CHEMIE: STRUCTUUR EN
TRANSFORMATIES VAN DE
MATERIE
Ingenieurswetenschappen: Architectuur (1Ba)
Ingenieurswetenschappen (1Ba)
HOOFDSTUK 8:
ELEKTRONENCONFIGURATIE VAN
ATOMEN
HOOFDSTUK 9: DE CHEMISCHE BINDING
Zarah Van Schoor
VUB | 2017
,CHEMIE: STRUCTUUR EN
TRANSFORMATIES VAN DE
MATERIE
HOOFDSTUK 8: DE
ELEKTRONENCONFIGURATIE VAN
ATOMEN
Ingenieurswetenschappen: Architectuur (1Ba)
Ingenieurswetenschappen (1Ba)
Zarah Van Schoor
VUB | 2017
, De elektronenconfiguratie van atomen
Inhoud
Inhoud ..................................................................................................................................................................... 1
Inleiding .................................................................................................................................................................. 2
Ionisatie-energie van atomen ................................................................................................................................. 2
Interactie elektromagnetische golf-materie ........................................................................................................... 3
Dualiteit deeltje-golf in de materie......................................................................................................................... 5
Atoomorbitalen en elektronenconfiguratie in meerelektron atomen ................................................................... 8
Atoomstralen ........................................................................................................................................................ 16
Referenties............................................................................................................................................................ 17
1
, De elektronenconfiguratie van atomen
Elektronenconfiguratie
Inleiding
Atoom à basisbouwsteen, kleinst ondeelbare structuureenheid van de materie
positieve kern + negatieve elektronenwolk = elektrisch
ongeladen
Chemische reactie à herverdeling valentie-elektronen
à tussen atomen
Vrije atomen:
à zeer weinig stoffen bestaan onder standaardvoorwaarden
(25°C, 1 Atm) uit vrije atomen
à edelgassen en kwik
à kan bekomen worden in gasfase door moleculen op te
breken met hoge energie inbreng à atomiseringsenergie
Chemische bindingen bestaan uit elektronenparen afkomstig van de valentie-elektronen.
Ionisatie-energie van atomen
Ionisatie-energie I à Minimum energie nodig om een elektron uit de grondtoestand van
à het atoom of ion, geïsoleerd in gasfase, tot eindig hoge afstand uit
à te stoten
à Levert informatie over hoe de elektronen verdeeld zijn rond de kern
à van een atoom à elektronenconfiguratie
I1 < I2 < I3 < I4 < … à Stijgende lading van het overgebleven ion, dat een almaar sterkere
à elektrische aantrekkingskracht uitoefent op de nog verder ui te
à stoten elektronen
|ionisatie-energie| = |bindingsenergie|
Edelgassen hebben hoogste IE à chemisch inert
Bij overgangselementen zijn er uitzonderingen
à buitenschil elektronen steeds verder
verwijderd van kern, elektrostatische
aantrekkingskracht neemt af
Regelmatige toename ionisatie-energie
à sprongen à verandering van schil à elektrostatisch
interactie tussen elektronen verschilt sterk van schil tot schil
à buitenschil elektronen zijn makkelijker uit te stoten dan binnenschil elektronen
2
, De elektronenconfiguratie van atomen
Interactie elektromagnetische golf-materie
Stralingen en golven
Golf à energiedrager, transport van energie
elektromagnetische golf à periodieke massaloze energiedrager
elektromagnetische straling à overdracht van deze energie
Gemeenschappelijk kenmerk van alle elektromagnetische golven:
à vloeien voort uit synchrone periodieke oscillaties (trillingen ne schommelingen) en
voortplanting van een elektrisch veld en een magnetisch veld met golfvlakken loodrecht op
elkaar
Golf ontstaat uit trillende elektrisch geladen deeltjes
bv. radiofrequentie à kwartelkristal
bv. zichtbaar licht à verhitte wolfraam draad
Onafhankelijke parameters:
1. Golflengte λ à afstand tussen 2 naburige golftoppen of golfdalen (in m)
2. Golfamplitude à verticale, dimensieloze en positieve gedefinieerde afstand
à tussen een knoop (de nulamplitude van de golf op haar
à voortplantingsgas) en de positie van de golftop
Golf- / stralingsfrequentie ν à het aantal keer dat een golftop of –dal een gegeven punt in
à de ruimte doorloopt per tijdseenheid (in Hz of 1/s)
Golfsnelheid ! à afstand die per tijdseenheid wordt afgelegd (in m/s)
à ! = λ.ν à ! = 2,998 . 108 m/s = lichtsnelheid in vacuüm
Energie doordringend vermogen van elektromagnetische golven evenredig met frequentie
Waarde van energie gedragen door straling van elektrische golven evenredig met frequentie
3
, De elektronenconfiguratie van atomen
Atomen emissie- en absorptiespectra
Witte, zichtbare lichtbundel door prisma à wit lichtspectrum (continu kleurenspectrum)
Witte, zichtbare lichtbundel door prisma à golflengtegebied 400 (paars) tot 750 nm (paars)
Een gas dat in een elektrische ontladingsbuis wordt
onderworpen aan een sterke elektrische
potentiaal wordt geatomiseerd tijdens
absorptie van deze elektrisch energie. Deze
energie, geabsorbeerd door elektronen van
het atoom, wordt dan opnieuw uitgestraald
(geëmitteerd) onder de vorm van
elektromagnetische straling, waaronder zichtbaar
licht. Verschillende gassen emitteren
verschillende kleuren.
