan → radien blir större
Elektronegativitet (kurs 1)
● Ju större elektronegativitet, desto starkare drar grundämnets atomer till sig elektronerna i en bindning.
● Fluor är det mest elektronegativa grundämnet och har värdet 4,0. De övriga grundämnenas värden har erhållits genom att jämföra dem med fluor.
• Enligt Bohr´s atommodell är elektronerna partiklar som kretsar kring kärnan i banor på bestämda energinivåer.
• Endast väteatomens struktur och egenskaper kan förklaras med denna modell.
http://www.youtube.com/watch?v=ofp-OHIq6Wo
1.2 Elektronernas energi
• Enligt den kvantmekaniska atommodellen har elektronen både partikel- och vågegenskaper. (de Broglie)
• Det är endast möjligt att beräkna sannolikheten för att en elektron är på ett bestämt område i rymden ett visst ögonblick. (Heisenbergs osäkerhetsprincip)
• Schrödingers vågekvation:
https://en.wikipedia.org/wiki/Schr%C3%B6dinger_equation
• Elektronerna i en atom kan ha bara vissa bestämda mängder energi = energin är kvantiserad.
• Elektronerna i en atom finns på bestämda energinivåer som beskrivs med hjälp av fyra olika kvanttal.
• Huvudkvanttalet, n: elektronens energi och avstånd från kärnan. n= 1, 2, 3, osv.
• Bikvanttalet, l: beskriver formen på det område i rymden där en elektron med största sannolikhet kan påträffas. Dehär tredimensionella områdena kallas orbitaler. l= 0,1,2,3 eller alternativt s,p,d,f.
• Magnetiska kvanttalet, m: orbitalens riktning i förhållende till atomens andra orbitaler med lika stor energi. T.ex. m = px, py, pz
• Spinnkvanttalet, s: riktningen på elektronernas rotation kring sin axel, antingen medurs eller moturs. s= +1/2 eller -1/2, alternativt ↑↓.
Atomorbitalernas energinivåer
Elektronkonfigurationen för ett grundämne
• Då man använder den kvantmekaniska atommodellen för att avbilda en atom, måste varje elektron beskrivas med hjälp av de fyra kvanttalen.
• Elektronernas placering i de olika orbitalerna beskrivs med hjälp av den s.k. Uppbyggnadsprincipen.
Uppbyggnadsprincipen1. Minimienergiprincipen: Elektronerna placeras i orbitalerna
enligt ökande energi, så att de med lägsta energin fylls upp först.
2. Pauliprincipen: Varje elektron i en atom har en egen kombination av de fyra kvanttalen Varje orbital kan innehålla högst två elektroner (och de har då motsatt spinn).
3. Hunds regel: Elektronerna fyller upp orbitaler med samma energiinehåll, t.ex. px, py, pz , så att så många elektroner som möjligt är opariga (= de har parallella spin).
1s
Bestäm elektronkonfigurationen för grundämnet aluminium.
• Al (Z = 13) is 1s22s22p63s23p1 or [Ne]3s23p1
Ex. Bestäm elektronkonfigurationen för grundämnet kalium/ zink.
● De orbitaler som är tomma, till hälften fyllda eller helt fyllda är stabilare och energetiskt fördelaktigare.
● Ex. Bestäm elektronkonfigurationen för krom och koppar.
Undantag
Cr Cu
● Övergångselementen kan inte uppnå ädelgaskonfiguration, men ger vanligtvis först bort sina yttersta s- elektroner och därefter d-elektroner.
Ex. Bestäm elektronkonfigurationen för zinkjonen, Zn2+
Zn 2+
● Grundämnenas periodiska system kan indelas i block beroende på hur orbitalerna fylls upp.
Elektronaffinitet
● Den energi som frigörs eller binds då en atom i gasfas får en extra elektron.
● T.ex. F (g) + e- → F- (g)
● Ju negativare elektronaffinitet, desto lättare bildar grundämnets atomer negativa joner.
Jonisationsenergi● Den minsta energimängd som förmår lösgöra den yttersta elektronen i
en atom i gasfas (ger en bild av hur starkt eller svagt en atom binder elektronen till sig)
http://www.youtube.com/watch?v=uixxJtJPVXk
Excitering
● En elektron kan flyttas från grundenerginivån
till en högre energinivå ifall tillräckligt med
energi tillförs = den exciteras.
● Detta läge är instabilt och då elektronen faller tillbaka till den ursprungliga grundnivån, avges den energimängd som upptogs vid exciteringen i form av elektromagnetisk strålning (t.ex UV eller synligt ljus).
Demo: Lågreaktion
● K+ 410 nm 4.8 x 10-19J● Pb2+ 440 nm● Cu2+ 490 nm 4.1 x 10-19J● Ba2+ 554 nm● Na+ 580 nm 3.4 x 10-19J● Ca2+ 600 nm 3.3 x 10-19J● Sr2+ 650 nm 3.1 x 10-19J● Li+ 650 nm 3.1 x 10-19J
Sammanfattning av trender i det periodiska systemet
Formler
● Empirisk formel
● Molekylformel
● Fullständig strukturformel
● Förenklad strukturformel
● Skelettformel (streckformel)
● Molekylmodell
● Tredimensionell strukturformel
● Den empiriska formeln anger förhållandet i enkla heltal mellan de grundämnen som ingår i en förening.
● T.ex. C6H
12O
6
● Förhållandet mellan substansmängderna C:H:O är
● Föreningens empiriska formel är då
1.4 Empiriska formeln (proportionsformeln)
● För att kunna skriva en förenings kemiska formel bör man veta vilka grundämnen den består av och i vilket förhållande.
● En förenings kemiska sammansättning kan bestämmas på experimentell väg genom förbränning.
● De grundämnen som ingår i föreningen reagerar med luftens syre och bildar oxider. Reaktionsprodukternas massor fastställs.
● Demo: Empiriska formeln för magnesiumoxid.
● Då man undersöker en förening tar man ofta först reda på den procentuella sammansättning av de grundämnen som ingår i den.
Grundämnets andel i massprocent = grundämnets atommassa x 100%
föreningens molmassa
● Ex.
Den procentuella sammansättningen av ett ämne konstaterades vara: 59,96 mass-% kol, 13.42 mass-% väte, 26.62 mass-% syre. Beräknar föreningens empiriska formel.
Massprocent
Förbränningsanalys
● Vanligaste metoden för att bestämma samman-sättningen hos en förening som består av kol, väte och syre.
● Kolet förbränns till koldioxid och vätet till vatten. Mängderna kan sedan bestämmas med en gaskromatograf.
● Ex. (Kemisten s. 113) Då man förbrände 1,453 g av en förening som innehöll endast kol och väte och möjligen syre, bildades 1,742 g vatten och 3,192 g koldioxid. Vilken var föreningens empiriska formel?
https://www.youtube.com/watch?v=q0pM-k0SvOQ
Masspektrometri
● Ex. En förening innehåller 12.79 mass-% kol, 2.15 mass-% väte samt 85.06 mass-% brom. Dess molmassa bestämdes med masspektrometer till 187,9 g/mol. Bestäm föreningens a) empiriska formel och b) molekylformel.
Då en syra med molmassan 194.13 g/mol analyserades, konstaterades den innehålla 0.25 g väte, 8.0 g svavel och 16.0 g syre. Bestäm föreningens empiriska formel och molekylformel.
