Informatie

2.1: Atoomstructuur - Biologie


2.1: Atomaire structuur

Onderwerp 2 - Atomaire structuur

Dit onderwerp behandelt het begin van de kwantumtheorie en de basis voor het begrijpen van het atoom. De onderdelen van het atoom, ionen, isotopen en elektroneneigenschappen komen allemaal aan bod in dit onderwerp.

  • YouTube-zelfstudies
    • Basis structuur
    • De kern van een atoom
    • De ontwikkeling van de atoomtheorie

    2.2 Elektronenconfiguratie

    • YouTube-zelfstudies
      • orbitalen
      • Elektronen configuratie
      • Orbitale regels en hoe ze op diagrammen te vullen.

      Abstract

      Spinelferrieten zijn een belangrijke materiaalklasse, waarvan de magnetische eigenschappen van belang zijn voor industriële toepassingen. De antifasegrenzen (APB's) die vaak worden waargenomen in spinelferrietfilms, kunnen hun toepassingen in spintronische apparaten en sensoren belemmeren, als gevolg van hun invloed op magnetische degradatie en magnetoweerstand van de materialen. Het is echter een uitdaging om magnetische eigenschappen te correleren met atomaire structuur in individuele APB's vanwege de beperkte ruimtelijke resolutie van de meeste magnetische beeldvormingstechnieken. Hier worden aberratie-gecorrigeerde scanning-transmissie-elektronenmicroscopie en magnetisch chiraal dichroïsme met elektronenergieverlies gebruikt om de atomaire structuur en elektronmagnetisch circulair dichroïsme (EMCD) van een enkele APB in NiFe te meten2O4 die de vorm aanneemt van een steenzoutstructuur tussenlaag en wordt geassocieerd met een kristaltranslatie van (1/4)een[011]. Eerste principes dichtheidsfunctionaaltheorie-berekeningen worden gebruikt om te bevestigen dat deze specifieke APB antiferromagnetische koppeling introduceert en een significante afname in de grootte van de magnetische momenten, wat consistent is met een waargenomen afname van het EMCD-signaal bij de APB. De resultaten bieden nieuw inzicht in de fysieke oorsprong van magnetische koppeling bij een individueel defect op atomaire schaal.


      2.1: Atoomstructuur - Biologie

      Voor online hulp bij dit onderwerp, zie de chemische module "Atomic and Nuclear Structure" die de onderwerpen behandelt: Fundamentele concepten nucleaire vergelijkingen elektromagnetische straling golf-deeltjes dualiteit Bohr-model.

      Meer geavanceerde onderwerpen zijn te vinden in de chemische module "Atomen, elektronen en orbitalen" die de volgende onderwerpen behandelt: Atomaire orbitalen - vormen, kwantumgetallen subschaalstructuren van atomen en ionen.

      Atoomstructuur (Algemene vragen)

      Snelkoppeling naar vragen

      Geef de symbolen en grondtoestand elektronische orbitale configuratie van de atomen met de volgende aantallen elektronen:

      Een atoom van een element heeft twee elektronen in de N=1 schil, acht elektronen in de N=2 schil, en vijf elektronen in de N=3 schaal. Geef op basis van deze informatie voor het element

      (2) het geschatte atoomgewicht

      (3) het totale aantal s elektronen in zijn atoom

      (4) het totale aantal NS elektronen in zijn atoom

      (5) de naam van het element

      (6) twee veel voorkomende oxidatietoestanden van het element in zijn verbindingen

      Noem de atoomnummers van de volgende elementen:

      Voor één atoom van de isotoop 19 E (atoomnummer 9) geef

      (2) het aantal elektronen

      (3) de elektronische configuratie van het atoom in de grondtoestand

      (4) een vergelijking voor één typische reactie van het element

      Geef de namen en symbolen (inclusief massagetallen) voor de isotopen van waterstof.

      Er is een energie van 419 kJ mol -1 nodig om (in de gasfase) kaliumatomen om te zetten in kaliumionen en elektronen. Gegeven dat 1 kJ mol -1 gelijk is aan 1,67 x 10-21 joule per atoom, bereken dan de langst mogelijke golflengte van licht dat in staat is kaliumatomen te ioniseren.

