← Kaikki teoria-aiheet

    Fysikaalinen kemia: atomirakenne, kvanttimekaniikka ja sidokset

    12 min lukuaika

    Tässä opit missä elektronit ovat, millaisia pilviä ne muodostavat ja miksi molekyyleillä on tietty muoto. Nämä tulevat Valintakoe B:ssä usein.

    1. Atomimalli — ei enää kiinteitä ratoja

    Lukiossa opit Bohrin mallin: elektronit kiertävät ydintä kuin planeetat. Valintakokeessa tarvitset uudemman mallin:

    1. Elektronin tarkkaa paikkaa ei voi tietää.
    2. Sen sijaan puhutaan todennäköisyyspilvestä (= orbitaali).
    3. Jokaisella elektronilla on neljä ominaisuutta (kvanttiluvut).
    Kuoripääkvanttiluku

    Kuinka kaukana elektroni on ytimestä ja kuinka paljon energiaa sillä on.

    Arvot: 1, 2, 3, 4…

    Muotosivukvanttiluku

    Millainen pilvi orbitaali on: pallo (s), kahdeksikko (p), jne.

    Arvot: s · p · d · f

    Suuntamagneettinen kvanttiluku

    Mihin suuntaan orbitaali on avaruudessa (esim. kolme eri p-orbitaalia).

    Arvot: useita suuntia

    Spinspinkvanttiluku

    Elektronin sisäinen “pyörimissuunta”. Kaksi vaihtoehtoa.

    Arvot: ylös tai alas

    Orbitaalien muodot kuvina

    s-orbitaali on pallo, p-orbitaali kahdeksikko, d-orbitaali monimutkaisempi
    s-orbitaali on pallo, p-orbitaali kahdeksikko, d-orbitaali monimutkaisempi
    Nimi käytännössäKirjainMuoto
    pallo-orbitaalispyöreä
    kahdeksikko-orbitaalipkaksi lobia
    d-orbitaalidmonimutkaisempi
    f-orbitaalifvielä monimutkaisempi

    Klassinen koepommi: kromi ja kupari

    Normaalisti elektronit täyttävät orbitaaleja järjestyksessä. Kahdella aineella on poikkeus, koska puolitäysi tai täysi d-kuori on erityisen vakaa:

    Aine“Oikea” järjestysTodellinen järjestysMiksi
    Kromi4s² 3d⁴4s¹ 3d⁵puolitäysi d-kuori
    Kupari4s² 3d⁹4s¹ 3d¹⁰täysi d-kuori

    2. Hybridisaatio — miksi hiili tekee 4 sidosta

    Hiilellä näyttää olevan vain 2 “vapaa” elektronia, mutta se muodostaa silti 4 sidosta. Ratkaisu: orbitaalit sekoittuvat (hybridisoituvat).

    sp3 tetraedri, sp2 tasokolmio, sp suora viiva
    sp3 tetraedri, sp2 tasokolmio, sp suora viiva
    TyyppiMiltä näyttääKulmaEsimerkki
    sp³tetraedri (3D-pyramidi)109,5°metaani CH₄
    sp²litteä kolmio120°eteeni C₂H₄
    spsuora viiva180°hiilidioksidi CO₂

    3. Molekyylin muoto (VSEPR)

    Sääntö on yksinkertainen: elektroniparit hylkivät toisiaan ja asettuvat mahdollisimman kauas.

    • Sidokset = elektronipareja
    • Vapaat parit = myös elektronipareja (eivät näy kaavassa, mutta työntävät voimakkaammin)
    Ammoniakki on kolmiopyramidi, vesi on V-muotoinen
    Ammoniakki on kolmiopyramidi, vesi on V-muotoinen
    MolekyyliSidoksiaVapaita parejaMuotoKulma
    NH₃ (ammoniakki)31kolmiopyramidi≈ 107°
    H₂O (vesi)22V-muoto≈ 104,5°

    4. Mikä sidos on vahvin?

    Sidosten voimakkuusasteikko vahvimmasta heikoimpaan
    Sidosten voimakkuusasteikko vahvimmasta heikoimpaan
    1. Ioni- / metallisidos — vahvin (suolat, metallit).
    2. Vetysidos — vahvin molekyylien välinen heikko sidos. Tarvitaan: vety kiinnittyneenä fluoriin, happeen tai typpeen (F, O, N).
    3. Dipoli–dipolisidos — polaaristen molekyylien ± -vetovoima.
    4. Dispersiovoimat — heikoimmat, mutta kaikilla. Isompi molekyyli → vahvemmat voimat (siksi jodi on kiinteää, kloori kaasua).
    ⚗️

    Kemia-professori

    Kysy tästä kappaleesta — vastaus tulee tähän suoraan.

    5/5 ilmaista