Opgaver til A4.1

Opgaverne hører til afsnit A4.1 Atomorbitaler og det periodiske system. Prøv selv, før du åbner hjælpen under opgaven.

Opgave A4.1.1: Skalmodel og orbitalmodel

I bogen til C-niveau brugte du skalmodellen. Afsnit A4.1 bruger orbitalmodellen. Tabellen har seks udsagn om elektronerne i et atom.

Nr. Udsagn
1 Elektronen kredser i en bane med en bestemt afstand til kernen.
2 Man kan kun sige, hvor elektronen sandsynligvis er.
3 Elektronerne er fordelt på skaller med numrene 1, 2, 3 og så videre.
4 Hver skal er delt op i orbitaler.
5 Der er plads til 8 elektroner i 2. skal.
6 Elektronen tegnes som en sky af prikker.
  1. Afgør for hvert af de seks udsagn, om det passer på skalmodellen, på orbitalmodellen eller på begge modeller.
  2. Forklar, hvad en orbital er.
  3. Skalmodellen kan forklare, hvorfor natrium danner ionen Na+. Nævn to ting, som skalmodellen ikke kan forklare.

Se på figuren med hydrogenatomet i afsnit A4.1. I skalmodellen er elektronen en kugle på en cirkel omkring kernen. I orbitalmodellen er elektronen en sky af prikker.

Skallerne forsvinder ikke i orbitalmodellen. Tallet foran bogstavet i 2s og 2p er skallens nummer, og antallet af elektroner i hver skal (2, 8 og 18) er det samme i skalmodellen og i orbitalmodellen.

Du kan begynde svaret på spørgsmål b sådan: “En orbital er det område omkring kernen, hvor …”

De to ting, skalmodellen ikke kan forklare, står i indledningen til afsnit A4.1. Den ene handler om formen af methan, og den anden handler om det periodiske system.

  1. De seks udsagn:
Nr. Udsagn Passer på
1 Elektronen kredser i en bane med en bestemt afstand til kernen. skalmodellen
2 Man kan kun sige, hvor elektronen sandsynligvis er. orbitalmodellen
3 Elektronerne er fordelt på skaller med numrene 1, 2, 3 og så videre. begge modeller
4 Hver skal er delt op i orbitaler. orbitalmodellen
5 Der er plads til 8 elektroner i 2. skal. begge modeller
6 Elektronen tegnes som en sky af prikker. orbitalmodellen

  1. En orbital er det område omkring kernen, hvor en elektron med en bestemt energi er 90 % af tiden. Man kan ikke sige præcist, hvor elektronen er. Man kan kun sige, hvor den sandsynligvis er.

  2. Skalmodellen kan ikke forklare, hvorfor methan har form som et tetraeder. Skalmodellen kan heller ikke forklare, hvorfor de ti undergrupper står midt i det periodiske system.

Opgave A4.1.2: s-orbitaler og p-orbitaler

Figuren viser fire atomorbitaler fra de to første skaller i et atom. Den sorte prik er atomkernen.

Figur 1: Fire atomorbitaler, som er mærket A til D.
  1. Hvilke af orbitalerne A til D er s-orbitaler, og hvilke er p-orbitaler?
  2. De to s-orbitaler i figuren er 1s og 2s. Hvilken af dem er 1s? Begrund svaret.
  3. De to p-orbitaler i figuren er begge 2p-orbitaler. Beskriv forskellen på de to 2p-orbitaler.
  4. Der er én orbital mere i 2. skal end dem, figuren viser. Hvilken slags orbital mangler, og hvordan vender den?

En s-orbital er en kugle med kernen i midten. En p-orbital har to lapper, én på hver side af kernen.

Tallet foran bogstavet er skallens nummer. En s-orbital i 2. skal er større end en s-orbital i 1. skal.

I 2. skal er der én s-orbital og tre p-orbitaler. De tre p-orbitaler peger i hver sin retning, og de står vinkelret på hinanden.

  1. Orbital A og orbital C er s-orbitaler, fordi de er kugler med kernen i midten. Orbital B og orbital D er p-orbitaler, fordi de har to lapper, én på hver side af kernen.