      Bereken (1) de frequentie en (2) de energie per kwantum voor elektromagnetische straling met een golflengte van 580 nm.

      (1) Bereken de golflengte van een foton met een frequentie van 1,20 x 10 15 Hz

      (2) Wat is de energie van het foton in joule per foton?

      (3) Wat is de energie in kJ mol -1 van fotonen?

      (4) Wat is de naam die gewoonlijk aan dergelijke straling wordt gegeven? (dwz tot welk gebied van het elektromagnetische spectrum behoort het?)

      Bereken voor 1,00 MHz omroepband radiogolven:

      (1) De energie van fotonen in joule per foton en (2) in kJ mol -1 .

      (3) Wat is de golflengte van zulke fotonen?

      (4) Hoe verhoudt de energie zich tot die voor een enkele CC-binding? Zou je verwachten dat radiogolven chemische reacties kunnen veroorzaken?

      (Geavanceerde vraag) Zoek het energieverschil (in kJ mol -1) tussen de grond en de eerste aangeslagen toestand van het waterstofatoom.

      Atoomstructuur (algemene antwoorden)

      Het aantal elektronen in een neutraal atoom is gelijk aan het aantal protonen, dus het aantal elektronen zal gelijk zijn aan het atoomnummer.

      (1) Atoomnummer 7, stikstof (N):

      (2) Atoomnummer 11, natrium (Na)

      (3) Atoomnummer 16, zwavel (S):

      (4) Atoomgetal 25, mangaan (Mn):

      1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2

      (1) Als we het totale aantal elektronen over alle schillen tellen, krijgen we 15. Dit moet gelijk zijn aan het aantal protonen in het neutrale atoom, dus het atoomnummer is 15.

      (2) De atomaire massa van een element wordt bepaald door het aantal protonen en neutronen, aangezien zij praktisch alle massa aan het atoom bijdragen. Er zijn ongeveer evenveel protonen als neutronen in atomen, dus de bij benadering massa zal 2 x 15 = 30 zijn.

      (3) (4) Uit de gegeven informatie kunnen we de atomaire configuratie van het element bepalen:

      Twee eerste schilelektronen: 1s 2

      Acht tweede schilelektronen: 2s 2 2P 6

      Vijf derde schilelektronen: 3s 2 3P 3

      Er zijn dus in totaal zes s elektronen, en nee NS elektronen.

      (5) Vanaf het atoomnummer 15 wordt het element geïdentificeerd als fosfor.

      (6) Fosfor is een niet-metaal en zal dus anionen vormen in ionische bindingen aan metalen en covalente bindingen aan niet-metalen. Het verkrijgen van 3 elektronen (of een aandeel van 3 elektronen) vult de 3p-orbitaal waardoor het iso-elektronisch wordt met Ar. Dus de -III-toestand is gebruikelijk en wordt weergegeven in het P3-ion en in covalente moleculen zoals PH3. Fosfor kan ook meer dan 8 elektronen in zijn buitenste niveau hebben door de aangrenzende lege 3d-orbitalen op te nemen in het valentieniveau om 5 covalente bindingen te vormen, zoals in PF5 en PCl5 waarbij de oxidatietoestand van P +V is.

      Het atoomnummer van een element is gelijk aan het aantal protonen in de kern. In een neutraal atoom zijn de protonen (+1 lading) en elektronen (-1 lading) in gelijke aantallen aanwezig, dus hun ladingen zijn in evenwicht. Het atoomnummer van een element wordt gemakkelijk bepaald door een periodiek systeem te raadplegen.

      (1) Li heeft een atoomnummer van 3

      (2) O heeft een atoomnummer van 8

      (3) N heeft een atoomnummer van 7

      (4) Mg heeft een atoomnummer van 12

      (5) Ne heeft een atoomnummer van 10

      (6) Br heeft een atoomnummer van 35

      (1) Het aantal protonen is gelijk aan het atoomnummer, dat is 9.

