Magnus Ehingers undervisning

Allt du behöver för A i Biologi, Kemi, Bioteknik, Gymnasiearbete m.m.

Atommodellen. Atomkärnans och elektronernas upptäckt

Videogenomgång (flippat klassrum)

Hur relaterar "atommodellen" till kursmålen i Kemi 1?

Såhär står det i skolverkets kursmål för Kemi 1:

Undervisningen i kursen ska behandla följande centrala innehåll:

Modeller och teorier för materiens uppbyggnad och klassificering.

I detta ingår att man måste lära sig hur atomerna är uppbyggda – grundläggande atomteori, helt enkelt!

Modeller för atomer börjar växa fram

Henri Becquerel (1852-1903) tillsammans med Marie Curie (1867-1934) & Pierre Curie (1859-1906)

 

Annons

 

Upptäcker att atomer kan falla sönder!

  • Daltons och Demokritos atommodeller måste inte skrotas – men de måste arbetas om!

Becquerel upptäcker det radioaktiva sönderfallet genom att placera (av misstag?) uransalt på en fotografisk plåt.

  • Plåten exponeras, trots att den inte fått något ljus på sig!
  • Detta berodde på s.k. α-strålning

Becquerel delar tillsammans med Pierre & Marie Curie på nobelpriset i fysik år 1903.

J. J. Thomson. J. J. Thomson. Thomsons atommodell: En "plumpudding". Thomsons atommodell: En "plumpudding".

Sir Joseph John Thomson (1856-1940)

Upptäcker elektroner!

  1. Elektrisk ström kan ledas i ett vakuum
  2. Den elektriska strömmen i vakuumet leds av en liten, mycket lätt partikel
  3. Thomson kallar denna partikel elektron (e) efter grekiskans electron, som betyder bärnsten
    • Om man gnider ett kattskinn på en bärnsten, blir den elektriskt laddad

Thomson beskriver atomen som en "plumpudding":

  • En någorlunda solid kula, med elektronerna jämnt fördelade i "puddingen"
Ernest Rutherford. Ernest Rutherford. Rutherfords atommodell.Rutherfords atommodell.

Ernest Rutherford (1841-1937)

Visade 1911

  • att atomen består till allra största delen av tomrum, och
  • har en positivt laddad kärna.
  • Detta gjorde han genom att stråla α-partiklar på en guldfolie. De flesta partiklarna passerade rakt igenom, medan ett fåtal studsade. Detta måste betyda att atomen är mest tomrum, med en liten, kompakt kärna!
Rutherfords experimentuppställning där han tillsammans med Geiger och Marsden bestrålade en guldfolie med α-partiklar.Rutherfords experimentuppställning där han tillsammans med Geiger och Marsden bestrålade en guldfolie med α-partiklar. Experimentet visade att atomen har en solid kärna med elektronerna runt omkring – inte en "plum pudding" som Thomson föreslagit.Experimentet visade att atomen har en solid kärna med elektronerna runt omkring – inte en "plum pudding" som Thomson föreslagit.

Atomerna är alltså inte odelbara: De består av mindre bitar!

Elementarpartiklarna

Väteatomens elektronkonfiguration. Väteatomens elektronkonfiguration. Den allra enklaste av atomer: Väteatomen, \({\sf ^1_1\text{H}}\)

  • 1 proton, p+, i centrum
  • 1 elektron, e, som kretsar kring den positiva kärnan

Om protonen var så stor som en ärta, hur långt borta skulle då elektronen vara?

  • elektronen på 500 m avstånd, cirka.

Atomerna kan också innehålla en sak till, vet eleverna vilken?

  • neutronen (n)!

Bohrs atommodell

Dansken Niels Bohr förfinade Rutherfords atommodell. Detta gjorde han genom att undersöka väteatomens typiska spektrum.

Niels Bohr. Niels Bohr. Väteatomens spektrum. Väteatomens spektrum.