  2. Orbital A er 1s. Orbitalen 1s ligger i 1. skal og er mindre end orbitalen 2s, som ligger i 2. skal. Orbital C er derfor 2s.

  3. De to 2p-orbitaler B og D har samme form og samme størrelse, men de peger i hver sin retning. Orbital B ligger vandret, og orbital D står lodret. De to 2p-orbitaler står vinkelret på hinanden.

  4. I 2. skal er der én s-orbital og tre p-orbitaler. Figuren viser 2s-orbitalen og to af 2p-orbitalerne, så den tredje 2p-orbital mangler. Den står vinkelret på både orbital B og orbital D: den ene lap peger ud af papiret mod dig, og den anden lap peger ind bag papiret.

Opgave A4.1.3: Plads og rækkefølge

Hver skal er delt op i orbitaler. 3. skal har én s-orbital, tre p-orbitaler og fem d-orbitaler.

  1. Hvor mange elektroner er der plads til i én orbital, i de tre 2p-orbitaler tilsammen og i de fem 3d-orbitaler tilsammen?
  2. Vis med en beregning, at der er plads til 18 elektroner i 3. skal.
  3. Otte slags orbitaler står her i tilfældig rækkefølge: 3p, 1s, 4s, 2p, 3d, 2s, 4p og 3s. Skriv dem i den rækkefølge, de bliver fyldt med elektroner.
  4. Hvilke orbitaler bliver fyldt lige efter 3p-orbitalerne? Forklar, hvad der er særligt ved det.

Hver orbital har plads til to elektroner. Det gælder både s-orbitaler, p-orbitaler og d-orbitaler. Gang antallet af orbitaler med 2.

I 3. skal er der 1 + 3 + 5 orbitaler i alt.

Orbitalerne fyldes nedefra, så orbitalen med lavest energi fyldes først. Rækkefølgen kan du læse nedefra og op i figuren med orbitalernes energi i afsnit A4.1. Læg mærke til, hvor 4s ligger i forhold til 3d.

  1. Der er plads til 2 elektroner i én orbital. I de tre 2p-orbitaler er der tilsammen plads til 6 elektroner, 2 i hver. I de fem 3d-orbitaler er der tilsammen plads til 10 elektroner, 2 i hver.

  2. I 3. skal er der 9 orbitaler: én 3s-orbital, tre 3p-orbitaler og fem 3d-orbitaler. Hver orbital har plads til 2 elektroner, så 3. skal har plads til 18 elektroner. Det samme tal fås ved at lægge s-orbitalens, p-orbitalernes og d-orbitalernes elektroner sammen: 2, 6 og 10 giver 18.

  3. Orbitalerne bliver fyldt i rækkefølgen 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d og 4p.

  4. Efter 3p-orbitalerne bliver 4s-orbitalen fyldt, og først derefter kommer 3d-orbitalerne. Det særlige er, at 4s hører til 4. skal, men alligevel bliver fyldt før 3d, som hører til 3. skal. Grunden er, at 4s har lidt lavere energi end 3d, og orbitalerne fyldes nedefra.

Opgave A4.1.4: Opskriv elektronkonfigurationer

Tabellen viser seks grundstoffer og deres atomnumre.

Grundstof Symbol Atomnummer
lithium Li 3
bor B 5
fluor F 9
magnesium Mg 12
aluminium Al 13
argon Ar 18
  1. Opskriv elektronkonfigurationen for hvert af de seks grundstoffer.
  2. Kontrollér hver af de seks elektronkonfigurationer ved at lægge de hævede tal sammen.
  3. Argon er en ædelgas. Hvad viser elektronkonfigurationen om den yderste skal i et argonatom?

Et atom har lige så mange elektroner, som atomnummeret viser. Fordel elektronerne på orbitalerne i rækkefølgen 1s, 2s, 2p, 3s og 3p. Der er plads til 2 elektroner i 1s, 2 i 2s, 6 i de tre 2p-orbitaler, 2 i 3s og 6 i de tre 3p-orbitaler.

Lithium har 3 elektroner. De to første sidder i 1s, og den tredje sidder i 2s. Elektronkonfigurationen for lithium er derfor 1s2 2s1.

Fluor har 9 elektroner. Der sidder 2 i 1s og 2 i 2s. Så er der brugt 4 elektroner, og de sidste 5 sidder i 2p.