      (2) We nemen hier aan dat het betreffende atoom neutraal is, aangezien er geen expliciete ladingen zijn genoemd. In een neutraal atoom is het aantal elektronen gelijk aan het aantal protonen, namelijk 9.

      (3) De elektronische configuratie wordt gevonden door alle beschikbare elektronen toe te wijzen aan orbitalen, te beginnen met 1s.

      De configuratie voor 9 elektronen is 1s 2 2s 2 2p 5 .

      (4) Opmerkend dat de buitenste orbitaal (de 2p-orbitaal) 1 elektron tekort komt om te worden gevuld, zal het element de -I-oxidatietoestand aannemen (dwz zal zeer gemakkelijk 1 elektron accepteren) om stabiele verbindingen te vormen. Inderdaad, we kunnen "E" nu identificeren als meel, wat voorkomt als de F2 molecuul. Een typische reactie zou de reactie van fluor met een Groep 1 metaal zoals lithium zijn:

      waterstof : 1 H (deze isotoop wordt ook wel protium genoemd)

      De energie die nodig is om één kaliumatoom te ioniseren = 419 x 1,67 x 10 -21 joule per atoom = 7,00 x 10 -19 joule per atoom. Dit is de minimale hoeveelheid energie die nodig is voor een enkel foton van elektromagnetische straling. Deze energie omzetten in een golflengte:

      = (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 108 m s -1) / (7,00 x 10 -19 J)

      In de bovenstaande vergelijking &lambda (lambda) is de golflengte (in meters), H is de constante van Planck (6,626 x 10 -34 Joule seconden), C is de lichtsnelheid in vacuüm (3,00 x 108 m s -1 ), en E is energie (in Joules).

      De minimale golflengte van elektromagnetische straling die nodig is om kalium te ioniseren is dus 284 nm.

      (1) n = C / &lambda = (3,00 x 108 m s -1) / (580 x 10 -9 m)

      Merk op dat de frequentie wordt aangegeven met het symbool n (" nu "), en de eenheden zijn Hertz die equivalent zijn aan s -1 . Let ook op de eenheden die worden gebruikt voor lengte, die in meters moeten zijn om consistent te zijn met energie in Joules.

      = (6.626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 108 m s -1) / (580 x 10 -9 m)

      (1) &lambda = C / n = (3,00 x 108 m s -1) / (1,20 x 10 15 s -1) = 2,50 x 107 m

      (2) E = H n = (6,626 x 10 -34 J s) x (1,20 x 10 15 s -1) = 7,95 x 10 -19 J

      (3) Er zijn NEEN fotonen in 1 mol = 6.022 x 10 23 . Daarom is de energie van 1 mol fotonen = (6,022 x 10 23 mol -1) x (7,95 x 10 -19 J)

      (4) Een golflengte van 250 nm komt overeen met licht in het ultraviolette gebied.

      (1) E = H n = (6.626 x 10 -34 J s) x (1,00 x 106 s -1)

      = 6,626 x 10 -28 J per foton.

      (2) Energie per mol fotonen = energie per foton x NEEN

      = (6.626 x 10 -28 J s) x (6.022 x 10 23 mol -1 )

      = (6.626 x 10 -34 Js) x (3,00 x 108 ms -1) / (6.626 x 10 -28 J)

      (4) De energie van radiogolven (3,99 x 10 -7 kJ mol -1 ) is veel minder is dan die van een C-C-binding (3,48 x 102 kJ mol -1 ), daarom wordt niet verwacht dat de golven een chemische reactie veroorzaken.

      Het Bohr-model van het waterstofatoom kan worden gebruikt om de energie van verschillende elektronische overgangen binnen het waterstofatoom te voorspellen. In dit model wordt aangenomen dat elektronen bestaan ​​binnen bepaalde "banen" (aangeduid met het symbool N) die elk een bijbehorende discrete energie hebben.

      De energie van een elektron in een bepaalde baan N = E(N)

      = (-2,18 x 10 -18 J) x (1 / N 2), alleen voor het waterstofatoom.

