Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet Käsiteltävät aiheet: Mikä aikaansaa sidokset? Mitä eri sidostyyppejä on? Mitkä ominaisuudet määräytyvät sidosten kautta?

Atomirakenne Atomi – elektroneja– 9,11 x 10-31 kg  protoneja neutroneja Järjestysluku (Z) = protonien lukumäärä atomin ytimessä (= elektronien lkm, kun atomi on neutraali) A = atomimassayksikkö (u) =1/12 12C-atomin massasta   Atomimassa/molekyylimassa = 6,023 x 1023 molekyylin tai atomin paino   1 u/atomi = 1g/mol C 12,011 H 1,008 jne. } 1,67 x 10-27 kg

Atomirakenne Valenssielektronit määräävät seuraavat ominaisuudet kemialliset sähköiset termiset optiset

Elektronit Elektronit käyttäytyvät sekä aaltomaisesti, että hiukkasmaisesti näin ollen elektronit sijaitsevat orbitaaleilla, jotka määräytyvät todennäköisyyden perusteella. jokaisella orbitaalilla on erillinen energiatasonsa, joka määräytyy kvanttiluvun perusteella.   kvanttiluku tunnus n = energiataso – kuori K, L, M, N, O (1, 2, 3, jne.) l = orbitaalit s, p, d, f (0, 1, 2, 3,…, n -1) ml = magneettinen 1, 3, 5, 7 (-l to +l) ms = spin ½, -½

Elektronin energiatilat Elektroneilla on… Erilliset energiatilat Pyrkimys matalimpaan mahdolliseen energiatilaan 1s 2s 2p K-kuori n = 1 L-kuori n = 2 3s 3p M-kuori n = 3 3d 4s 4p 4d Energia N-kuori n = 4 Fig. 2.4, Callister 7e.

Elektronijärjestys • Valtaosalla alkuaineista elektronijärjestys on epästabiili Elektronijärjestys (stabiili) ... 1s 2 2s 2p 6 3s 3p 3d 10 4s 4p Z 18 36 Alkuaine 1 Vety Helium 3 Litium 4 Beryllium 5 Boori Hiili Neon 11 Natrium 12 Magnesium 13 Alumiini Argon Krypton Table 2.2, Callister 7e. • Miksi? valenssi(ulko)kuori ei ole täytetty kokonaan

Elektronijärjestys Valenssielektronit sijaitsevat vajailla elektronikuorilla Täydet kuoret ovat stabiilempia Valenssielektronit muodostavat helpoiten sidoksia ja siten vaikuttavat merkittävästi kemiallisiin ominaisuuksiin esimerkki: C (järjestysluku = 6) 1s2 2s2 2p2 valenssielektronit

Elektronijärjestys 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d 6 4s2 esim: Fe Z = 26 4d valenssi- elektronit esim: Fe Z = 26 1s 2s 2p K-kuori n = 1 L-kuori n = 2 3s 3p M-kuori n = 3 3d 4s 4p 4d Energia N-kuori n = 4 Fig. 2.4, Callister 7e.

Jaksollinen järjestelmä • Sarakkeet: samankaltainen valenssirakenne luovuttaa1e luovuttaa 2e luovuttaa 3e jalokaasut kaappaa 1e kaappaa 2e O Se Te Po At I Br He Ne Ar Kr Xe Rn F Cl S Li Be H Na Mg Ba Cs Ra Fr Ca K Sc Sr Rb Y Fig. 2.6, Callister 7e. elektropositiiviset aineet: Luopuvat helposti elektroneista, tullakseen positiivisiksi ioneiksi elektronegatiiviset aineet: Vastaanottavat helposti elektroneja tullakseen negatiivisiksi ioneiksi

Elektronegatiivisuus Vaihtelee 0,7 ja 4,0 välillä Suurempi arvo: taipumus kaapata elektroneja Pienempi elektronegatiivisuus Suurempi elektronegatiivisuus Fig. 2.7, Callister 7e. (Fig. 2.7 Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University.