De hævede tal skal tilsammen give atomnummeret.

  1. og b. Elektronkonfigurationerne og kontrollen:
Grundstof Elektronkonfiguration Kontrol
lithium 1s2 2s1 sum = 2 + 1 = 3
bor 1s2 2s2 2p1 sum = 2 + 2 + 1 = 5
fluor 1s2 2s2 2p5 sum = 2 + 2 + 5 = 9
magnesium 1s2 2s2 2p6 3s2 sum = 2 + 2 + 6 + 2 = 12
aluminium 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 sum = 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13
argon 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 sum = 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Hver sum er lig med grundstoffets atomnummer.

  1. Den yderste skal i et argonatom er 3. skal. Elektronkonfigurationen viser, at både 3s-orbitalen og de tre 3p-orbitaler er fyldt: 3s2 3p6. Argonatomet har altså 8 elektroner i den yderste skal, 2 i 3s og 6 i 3p, som ædelgasreglen fra C-niveau siger.

Opgave A4.1.5: Fra elektronkonfiguration til grundstof

Tabellen viser elektronkonfigurationen for fem atomer.

Atom Elektronkonfiguration
1 1s2 2s2
2 1s2 2s2 2p3
3 1s2 2s2 2p6
4 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
5 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
  1. Bestem antallet af elektroner i hvert af de fem atomer, og angiv grundstoffets navn.
  2. Opskriv elektronstrukturen fra C-niveau for hvert af de fem grundstoffer. Elektronstrukturen for natrium skrives fx (2, 8, 1).
  3. Angiv perioden og hovedgruppen for hvert af de fem grundstoffer.
  4. To af de fem grundstoffer ligner hinanden kemisk. Hvilke to er det? Begrund svaret ud fra elektronkonfigurationerne.

Læg de hævede tal i elektronkonfigurationen sammen. Summen er antallet af elektroner i atomet, og den er lig med atomnummeret. Find grundstoffet med det atomnummer i det periodiske system.

Elektronstrukturen får du ved at lægge de hævede tal sammen for hver skal. Tallet foran bogstavet er skallens nummer. For atom 4 er det 2 elektroner i 1. skal, 8 elektroner i 2. skal (2 i 2s og 6 i 2p) og 5 elektroner i 3. skal (2 i 3s og 3 i 3p).

Nummeret på den yderste skal er perioden. Antallet af elektroner i den yderste skal er hovedgruppen. Grundstoffer i samme hovedgruppe ligner hinanden kemisk.

a., b. og c. De fem atomer:

Atom Antal elektroner Grundstof Elektronstruktur Periode Hovedgruppe
1 sum = 2 + 2 = 4 beryllium (2, 2) 2 2
2 sum = 2 + 2 + 3 = 7 nitrogen (2, 5) 2 5
3 sum = 2 + 2 + 6 = 10 neon (2, 8) 2 8
4 sum = 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15 phosphor (2, 8, 5) 3 5
5 sum = 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 1 = 19 kalium (2, 8, 8, 1) 4 1
  1. Nitrogen og phosphor ligner hinanden kemisk. De står begge i hovedgruppe 5, fordi de har samme antal elektroner i de yderste s- og p-orbitaler: nitrogen har 2s2 2p3, og phosphor har 3s2 3p3. Det er de yderste elektroner, der danner bindinger, og derfor danner nitrogen og phosphor bindinger på samme måde.

Opgave A4.1.6: Tegn orbitalkasser

I en figur med orbitalkasser er hver kasse en orbital, og hver pil er en elektron. Fluor har 9 elektroner, aluminium har 13 elektroner, og phosphor har 15 elektroner.

  1. Tegn orbitalkasser for fluor. Brug kasserne 1s, 2s og 2p.
  2. Tegn orbitalkasser for aluminium og for phosphor. Brug kasserne 1s, 2s, 2p, 3s og 3p.
  3. En enlig elektron sidder alene i sin orbital. Angiv, hvor mange enlige elektroner der er i et fluoratom, i et aluminiumatom og i et phosphoratom.

