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:
- Elektronin tarkkaa paikkaa ei voi tietää.
- Sen sijaan puhutaan todennäköisyyspilvestä (= orbitaali).
- Jokaisella elektronilla on neljä ominaisuutta (kvanttiluvut).
Kuinka kaukana elektroni on ytimestä ja kuinka paljon energiaa sillä on.
Arvot: 1, 2, 3, 4…
Millainen pilvi orbitaali on: pallo (s), kahdeksikko (p), jne.
Arvot: s · p · d · f
Mihin suuntaan orbitaali on avaruudessa (esim. kolme eri p-orbitaalia).
Arvot: useita suuntia
Elektronin sisäinen “pyörimissuunta”. Kaksi vaihtoehtoa.
Arvot: ylös tai alas
Orbitaalien muodot kuvina
| Nimi käytännössä | Kirjain | Muoto |
|---|---|---|
| pallo-orbitaali | s | pyöreä |
| kahdeksikko-orbitaali | p | kaksi lobia |
| d-orbitaali | d | monimutkaisempi |
| f-orbitaali | f | vielä 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” järjestys | Todellinen järjestys | Miksi |
|---|---|---|---|
| Kromi | 4s² 3d⁴ | 4s¹ 3d⁵ | puolitäysi d-kuori |
| Kupari | 4s² 3d⁹ | 4s¹ 3d¹⁰ | täysi 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).
| Tyyppi | Miltä näyttää | Kulma | Esimerkki |
|---|---|---|---|
| sp³ | tetraedri (3D-pyramidi) | 109,5° | metaani CH₄ |
| sp² | litteä kolmio | 120° | eteeni C₂H₄ |
| sp | suora viiva | 180° | 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)
| Molekyyli | Sidoksia | Vapaita pareja | Muoto | Kulma |
|---|---|---|---|---|
| NH₃ (ammoniakki) | 3 | 1 | kolmiopyramidi | ≈ 107° |
| H₂O (vesi) | 2 | 2 | V-muoto | ≈ 104,5° |
4. Mikä sidos on vahvin?
- Ioni- / metallisidos — vahvin (suolat, metallit).
- Vetysidos — vahvin molekyylien välinen heikko sidos. Tarvitaan: vety kiinnittyneenä fluoriin, happeen tai typpeen (F, O, N).
- Dipoli–dipolisidos — polaaristen molekyylien ± -vetovoima.
- Dispersiovoimat — heikoimmat, mutta kaikilla. Isompi molekyyli → vahvemmat voimat (siksi jodi on kiinteää, kloori kaasua).
Kemia-professori
Kysy tästä kappaleesta — vastaus tulee tähän suoraan.