      Voor de N = 2 &rarr 1 overgang, Nlaatste = 1, en Nvoorletter = 2,

      dus E(N = 2 &rarr 1) = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / 1 2 ) - (1 / 2 2 ))

      Dit is het energieverschil per atoom, de energie vindend in kJ mol -1 :


      Woordenlijst

      Oplossingen

      Antwoorden op de oefeningen aan het einde van het hoofdstuk over scheikunde
      1. Het uitgangsmateriaal bestaat uit een groene bol en twee paarse bollen. De producten bestaan ​​uit twee groene bollen en twee paarse bollen. Dit is in strijd met Daltons postulaat dat atomen niet ontstaan ​​tijdens een chemische verandering, maar alleen worden herverdeeld.

      3. Deze stelling is in strijd met Daltons vierde postulaat: in een bepaalde verbinding hebben het aantal atomen van elk type (en dus ook het percentage) altijd dezelfde verhouding.


      Atom-overzicht

      Chemie is de studie van materie en de interacties tussen verschillende soorten materie en energie. De fundamentele bouwsteen van materie is het atoom. Een atoom bestaat uit drie hoofdonderdelen: protonen, neutronen en elektronen. Protonen hebben een positieve elektrische lading. Neutronen hebben geen elektrische lading. Elektronen hebben een negatieve elektrische lading. Protonen en neutronen worden samen gevonden in wat de kern van het atoom wordt genoemd. Elektronen cirkelen rond de kern.

      Chemische reacties omvatten interacties tussen de elektronen van het ene atoom en de elektronen van een ander atoom. Atomen met verschillende hoeveelheden elektronen en protonen hebben een positieve of negatieve elektrische lading en worden ionen genoemd. Wanneer atomen aan elkaar binden, kunnen ze grotere bouwstenen van materie maken, moleculen genaamd.

      Het woord "atoom" werd bedacht door de vroege Grieken Democritus en Leucippus, maar de aard van het atoom werd pas later begrepen. In de 19e eeuw toonde John Dalton aan dat atomen in hele verhoudingen met elkaar reageren om verbindingen te vormen. De ontdekking van het elektron leverde J.J. Thomson de 1906 Nobelprijs voor de natuurkunde. De atoomkern werd ontdekt in het goudfolie-experiment uitgevoerd door Geiger en Marsden onder toezicht van Ernest Rutherford in 1909.


      2.1 De atoomtheorie

      In de vijfde eeuw v.Chr., stelde de Griekse filosoof Democritus voor dat alle materie uit zeer kleine, ondeelbare deeltjes bestaat, die hij noemde atomen (wat betekent onafbreekbaar of ondeelbaar). Hoewel het idee van Democritus door veel van zijn tijdgenoten (met name Plato en Aristoteles) niet werd aanvaard, hield het op de een of andere manier stand. Experimenteel bewijs uit vroeg wetenschappelijk onderzoek ondersteunde het begrip 'atomisme' en leidde geleidelijk tot de moderne definities van elementen en verbindingen. In 1808 formuleerde een Engelse wetenschapper en onderwijzer, John Dalton 1 (Figuur 2.1), een nauwkeurige definitie van de ondeelbare bouwstenen van materie die we atomen noemen.

      (een) (B) (C)

      Daltons werk markeerde het begin van het moderne tijdperk van de chemie. De hypothesen over de aard van de materie waarop de atoomtheorie van Dalton is gebaseerd, kunnen als volgt worden samengevat:

      Elementen zijn samengesteld uit extreem kleine deeltjes die atomen worden genoemd. Alle atomen van een bepaald element zijn identiek en hebben dezelfde grootte, massa en chemische eigenschappen. De atomen van het ene element verschillen van de atomen van alle andere elementen.

      Verbindingen zijn samengesteld uit atomen van meer dan één element. In een bepaalde verbinding zijn altijd dezelfde soorten atomen in dezelfde relatieve aantallen aanwezig.

      Een chemische reactie herschikt atomen in chemische verbindingen, het creëert of vernietigt ze niet.

      Figuur 2.2 is een schematische weergave van deze hypothesen.