Ionisidos – metalli + epämetalli luovuttaa kaappaa elektroneja elektroneja   Erisuuret elektronegatiivisuudet esim: MgO Mg 1s2 2s2 2p6 3s2 O 1s2 2s2 2p4 [Ne] 3s2  Mg2+ 1s2 2s2 2p6 O2- 1s2 2s2 2p6 [Ne] [Ne]

Ionisidos - + Esiintyy positiivisten ja negatiivisten ionien välillä Vaatii elektronien vaihtoa Vaatii suuren elektronegatiivisuuseron Esimerkki: NaCl Na (metalli) epästabiili Cl (epämetalli) elektroni + - Coulombinen voima Na (kationi) stabiili Cl (anioni)

Ionisidos Energia – pienin energia stabiilein r A B EN = EA + ER = energiatasapaino veto- ja hylkimisvoimien välillä r A n B EN = EA + ER = - Vetoenergia EA Nettoenergia EN Hylkimisenergia ER Atomien välinen etäisyys r Fig. 2.8(b), Callister 7e.

Esimerkkejä ionisidoksista • Hallitseva sidos keraameissa NaCl MgO luovuttavat elektroneja kaappaavat elektroneja CaF 2 CsCl Fig. 2.7, Callister 7e. (Fig. 2.7 Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University.

Kovalenttinen sidos Samanlainen elektronegatiivisuus: jakaa elektronit Valenssi määrää sidoksen – s ja p orbitaalit dominoivat sidoksessa Esimerkki: CH4 jaetut elektronit hiiliatomilta vetyatomeilta H C CH 4 C: 4 valenssi e-, tarvitsee 4 lisää H: 1 valenssi e-, tarvitsee 1 lisää Elektronegatiivisuuden arvot ovat lähellä toisiaan Fig. 2.10, Callister 7e.

Vahvat sidokset Metallisidos - vapaat elektronit elektronipilvessä Ionikovalenttinen yhdistelmä ionityyppi % =   jossa XA & XB ovat Paulingin elektronegatiivisuuksia %) 100 ( x Esim: MgO XMg = 1,3 XO = 3,5

Heikot sidokset + - Syntyvät dipolien vuorovaikutuksesta Vaihtuvat dipolit epäsymmetriset elektronipilvet + - heikko sidos H H2 nestemäinen H2 Fig. 2.13, Callister 7e. • Pysyvät dipoli-molekyylit + - yleinen tapaus: heikko sidos Fig. 2.14, Callister 7e. Cl Cl esim: neste HCl heikko sidos H H heikko sidos esim: polymeeri

Yhteenveto: sidokset Tyyppi Sidosenergia Kommentteja ionisidos suuri! epäsuuntautunut (keraamit) kovalenttinen vaihteleva suuntautunut (puolijohteet, keraamit polymeeriketjut) suuri - timantti pieni - vismutti metallisidos vaihteleva epäsuuntautunut (metallit) suuri - volframi pieni - elohopea heikot sidokset pienin suuntautunut polymeeriketjujen väliset molekyylien väliset

Sidoksista seuraavat ominaisuudet: Tm • Sidoksen pituus, r • Sulamislämpötila, Tm r o Energia r • Sidosenergia, Eo Eo = “sidosenergia” Energia r o lepopituus pienempi Tm suurempi Tm Tm on suurempi, kun Eo on suurempi

Sidoksista seuraavat ominaisuudet: a • Lämpölaajenemiskerroin, a lämpölaajenemiskerroin D L pituus, o alkutilanne, T1 kuuma, T2 D L = a ( T - T ) 2 1 L o • a ~ symmetria ro:ssa r o suurempi a pienempi a Energia lepopituus Eo a on suurempi, kun Eo on pienempi

Yhteenveto: vahvat sidokset Keraamit Suuri sidosenergia suuri Tm suuri E pieni a (ioni- & kovalenttiset sidokset) Metallit Vaihteleva sidosenergia keskisuuri Tm keskisuuri E keskisuuri a (metallisidokset) Polymeerit Suuntautuneet ominaisuudet heikot sidokset hallitsevina pieni Tm pieni E suuri a (kovalenttiset ja heikot sidokset) heikko sidos

Tiedotettavaa Luettavaa: Tärkeää: Itseopiskeltavaa: