Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012 Häkkyrä poikineen: Atomimalleista alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

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.

Aurinkokuntamalli Elektronit kiertävät atomin ydintä. Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista. Elektronien ja protonien lukumäärä on sama http://www.micromountain.com/siteassets/banimorbs.gif Elektroneilla on negatiivinen sähkövaraus ja protoneilla on positiivinen sähkövaraus. Neutroneilla ei ole sähkövarausta

Atomin järjestysluku Z ja massaluku A Mitä niillä kuvataan? Miksi järjestysluku on tärkeä tunnistaa? Mitä tarkoittavat aineen isotoopit? Atomissa protonien ja elektronien sähkövaraukset kumoavat toisensa, joten atomi on ulospäin sähköisesti neutraali. Edellä mainittujen asioiden mallintamiseen aurinkokuntamalli on riittävä, mutta sen käytössä on ongelmansa: Aurinkokuntamalli (tai planeettamalli) on ongelmallinen, koska todellisuudessa yksittäisen elektronin tarkkaa sijaintia ytimen ympärillä ei voida tuntea. Lisäksi aineilla on havaittu ominaisuuksia joita ei voida selittää yksinkertaisella aurinkokuntamallilla. Aurinkokuntamallin oppiminen saattaa haitata myöhemmin muiden atomia kuvaavien mallien omaksumista (esim. Kuorimallit 7-9-luokilla ja orbitaalimallit lukiossa).

Atomin elektronipilvimalli Elektronit kiertävät ydintä satunnaisesti eivätkä elektronit liiku määrättyjä ratoja pitkin. Ytimen ympärillä oleva elektronipilvi kuvaa elektronien todennäköistä sijaintia. Kauempana ytimestä olevilla elektroneilla on suurempi energia. Aurinkokuntamalllin voisi opetusmallina korvata hyvin elektronipilvimallilla – usein näin tehdäänkin. Perusopetuksen vuosiluokilla 5-6 atomin mallintamiseen riittää pallomalli (vrt. 2. kemian harjoitukset). http://www.edumedia-sciences.com/a66_l2-electron-distribution.html

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

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

Täydennä kloorin elektronikuorimalli. Kloorilla on 17 elektronia.

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,

Järjestetään alkuaineet järjestyslukujen mukaiseen järjestykseen: 1 H 2 He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne ... 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.

1 2 3-12 13 14 15 16 17 18 H He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg … 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

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

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? http://fi.wikipedia.org/wiki/Jaksollinen_j%C3%A4rjestelm%C3%A4 http://www.oph.fi/etalukio/opiskelumodulit/kemia/kemia3/jaksj.html

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

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

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