Grænseløs mikrobiologi
Elektronorbitaler
Elektronorbitaler er tredimensionelle repræsentationer af det rum, hvori en elektron sandsynligvis vil befinde sig.
Læringsmål
Diskriminér mellem elektronorbitaler i Bohr-modellen og kvantemekaniske orbitaler
Nøgleudbytte
Nøgleudbytte Points
- Behr-modellen af atomet afspejler ikke præcist, hvordan elektronerne er rumligt fordelt omkring atomkernen, da de ikke kredser om atomkernen, som jorden kredser om solen.
- Elektronernes orbitaler er resultatet af matematiske ligninger fra kvantemekanikken, kendt som bølgefunktioner, og kan med en vis sandsynlighed forudsige, hvor en elektron kan befinde sig på et givet tidspunkt.
- Antal og type af orbitaler øges med stigende atomnummer og udfylder forskellige elektronskaller.
- Det område, hvor en elektron med størst sandsynlighed befinder sig, kaldes dens orbital.
Nøglebegreber
- elektronskal: De kollektive tilstande for alle elektroner i et atom, der har det samme hovedkvantetal (visualiseret som en bane, hvori elektronerne bevæger sig).
- orbital: En specifikation af en elektrons energi- og sandsynlighedstæthed i et hvilket som helst punkt i et atom eller molekyle.
Og selv om den er nyttig til at forklare reaktiviteten og den kemiske binding af visse grundstoffer, afspejler Bohr-modellen af atomet ikke præcist, hvordan elektronerne er rumligt fordelt omkring kernen. De kredser ikke om kernen, som jorden kredser om solen, men befinder sig i stedet i elektronorbitaler. Disse relativt komplekse former skyldes, at elektroner ikke blot opfører sig som partikler, men også som bølger. Matematiske ligninger fra kvantemekanikken, kendt som bølgefunktioner, kan med en vis sandsynlighed forudsige, hvor en elektron kan befinde sig på et givet tidspunkt. Det område, hvor en elektron med størst sandsynlighed befinder sig, kaldes dens orbital.
Første elektronskal
Den nærmeste orbital til kernen, kaldet 1s orbitalet, kan rumme op til to elektroner. Denne orbital svarer til den inderste elektronskal i Bohr-modellen af atomet. Den kaldes 1s-bobitalet, fordi den er kugleformet omkring kernen. 1s-bobitalet er altid fyldt før alle andre orbitaler. Brint har én elektron; derfor er der kun ét sted i 1s-bobitalet besat. Dette betegnes som 1s1, hvor 1 med overstregning henviser til den ene elektron i 1s-bobitalet. Helium har to elektroner; derfor kan det fylde 1s-bobitalet fuldstændigt med sine to elektroner. Dette betegnes som 1s2, idet der henvises til heliums to elektroner i 1s-bobitalet. På det periodiske system er brint og helium de eneste to grundstoffer i første række (periode); det skyldes, at de er de eneste grundstoffer, der kun har elektroner i deres første skal, 1s-bobitalet.
Sekund elektronskal
Diagram over S- og P-bobitalerne: S-underskaller er formet som kugler. Både 1n og 2n hovedskaller har en s orbital, men kuglens størrelse er større i 2n orbitalet. Hver kugle er en enkelt orbital. p-underskaller består af tre dumbbell-formede orbitaler. Hovedskal 2n har en p-delskal, men det har skal 1 ikke.
Den anden elektronskal kan indeholde otte elektroner. Denne skal indeholder endnu en kugleformet s-orbital og tre “dumbbell”-formede p-orbitaler, som hver kan indeholde to elektroner. Efter at 1s orbitalet er fyldt, fyldes den anden elektronskal, idet først dens 2s orbital og derefter dens tre p orbitaler fyldes. Når p-orbitalerne fyldes, tager de hver en enkelt elektron; når hver p-orbital har en elektron, kan der tilføjes en anden elektron. Lithium (Li) indeholder tre elektroner, der besætter den første og anden hylde. To elektroner fylder 1s-bobitalet, og den tredje elektron fylder derefter 2s-bobitalet. Dens elektronkonfiguration er 1s22s1. Neon (Ne) har på den anden side i alt ti elektroner: to er i den inderste 1s orbital, og otte fylder den anden skal (to i hver 2s og tre p orbitaler). Det er således en inert gas og energimæssigt stabilt: det danner sjældent en kemisk binding med andre atomer.
Den tredje elektronskal
Større grundstoffer har yderligere orbitaler, som udgør den tredje elektronskal. Underskaller d og f har mere komplekse former og indeholder henholdsvis fem og syv orbitaler. Hovedskal 3n har s-, p- og d-underskaller og kan indeholde 18 elektroner. Hovedskal 4n har s-, p-, d- og f-orbitaler og kan indeholde 32 elektroner. Når man bevæger sig væk fra kernen, øges antallet af elektroner og orbitaler i energiniveauerne. Hvis man går fra et atom til det næste i det periodiske system, kan elektronstrukturen udarbejdes ved at indpasse en ekstra elektron i den næste tilgængelige orbital. Mens begreberne elektronskaller og orbitaler er nært beslægtede, giver orbitaler en mere præcis skildring af et atoms elektronkonfiguration, fordi orbitalmodellen specificerer de forskellige former og særlige orienteringer af alle de pladser, som elektroner kan indtage.