A4.1 Atomorbitaler og det periodiske system
I bogen til C-niveau kredsede elektronerne i skaller omkring kernen. Den model forklarer, hvorfor natrium danner ionen Na+, og hvorfor chlor danner Cl−. Men den kan ikke forklare, hvorfor methan har form som et tetraeder, eller hvorfor de ti undergrupper står midt i det periodiske system. Til det skal du bruge en bedre model.
Fra skal til orbital
I skalmodellen fra afsnit 1.3 bevæger elektronen sig i en bane med en bestemt afstand til kernen. Sådan opfører en elektron sig ikke. Man kan ikke sige præcist, hvor en elektron er. Man kan kun sige, hvor den sandsynligvis er.
En orbital er det område omkring kernen, hvor en elektron med en bestemt energi er 90 % af tiden. Orbitaler omkring ét atom kaldes atomorbitaler. Tegner man elektronens mulige steder som prikker, bliver orbitalen en sky. Skyen er tæt, hvor elektronen ofte er, og tynd, hvor den sjældent kommer.
s-orbitaler og p-orbitaler
Orbitaler har forskellig form. De to vigtigste slags hedder s og p.
- En s-orbital er en kugle med kernen i midten.
- En p-orbital har to lapper, én på hver side af kernen. Der er altid tre p-orbitaler sammen, og de peger i hver sin retning, vinkelret på hinanden.
Tallet foran bogstavet er skallens nummer. Orbitalen 2s ligger i 2. skal og er større end 1s. Skallerne fra skalmodellen findes altså stadig, men hver skal er delt op i orbitaler:
| Skal | Orbitaler i skallen | Elektroner i alt |
|---|---|---|
| 1 | én s-orbital | 2 |
| 2 | én s-orbital og tre p-orbitaler | 8 |
| 3 | én s-orbital, tre p-orbitaler og fem d-orbitaler | 18 |
Hver orbital har plads til to elektroner. Derfor passer tallene 2, 8 og 18 med dem, du kender fra skalmodellen. De fem d-orbitaler har mere indviklede former, som du ikke skal kunne tegne.
Orbitalernes energi
Elektronerne i et atom sætter sig i de orbitaler, der har lavest energi. Figuren viser rækkefølgen.
Rækkefølgen er 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d og 4p. Læg mærke til, at 4s ligger lidt lavere end 3d. Det får betydning for det periodiske system.
Elektronerne fordeles efter tre regler:
- Orbitalerne fyldes nedefra, så orbitalen med lavest energi fyldes først.
- Der er højst to elektroner i hver orbital. De tegnes som en pil op og en pil ned.
- I orbitaler med samme energi, fx de tre 2p-orbitaler, sætter elektronerne sig først én i hver. Først derefter danner de par.
Elektronkonfiguration
Fordelingen af elektroner på orbitaler kaldes atomets elektronkonfiguration. Den skrives med orbitalens navn og antallet af elektroner som et hævet tal. Carbon har 6 elektroner og elektronkonfigurationen 1s2 2s2 2p2.
Læg mærke til carbon. De to elektroner i 2p sidder i hver sin orbital, som regel 3 siger. Carbonatomet har altså to enlige elektroner. Det bliver vigtigt i afsnit A4.2.
| Grundstof | Elektroner | Elektronkonfiguration | Elektronstruktur fra C-niveau |
|---|---|---|---|
| hydrogen | 1 | 1s1 | (1) |
| carbon | 6 | 1s2 2s2 2p2 | (2, 4) |
| oxygen | 8 | 1s2 2s2 2p4 | (2, 6) |
| natrium | 11 | 1s2 2s2 2p6 3s1 | (2, 8, 1) |
| chlor | 17 | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 | (2, 8, 7) |
| calcium | 20 | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 | (2, 8, 8, 2) |
De to skrivemåder siger det samme. Lægger du de hævede tal sammen for hver skal, får du elektronstrukturen fra C-niveau. For chlor er det 2 i 1. skal, 8 i 2. skal (2 i 2s og 6 i 2p) og 7 i 3. skal (2 i 3s og 5 i 3p).
Orbitalerne og det periodiske system
Det periodiske system er bygget op efter orbitalerne. Hver ny periode begynder, når en ny s-orbital tages i brug.
- s-blokken er hovedgruppe 1 og 2. En s-orbital har plads til 2 elektroner, så blokken har 2 kolonner.
- p-blokken er hovedgruppe 3 til 8. De tre p-orbitaler har plads til 6 elektroner, så blokken har 6 kolonner.
- d-blokken er undergrupperne. De fem d-orbitaler har plads til 10 elektroner, så blokken har 10 kolonner.
Nu kan du se, hvorfor undergrupperne først kommer i 4. periode. Efter argon fyldes 4s med kalium og calcium. Først derefter fyldes 3d, og det giver de ti grundstoffer fra scandium til zink. Det er også grunden til, at jern har elektronstrukturen (2, 8, 14, 2): de sidste elektroner er sat ind i 3. skal, efter at 4. skal har fået sine to.
Grundstofferne i samme hovedgruppe har samme antal elektroner i de yderste s- og p-orbitaler:
| Grundstof | Yderste elektroner | Hovedgruppe |
|---|---|---|
| fluor | 2s2 2p5 | 7 |
| chlor | 3s2 3p5 | 7 |
| brom | 4s2 4p5 | 7 |
Derfor ligner de tre halogener hinanden kemisk. Det er de yderste elektroner, der danner bindinger.
- Skriv orbitalerne i rækkefølgen 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, og tjek, at de hævede tal tilsammen giver atomnummeret.
- Orbitalerne bruges mest som forklaring: de forklarer molekylers form, dobbeltbindinger og IR-spektre i resten af kapitlet.
- Brug ordene rigtigt: en skal rummer flere orbitaler, og en orbital rummer højst to elektroner.