Geëmitteerde lichtspectrum niet langer continu d
à lijnenspectrum = atomenemissie spectrum = fingerprint (spectrum met wel gedefinieerde
golflengtes kenmerkend voor het element) à discontinue verdeling van de energieën die
door elektronen van atomen in gasfase worden geëmitteerd
Toepassingen:
• Neonbuislampen
• Natriumbuislampen op autowegen (oranje licht)
• Cadmiumbuislampen in bebouwde kom (zalmroze licht)
! ! !
Empirische1 gelijkheid van Balmer in emissiespectrum van waterstof: " = 1,097. 10# ($ − %! )
à definieert een eenvoudige wet die de lijnengolflengte weergeeft in functie van
eenvoudige getallen
Absorptiespectra à gas in atomaire toestand bestralen met witte lichtbundel
à elektronen van de atomen absorberen enkel dezelfde golflengtes
à als in het emissiespectrum
De wet van Planck
• Planck levert een antwoord op oorsprong van discontinue energieverdeling in
submicroscopische deeltjes als elektronen
• Stelling van Planck: energie in atoomelektronen geëmitteerd of geabsorbeerd in
klein, discontinue energie “pakketje” of “greintjes”: de kwanta
• Kwantum: kleinste hoeveelheid geëmitteerd of geabsorbeerd door één deeltje van
de materie in elektromagnetische straling
Þ Wet van Planck: lineair verband tussen energie en frequentie van
elektromagnetische straling
o ,∼.
o , = ℎ. .
§ ℎ = 6,626 . 10-34 J.s (J = kg.m2.s-2) à constante van Planck
1
Kennis uit ervaring
4
TRANSFORMATIES VAN DE
MATERIE
Ingenieurswetenschappen: Architectuur (1Ba)
Ingenieurswetenschappen (1Ba)
HOOFDSTUK 8:
ELEKTRONENCONFIGURATIE VAN
ATOMEN
HOOFDSTUK 9: DE CHEMISCHE BINDING
Zarah Van Schoor
VUB | 2017
,CHEMIE: STRUCTUUR EN
TRANSFORMATIES VAN DE
MATERIE
HOOFDSTUK 8: DE
ELEKTRONENCONFIGURATIE VAN
ATOMEN
Ingenieurswetenschappen: Architectuur (1Ba)
Ingenieurswetenschappen (1Ba)
Zarah Van Schoor
VUB | 2017
, De elektronenconfiguratie van atomen
Inhoud
Inhoud ..................................................................................................................................................................... 1
Inleiding .................................................................................................................................................................. 2
Ionisatie-energie van atomen ................................................................................................................................. 2
Interactie elektromagnetische golf-materie ........................................................................................................... 3
Dualiteit deeltje-golf in de materie......................................................................................................................... 5
Atoomorbitalen en elektronenconfiguratie in meerelektron atomen ................................................................... 8
Atoomstralen ........................................................................................................................................................ 16
Referenties............................................................................................................................................................ 17
1
, De elektronenconfiguratie van atomen
Elektronenconfiguratie
Inleiding
Atoom à basisbouwsteen, kleinst ondeelbare structuureenheid van de materie
positieve kern + negatieve elektronenwolk = elektrisch
ongeladen
Chemische reactie à herverdeling valentie-elektronen
à tussen atomen
Vrije atomen:
à zeer weinig stoffen bestaan onder standaardvoorwaarden
(25°C, 1 Atm) uit vrije atomen
à edelgassen en kwik
à kan bekomen worden in gasfase door moleculen op te
breken met hoge energie inbreng à atomiseringsenergie
Chemische bindingen bestaan uit elektronenparen afkomstig van de valentie-elektronen.
