Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka
Kari Sormunen
Kevät 2012
Aine koostuu atomeista
›Nimitys tulee sanasta atomos = jakamaton (400 eaa,Kreikka)
Atomin kuvaamiseen käytetään atomimalleja
›Pallomalli
›Luumuvanukasmalli
›Aurinkokuntamalli
›Bohrin atomimalli
›Elektronipilvimalli jne.
•Elektronit kiertävätatomin ydintä. Atominydin koostuuprotoneista janeutroneista.Elektronien ja protonienlukumäärä on sama
•Elektroneilla on negatiivinen sähkövaraus japrotoneilla 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 sähkövarauksetkumoavat toisensa, joten atomi on ulospäin sähköisestineutraali.
Edellä mainittujen asioiden mallintamiseenaurinkokuntamalli on riittävä, mutta sen käytössä onongelmansa:
›Aurinkokuntamalli (tai planeettamalli) on ongelmallinen,koska todellisuudessa yksittäisen elektronin tarkkaa sijaintiaytimen ympärillä ei voida tuntea.
›Lisäksi aineilla on havaittu ominaisuuksia joita ei voidaselittää yksinkertaisella aurinkokuntamallilla.
›Aurinkokuntamallin oppiminen saattaa haitata myöhemminmuiden atomia kuvaavien mallien omaksumista (esim.Kuorimallit 7-9-luokilla ja orbitaalimallit lukiossa).
Elektronit kiertävät ydintä satunnaisesti eivätkäelektronit liiku määrättyjä ratoja pitkin. Ytimenympärillä oleva elektronipilvi kuvaaelektronien todennäköistä sijaintia.
Kauempana ytimestä olevilla
elektroneilla on suurempi energia.
Aurinkokuntamalllin voisi opetusmallinakorvata hyvin elektronipilvimallilla – useinnäin tehdäänkin.
Perusopetuksen vuosiluokilla 5-6atomin mallintamiseen riittää pallomalli (vrt. 2.kemian harjoitukset).
•Voidaan ajatella, että aineesta riippuen elektronitsijaitsevat eri energiatasoilla eli elektronikuorilla
–Sisin elektronikuori on K-kuori ja sinne mahtuu 2elektronia
–Seuraavana on L-kuori, johon mahtuu 8 elektronia
–M-kuori (18 elektronia) ja N-kuori (32 elektronia)
•Jos kuoret numeroidaan järjestyksessä sisimmästäalkaen (K=1, L=2…), voidaan elektronienlukumäärä (pää)kuorella laskea kaavalla 2n2,missä n on kuoren järjestysluku
•Esim. Vedyn ja natriumin elektronikuorimallit
Vedyllä on vain yksi elektroni
Natriumilla on yksitoistaelektronia
•Täydennä kloorin elektronikuorimalli. Kloorillaon 17 elektronia.
Tietyn alkuaineen atomilla on aina sama määräprotoneja ytimessä ja elektroneja kuorilla
Protonien lukumäärä kertoo alkuaineenjärjestysluvun Z
›Esimerkiksi vetyatomin ytimessä on yksi protoni jajärjestysluku on 1. Hapen (järjestysluku 8) ytimessä on 8protonia
Alkuaineille on oma tunnus, esimerkiksi vety H,helium He ja happi O. Palauta mieleesi 20ensimmäisen alkuaineen kemialliset merkit +seuraavat: rauta, kupari, sinkki, kulta ja hopea,
•Järjestetään alkuaineet järjestyslukujenmukaiseen järjestykseen:
1
H
2
He
3
Li
4
Be
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
...
•Kokeellisesti huomataan että samankaltaisetkemialliset ominaisuudet toistuvatsäännöllisesti. Katkaistaan ”alkuainejono” jalaitetaan kemiallisesti samoin käyttäytyvätaineet allekkain
–Esimerkiksi vety, litium, natrium reagoivatkiivaasti, kun taas helium ja neon eivät reagoijuuri lainkaan.
1
2
3-12
13
14
15
16
17
18
1
H
2
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 samaanryhmään
–Saman ryhmän alkuaineilla on sama määrä elektronejaulkokuorella (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 jaaktinoideissa em. säännöt eivät päde
Vaakarivejä kutsutaan jaksoiksi. Samassa jaksossaolevilla 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 neljännessäjaksossa?
Alkuaineen ominaisuudet riippuvat pitkältiulommaisen elektronikuoren elektronienlukumäärästä
Jalokaasut ovat kemiallisesti lähes täysin passiivisia.Näitä yhdistää ulommaisella kuorella olevat 8elektronia (poikkeus: helium)
›8 elektronia ulommaisella kuorella tarkoittaa että atomillaon oktetti. Se on hyvin pysyvä rakenne
Atomit voivat luovuttaa tai vastaanottaa elektronejasaadakseen oktettirakenteen
›paitsi H, Li ja Be pyrkivät toisinaan saavuttamaan He:nelektronirakenteen eli 2 elektronia K-kuorelle
Kun atomi luovuttaa vai vastaanottaa elektroneja,siitä tulee ioni
›Ionilla protonien ja elektronien lukumäärä ei ole samajoten ionilla on sähkövaraus
Ionisoitumisessa atomilla on pyrkimys oktettiin
Esimerkiksi ryhmän 17 alkuaineella fluorilla Fon 7 ulkoelektronia. Fluori vastaanottaamielellään yhden elektronin jotta uloimmallakuorella on oktetti. Tällöin fluorilla on yhdenelektronin suuruinen sähkövaraus, merkitään F-
Vastaavasti magnesium Mg ryhmästä 2 luovuttaahelposti 2 elektronia pois, jotta saaoktettirakenteen. Magnesiumille jää tällöin 2elektronin ”vaje” ja merkitään Mg2+
Positiivinen ioni, kationi, syntyy kun atomiluovuttaa elektroneja
Negatiivinen ioni, anioni, syntyy kun atomivastaanottaa elektroneja
Huom! Esimerkiksi litium ei voi saada 8ulkoelektronia, joten se pyrkii heliuminrakenteeseen, jossa on 2 ulkoelektroniaensimmäisellä kuorella
Millaisen ionin happi O muodostaa helposti?Onko se kationi vai anioni?
Entä alumiini Al?
Miksi lisää elektroneja saava ioni saanegatiivisen sähkövarauksen?