När en väteatom exciteras, avger den bara ljus av vissa, bestämda frekvenser.

  • Huh? Exciteras???

En kärlekshistoria.

En proton och en elektron träffas. smile

”Opposites attract!”

Energi frigörs!

Liknelse: Vad händer när man släpper en blypåse, och blypåsen slår i marken?

Energi frigörs, i form av värme

Ett kärlekspar träffas, vad händer?

Det slår gnistor! smile

En väteatom tillförs energi, t.ex. med hjälp av elektricitet.

Elektronen flyttas bort från protonen.

  • Där trivs den inte!

Faller omedelbums tillbaka in mot protonen, där den trivs.

Energi frigörs – precis som att när kärleksparet möts, så "slår det gnistor" – i form av ljus (hν).En exciterad väteatom emitterar ljus. En exciterad väteatom emitterar ljus.

Tillbaka till spektrumet

Endast vissa våglängder (färger) lyser från en exciterad väteatom.

  • Sålunda: Endast vissa energimängder (bestämda) frigörs! Vissa bestämda trappsteg, s.a.s.

Ur detta kom Bohr fram till en atommodell, i vilken elektronerna kretsar kring kärnan i bestämda skal (energinivåer).

Vad händer när en väteatom exciteras?

 

Annons

 
Hos en väteatom i grundtillståndet, befinner sig elektronen i det s.k. K-skalet.

Man kan belysa väte, så att elektronen exciteras (”blir upphetsad”). wink

Elektronen hoppar då upp i nästa nivå, nämligen L-skalet.

När elektronen faller tillbaka till K-skalet igen, måste den göra sig av med energi:

  • Energin avges i form av strålning
  • Samma energimängd avges alltid ⇒ alltid en viss våglängd av ljuset avges

Med hjälp av våglängden på det ljus som avges, kunde Bohr räkna ut storleken på de olika skalen!

Hur man joniserar en väteatom

Man kan tillföra så mycket energi till en väteatom, att elektronen förs bort helt och hållet från kärnan.

Den energi som krävs för att helt ta bort en elektron från kärnan, kallas joniseringsenergi.

Kvar blir nämligen bara en liten laddad partikel (protonen): En jon! (I det här fallet en vätejon.)

  • Vätejonen: H+

Lite överkurs: Atomer med flera elektroner

Ju närmare en elektron är kärnan, desto lägre energi har den.

Skalen K, L, M osv. är huvudnivåerna för energin.

  • Varje skal har också en eller flera energinivåer.
  • Varje energinivå kan i sin tur innehålla en eller flera orbitaler, som elektronerna kretsar i.
  • Varje orbital kan maximalt innehålla två elektroner
Skal Antal energinivåer Antal orbitaler Antal elektroner i orbitalerna Totalt antal elektroner i skalet
K 1 1 2 2
L 1 med låg energi 1 1 · 2 = 2  
1 med hög energi 3 3 · 2 = 6 2 + 6 = 8
M 1 med låg energi 1 1 · 2 = 2  
1 med "mellan" energi 3 3 · 2 = 6  
1 med hög energi 5 5 · 2 = 10 2 + 6 + 10 = 18

Bohrs atommodell är ytterst användbar för väteatomen

För andra atomer, är den fortfarande mycket användbar

Andra forskare, däribland Schrödinger och Heisenberg, har förfinat Bohrs atommodell.

  • Detta är dock mycket komplicerade modeller, som inte ryms inom ramen för gymnasiekursen i kemi.

Dock; Heisenbergs osäkerhetsprincip

”Man kan inte studera naturen utan att påverka den.”

Därför kan man inte bestämma både position och riktning (hastighet) för en elektron.

Däremot kan man bestämma hur sannolikt det är att elektronen befinner sig på ett visst ställe. (Detta får intressanta konsekvenser...)

Detta gör att vi ofta talar om ”skalen” som ”elektronmoln” eller ”elektronhöljet”.

 

   
[Ingen än…]