Tegn én kasse til 1s, én kasse til 2s og tre kasser ved siden af hinanden til de tre 2p-orbitaler. Til aluminium og phosphor skal du også bruge én kasse til 3s og tre kasser til de tre 3p-orbitaler.

Fyld kasserne i rækkefølgen 1s, 2s, 2p, 3s og 3p. To elektroner i samme kasse tegnes som en pil op og en pil ned.

I de tre p-kasser tegner du først én pil i hver kasse. Først når alle tre kasser har en pil, tegner du pil nummer to i en kasse.

Fluor har 5 elektroner i 2p. De tre første sidder i hver sin 2p-orbital, og de to sidste danner par med to af dem. Phosphor har 3 elektroner i 3p, og aluminium har 1 elektron i 3p.

  1. og b. Orbitalkasserne for fluor, aluminium og phosphor:
Figur 2: Orbitalkasser for fluor, aluminium og phosphor.
  1. Et fluoratom har én enlig elektron, som sidder i en 2p-orbital. Et aluminiumatom har én enlig elektron, som sidder i en 3p-orbital. Et phosphoratom har tre enlige elektroner, som sidder i hver sin 3p-orbital.

Opgave A4.1.7: Find fejlen

Elektronerne i et atom fordeles på orbitalerne efter tre regler:

  1. Orbitalerne fyldes nedefra, så orbitalen med lavest energi fyldes først.
  2. Der er højst to elektroner i hver orbital.
  3. I orbitaler med samme energi sætter elektronerne sig først én i hver. Først derefter danner de par.

Figuren viser orbitalkasser for nitrogen, bor og magnesium. Antallet af elektroner er rigtigt i alle tre rækker, men i hver række er én af de tre regler brudt.

Figur 3: Orbitalkasser for nitrogen, bor og magnesium med én fejl i hver række.
  1. Find fejlen i hver af de tre rækker A, B og C, og angiv den regel, der er brudt.
  2. Tegn orbitalkasserne for nitrogen, bor og magnesium, som de skal se ud.
  3. Opskriv elektronkonfigurationen for nitrogen, for bor og for magnesium.

Se på én regel ad gangen. Tæl først pilene i hver kasse: der må højst være to. Se derefter efter, om en kasse med lav energi står tom, mens en kasse med højere energi har elektroner. Se til sidst på de tre p-kasser: er der et par i én kasse, mens en anden p-kasse er tom?

I række A med nitrogen ligger fejlen i de tre 2p-kasser. I række B med bor ligger fejlen i 2s-kassen. I række C med magnesium ligger fejlen i 3s-kassen og 3p-kasserne.

Rækkefølgen i energi er 1s, 2s, 2p, 3s og 3p, så 3s skal fyldes før 3p.

  1. Fejlene i de tre rækker:
Række Grundstof Fejl Regel, der er brudt
A nitrogen To elektroner danner par i én 2p-orbital, mens en anden 2p-orbital er tom. regel 3
B bor Der er tre elektroner i 2s-orbitalen. regel 2
C magnesium 3s-orbitalen er tom, mens der er to elektroner i 3p-orbitalerne. regel 1
  1. De rigtige orbitalkasser for nitrogen, bor og magnesium. Pilene er grønne i de orbitaler, der er rettet.
Figur 4: De rigtige orbitalkasser for nitrogen, bor og magnesium.

I nitrogen sidder de tre 2p-elektroner i hver sin 2p-orbital. I bor er der to elektroner i 2s, og den femte elektron sidder i en 2p-orbital. I magnesium sidder de to yderste elektroner i 3s, fordi 3s har lavere energi end 3p.

  1. Elektronkonfigurationen for nitrogen er 1s2 2s2 2p3. Elektronkonfigurationen for bor er 1s2 2s2 2p1. Elektronkonfigurationen for magnesium er 1s2 2s2 2p6 3s2.

Opgave A4.1.8: Blokkene i det periodiske system

Figuren viser omridset af de fem første perioder i det periodiske system. Fem felter er mærket A til E.