Ionisatie-energie van atomen
Ionisatie-energie I à Minimum energie nodig om een elektron uit de grondtoestand van
à het atoom of ion, geïsoleerd in gasfase, tot eindig hoge afstand uit
à te stoten
à Levert informatie over hoe de elektronen verdeeld zijn rond de kern
à van een atoom à elektronenconfiguratie
I1 < I2 < I3 < I4 < … à Stijgende lading van het overgebleven ion, dat een almaar sterkere
à elektrische aantrekkingskracht uitoefent op de nog verder ui te
à stoten elektronen
|ionisatie-energie| = |bindingsenergie|
Edelgassen hebben hoogste IE à chemisch inert
Bij overgangselementen zijn er uitzonderingen
à buitenschil elektronen steeds verder
verwijderd van kern, elektrostatische
aantrekkingskracht neemt af
Regelmatige toename ionisatie-energie
à sprongen à verandering van schil à elektrostatisch
interactie tussen elektronen verschilt sterk van schil tot schil
à buitenschil elektronen zijn makkelijker uit te stoten dan binnenschil elektronen
2
, De elektronenconfiguratie van atomen
Interactie elektromagnetische golf-materie
Stralingen en golven
Golf à energiedrager, transport van energie
elektromagnetische golf à periodieke massaloze energiedrager
elektromagnetische straling à overdracht van deze energie
Gemeenschappelijk kenmerk van alle elektromagnetische golven:
à vloeien voort uit synchrone periodieke oscillaties (trillingen ne schommelingen) en
voortplanting van een elektrisch veld en een magnetisch veld met golfvlakken loodrecht op
elkaar
Golf ontstaat uit trillende elektrisch geladen deeltjes
bv. radiofrequentie à kwartelkristal
bv. zichtbaar licht à verhitte wolfraam draad
Onafhankelijke parameters:
1. Golflengte λ à afstand tussen 2 naburige golftoppen of golfdalen (in m)
2. Golfamplitude à verticale, dimensieloze en positieve gedefinieerde afstand
à tussen een knoop (de nulamplitude van de golf op haar
à voortplantingsgas) en de positie van de golftop
Golf- / stralingsfrequentie ν à het aantal keer dat een golftop of –dal een gegeven punt in
à de ruimte doorloopt per tijdseenheid (in Hz of 1/s)
Golfsnelheid ! à afstand die per tijdseenheid wordt afgelegd (in m/s)
à ! = λ.ν à ! = 2,998 . 108 m/s = lichtsnelheid in vacuüm
Energie doordringend vermogen van elektromagnetische golven evenredig met frequentie
Waarde van energie gedragen door straling van elektrische golven evenredig met frequentie
3
, De elektronenconfiguratie van atomen
Atomen emissie- en absorptiespectra
Witte, zichtbare lichtbundel door prisma à wit lichtspectrum (continu kleurenspectrum)
Witte, zichtbare lichtbundel door prisma à golflengtegebied 400 (paars) tot 750 nm (paars)
Een gas dat in een elektrische ontladingsbuis wordt
onderworpen aan een sterke elektrische
potentiaal wordt geatomiseerd tijdens
absorptie van deze elektrisch energie. Deze
energie, geabsorbeerd door elektronen van
het atoom, wordt dan opnieuw uitgestraald
(geëmitteerd) onder de vorm van
elektromagnetische straling, waaronder zichtbaar
licht. Verschillende gassen emitteren
verschillende kleuren.
Geëmitteerde lichtspectrum niet langer continu d
à lijnenspectrum = atomenemissie spectrum = fingerprint (spectrum met wel gedefinieerde
golflengtes kenmerkend voor het element) à discontinue verdeling van de energieën die
door elektronen van atomen in gasfase worden geëmitteerd
Toepassingen:
• Neonbuislampen
• Natriumbuislampen op autowegen (oranje licht)
• Cadmiumbuislampen in bebouwde kom (zalmroze licht)
! ! !
Empirische1 gelijkheid van Balmer in emissiespectrum van waterstof: " = 1,097. 10# ($ − %! )
à definieert een eenvoudige wet die de lijnengolflengte weergeeft in functie van
eenvoudige getallen
Absorptiespectra à gas in atomaire toestand bestralen met witte lichtbundel
à elektronen van de atomen absorberen enkel dezelfde golflengtes
à als in het emissiespectrum
De wet van Planck
• Planck levert een antwoord op oorsprong van discontinue energieverdeling in
submicroscopische deeltjes als elektronen
• Stelling van Planck: energie in atoomelektronen geëmitteerd of geabsorbeerd in
klein, discontinue energie “pakketje” of “greintjes”: de kwanta
• Kwantum: kleinste hoeveelheid geëmitteerd of geabsorbeerd door één deeltje van
de materie in elektromagnetische straling
Þ Wet van Planck: lineair verband tussen energie en frequentie van
elektromagnetische straling
o ,∼.
o , = ℎ. .
§ ℎ = 6,626 . 10-34 J.s (J = kg.m2.s-2) à constante van Planck
1
Kennis uit ervaring
4