Figur 5: Omridset af det periodiske system med fem mærkede felter.
  1. Angiv for hvert af felterne A til E, om grundstoffet står i s-blokken, i p-blokken eller i d-blokken.
  2. Angiv for hvert af felterne A til E, hvilke orbitaler der er ved at blive fyldt, fx 2p.
  3. Forklar, hvorfor s-blokken har 2 kolonner, p-blokken har 6 kolonner, og d-blokken har 10 kolonner.
  4. Forklar, hvorfor der ikke står nogen grundstoffer i d-blokken i 2. periode og i 3. periode.

s-blokken er hovedgruppe 1 og 2. p-blokken er hovedgruppe 3 til 8. d-blokken er undergrupperne midt i det periodiske system. Sammenlign med figuren med blokkene i afsnit A4.1.

I s-blokken og p-blokken har orbitalerne samme nummer som perioden: i 3. periode fyldes 3s og 3p. I d-blokken er nummeret én lavere end perioden: i 4. periode fyldes 3d.

Antallet af kolonner i en blok er det antal elektroner, der er plads til i den slags orbitaler.

Du kan begynde svaret på spørgsmål d sådan: “2. skal har ingen …” og “3d-orbitalerne har højere energi end …”

  1. og b. De fem felter:
Felt Periode Blok Orbitaler, der bliver fyldt Grundstof
A 3 s-blokken 3s natrium
B 2 p-blokken 2p oxygen
C 4 d-blokken 3d titan
D 4 p-blokken 4p brom
E 4 s-blokken 4s calcium

  1. Hver orbital har plads til 2 elektroner, og for hver kolonne mod højre i en blok har atomet én elektron mere. En s-orbital har plads til 2 elektroner, så s-blokken har 2 kolonner. De tre p-orbitaler i en skal har tilsammen plads til 6 elektroner, 2 i hver, så p-blokken har 6 kolonner. De fem d-orbitaler i en skal har tilsammen plads til 10 elektroner, 2 i hver, så d-blokken har 10 kolonner.

  2. I 2. skal er der kun én s-orbital og tre p-orbitaler. Der findes ingen d-orbitaler i 2. skal, så 2. periode kan ikke have grundstoffer i d-blokken. I 3. skal er der fem d-orbitaler, men 3d-orbitalerne har højere energi end 4s-orbitalen. Efter argon bliver 4s derfor fyldt først, med kalium og calcium, og først derefter bliver 3d fyldt. Det sker i 4. periode, og derfor begynder d-blokken først dér.

Opgaver i eksamensstil

Opgaverne ligner delopgaverne i den skriftlige prøve i kemi A. Skriv svarene, som du ville gøre til prøven: med de konkrete orbitaler og elektroner, med en kontrol af tallene og med en begrundelse.

Opgave A4.1.eks.1: Silicium i solceller

En solcelle er lavet af tynde skiver af grundstoffet silicium, som fremstilles af sand. For at solcellen kan lede strøm, bliver der sat ganske få atomer af phosphor eller bor ind mellem siliciumatomerne. Silicium har atomnummer 14, phosphor har atomnummer 15, og bor har atomnummer 5.

  1. Opskriv elektronkonfigurationen for silicium, og angiv, hvor mange elektroner et siliciumatom har i den yderste skal.
  2. Tegn orbitalkasser for 3s-orbitalen og de tre 3p-orbitaler i et siliciumatom. Angiv, hvor mange enlige elektroner siliciumatomet har.
  3. Opskriv elektronkonfigurationerne for phosphor og for bor. Begrund, at et phosphoratom har én elektron mere i den yderste skal end et siliciumatom, og at et boratom har én elektron færre.
  4. De første transistorer blev lavet af grundstoffet germanium, som står lige under silicium i det periodiske system. De yderste elektroner i et germaniumatom er 4s2 4p2. Forklar, hvorfor germanium og silicium ligner hinanden kemisk.

Silicium har 14 elektroner. Fordel dem på orbitalerne i rækkefølgen 1s, 2s, 2p, 3s og 3p, og tjek, at de hævede tal tilsammen giver 14. Den yderste skal i et siliciumatom er 3. skal.

Silicium har to elektroner i 3s og to elektroner i 3p. De to elektroner i 3p sætter sig i hver sin 3p-orbital, før de danner par.

Tæl elektronerne i den yderste skal for hvert af de tre grundstoffer: 3. skal for silicium og phosphor, og 2. skal for bor.

Du kan begynde svaret på spørgsmål d sådan: “Silicium har de yderste elektroner 3s2 3p2, og germanium har …”

  1. Silicium har 14 elektroner, og elektronkonfigurationen er 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Kontrol:

    \[ \text{antal elektroner} = 2 + 2 + 6 + 2 + 2 = 14 \]

    Den yderste skal er 3. skal, og her har siliciumatomet 4 elektroner, 2 i 3s og 2 i 3p. Silicium står derfor i hovedgruppe 4.

  2. Orbitalkasserne for 3s og 3p i et siliciumatom:

Figur 6: Orbitalkasser for 3s-orbitalen og de tre 3p-orbitaler i silicium.

De to elektroner i 3s danner et par. De to elektroner i 3p sidder i hver sin 3p-orbital, og den tredje 3p-orbital er tom. Siliciumatomet har altså to enlige elektroner.

  1. Phosphor har 15 elektroner, og elektronkonfigurationen er 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3. Bor har 5 elektroner, og elektronkonfigurationen er 1s2 2s2 2p1.

Den yderste skal i phosphor er 3. skal med 5 elektroner, 2 i 3s og 3 i 3p. Det er én mere end de 4 elektroner i den yderste skal i silicium. Den yderste skal i bor er 2. skal med 3 elektroner, 2 i 2s og 1 i 2p. Det er én færre end de 4 elektroner i den yderste skal i silicium.

  1. Silicium har de yderste elektroner 3s2 3p2, og germanium har de yderste elektroner 4s2 4p2. De to grundstoffer har altså samme antal elektroner i de yderste s- og p-orbitaler, nemlig 2 i s-orbitalen og 2 i p-orbitalerne, i alt 4, og de står begge i hovedgruppe 4. Det er de yderste elektroner, der danner bindinger. Derfor danner germanium og silicium bindinger på samme måde, og de to grundstoffer ligner hinanden kemisk.

Opgave A4.1.eks.2: Natrium og kalium i nerveceller

En nervecelle sender signaler ved at lade ioner strømme gennem cellens membran. Uden for cellen er der mange natriumioner, Na+, og inde i cellen er der mange kaliumioner, K+. Natrium har atomnummer 11, og kalium har atomnummer 19.

  1. Opskriv elektronkonfigurationen for et natriumatom og for et kaliumatom.
  2. Forklar ud fra de to elektronkonfigurationer, hvorfor natrium og kalium står i samme hovedgruppe, og hvorfor begge grundstoffer danner ioner med én positiv ladning.
  3. Opskriv elektronkonfigurationen for ionen Na+ og for ionen K+. Angiv for hver af de to ioner den ædelgas, der har samme elektronkonfiguration som ionen.
  4. Der er plads til 18 elektroner i 3. skal, men et kaliumatom har kun 8 elektroner i 3. skal. Forklar, hvorfor den sidste elektron i kaliumatomet sidder i 4. skal.

Natrium har 11 elektroner, og kalium har 19 elektroner. Fordel elektronerne på orbitalerne i rækkefølgen 1s, 2s, 2p, 3s, 3p og 4s. Se derefter på den yderste orbital i hvert af de to atomer.

Ionen Na+ er et natriumatom, der har afgivet én elektron, så ionen har 10 elektroner. Ionen K+ er et kaliumatom, der har afgivet én elektron, så ionen har 18 elektroner. Det er elektronen i den yderste orbital, atomet afgiver.

I 3. skal er der orbitalerne 3s, 3p og 3d. Find 3d og 4s i rækkefølgen 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p.

  1. Elektronkonfigurationen for natrium er 1s2 2s2 2p6 3s1. Elektronkonfigurationen for kalium er 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1. Kontrol:

    \[ \text{antal elektroner i natrium} = 2 + 2 + 6 + 1 = 11 \]

    \[ \text{antal elektroner i kalium} = 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 1 = 19 \]

  2. Natriumatomet har én elektron i den yderste orbital, 3s1, og kaliumatomet har én elektron i den yderste orbital, 4s1. Begge atomer har altså én elektron i den yderste skal, og derfor står natrium og kalium begge i hovedgruppe 1. Når atomet afgiver den ene elektron, har det én elektron mindre end protoner i kernen. Derfor danner natrium ionen Na+, og kalium danner ionen K+.

  3. Ionen Na+ har 10 elektroner, og elektronkonfigurationen er 1s2 2s2 2p6. Det er den samme elektronkonfiguration som i ædelgassen neon. Ionen K+ har 18 elektroner, og elektronkonfigurationen er 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6. Det er den samme elektronkonfiguration som i ædelgassen argon.

  4. I 3. skal er der 3s-orbitalen, de tre 3p-orbitaler og de fem 3d-orbitaler. I kaliumatomet er 3s og 3p fyldt med 8 elektroner, 2 i 3s og 6 i 3p. De sidste 10 pladser i 3. skal er i 3d-orbitalerne, men 3d har højere energi end 4s. Orbitalerne fyldes nedefra, så kaliumatomets elektron nummer 19 sætter sig i 4s og ikke i 3d. Derfor har kalium én elektron i 4. skal og står først i 4. periode.

Opgave A4.1.eks.3: Jern i blodet

Det røde farvestof i blodet hedder hæmoglobin. Hvert hæmoglobinmolekyle indeholder jern, og det er jernet, der binder det oxygen, blodet transporterer. Jern har atomnummer 26 og står i en af undergrupperne i 4. periode. Elektronkonfigurationen for jern er 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6.

  1. Angiv, hvilken blok i det periodiske system jern står i, og vis, at elektronkonfigurationen passer med atomnummeret 26.
  2. Jern har elektronstrukturen (2, 8, 14, 2). Vis, at elektronkonfigurationen giver netop den elektronstruktur.
  3. Tegn orbitalkasser for de fem 3d-orbitaler i et jernatom, og angiv, hvor mange enlige elektroner der er i 3d-orbitalerne.
  4. Forklar, hvorfor der står netop ti grundstoffer i d-blokken i 4. periode, og hvorfor jern er nummer seks af de ti.

Undergrupperne midt i det periodiske system er d-blokken. Læg de hævede tal i elektronkonfigurationen for jern sammen, og sammenlign summen med atomnummeret. Læg derefter de hævede tal sammen for hver skal. Tallet foran bogstavet er skallens nummer, så 3d hører til 3. skal, selv om 3d står sidst i elektronkonfigurationen.

De fem 3d-orbitaler har samme energi. De seks elektroner i 3d sætter sig derfor først én i hver af de fem orbitaler, og den sjette elektron danner par med én af dem.

Hver orbital har plads til 2 elektroner. Regn ud, hvor mange elektroner der er plads til i fem 3d-orbitaler. For hvert grundstof mod højre i d-blokken kommer der én elektron mere.

  1. Jern står i d-blokken, fordi jern står i en af undergrupperne, hvor 3d-orbitalerne er ved at blive fyldt. De hævede tal i elektronkonfigurationen lægges sammen:

    \[ \text{antal elektroner} = 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 6 = 26 \]

    Det er jerns atomnummer, så elektronkonfigurationen har det rigtige antal elektroner.

  2. Elektronerne lægges sammen for hver skal:

Skal Orbitaler Elektroner
1 1s2 2
2 2s2 2p6 sum = 2 + 6 = 8
3 3s2 3p6 3d6 sum = 2 + 6 + 6 = 14
4 4s2 2

Det giver elektronstrukturen (2, 8, 14, 2) for jern.

  1. Orbitalkasserne for 3d i et jernatom:
Figur 7: Orbitalkasser for de fem 3d-orbitaler i jern.

De seks elektroner i 3d sætter sig først én i hver af de fem 3d-orbitaler. Den sjette elektron danner par med én af dem. Jernatomet har derfor ét elektronpar og fire enlige elektroner i 3d-orbitalerne.

  1. Der er fem 3d-orbitaler, og hver orbital har plads til 2 elektroner. Der er altså plads til 10 elektroner i 3d. For hvert grundstof mod højre i d-blokken kommer der én elektron mere, så der bliver ti grundstoffer, fra scandium til zink. Jern har seks elektroner i 3d og er derfor nummer seks af de ti grundstoffer i d-blokken i 4. periode. Det passer med atomnumrene: jern har atomnummer 26, seks mere end calcium med atomnummer 20.