      Pagina 41 [D] Figuur 2.2 Dit stelt een chemische reactie voor tussen de elementen zuurstof en koolstof. (a) Zuurstof bestaat onder normale omstandigheden niet als geïsoleerde atomen, maar als moleculen, die elk bestaan ​​uit twee zuurstof atomen. Merk op dat de zuurstofatomen (rode bollen) allemaal identiek aan elkaar lijken te zijn (hypothese 1). (b) Evenzo lijken de koolstofatomen (zwarte bollen) allemaal identiek aan elkaar te zijn. Koolstof bestaat ook in de vorm van moleculen die gevarieerder en complexer zijn dan die van zuurstof. De koolstof is weergegeven als geïsoleerde atomen om de figuur te vereenvoudigen. (c) De verbinding CO2 ontstaat wanneer elk koolstofatoom wordt gecombineerd met twee zuurstofatomen (hypothese 2). Uiteindelijk resulteert de reactie in de herschikking van de atomen, maar alle atomen die voor de reactie aanwezig waren (links van de pijl) zijn ook aanwezig na de reactie (rechts van de pijl) (hypothese 3).

      Daltons concept van een atoom was veel gedetailleerder en specifieker dan dat van Democritus. De eerste hypothese stelt dat atomen van één element verschillen van atomen van alle andere elementen. Dalton deed geen poging om de structuur of samenstelling van atomen te beschrijven. Hij had geen idee hoe een atoom er werkelijk uitzag. Wel realiseerde hij zich dat de verschillende eigenschappen van elementen als waterstof en zuurstof verklaard konden worden door aan te nemen dat waterstofatomen niet hetzelfde waren als zuurstofatomen.

      De tweede hypothese suggereert dat we, om een ​​bepaalde verbinding te vormen, niet alleen atomen van rechts nodig hebben soorten van elementen, maar specifiek nummers ook van deze atomen. Dit idee is een uitbreiding van een wet die in 1799 werd gepubliceerd door Joseph Proust, een Franse chemicus. Volgens Proust'8217s , verschillende monsters van een bepaalde verbinding bevatten altijd dezelfde elementen in dezelfde massa verhouding. Als we dus monsters van kooldioxidegas zouden analyseren die uit verschillende bronnen zijn verkregen, zoals de uitlaatgassen van een auto in Mexico-Stad of de lucht boven een dennenbos in het noorden van Maine, zou elk monster dezelfde massaverhouding zuurstof tot koolstof. Beschouw de volgende resultaten van de analyse van drie monsters van koolstofdioxide, elk uit een andere bron:

      Steekproef Massa van O (g) Massa van C (g) Verhouding (g O : g C)
      123 g kooldioxide 89.4 33.6 2.66:1
      50,5 g kooldioxide 36.7 13.8 2.66:1
      88,6 g kooldioxide 64.4 24.2 2.66:1

      In elk monster van zuivere koolstofdioxide is er 2,66 g zuurstof voor elke gram koolstof die aanwezig is. Deze constante massaverhouding kan worden verklaard door aan te nemen dat de elementen bestaan ​​in kleine deeltjes met vaste massa (atomen), en dat verbindingen worden gevormd door de combinatie van vaste aantallen van elk type deeltje.

      De tweede hypothese van Dalton ondersteunt ook de . Volgens deze wet, als twee elementen kunnen combineren om meer dan één verbinding met elkaar te vormen, zijn de massa's van het ene element die combineren met een vaste massa van het andere element in verhoudingen van kleine gehele getallen. Dat wil zeggen, verschillende verbindingen die uit dezelfde elementen bestaan, verschillen in het aantal atomen van elke soort dat combineert. Koolstof wordt bijvoorbeeld gecombineerd met zuurstof om kooldioxide en koolmonoxide te vormen. In elk monster pure koolmonoxide zit 1,33 g zuurstof voor elke gram koolstof.

      Steekproef Massa van O (g) Massa van C (g) Verhouding (g O : g C)
      16,3 g koolmonoxide 9.31 6.99 1.33:1
      25,9 g koolmonoxide 14.8 11.1 1.33:1
      88,4 g koolmonoxide 50.5 37.9 1.33:1

      Dus de verhouding van zuurstof tot koolstof in koolstof dioxide is 2,66 en de verhouding van zuurstof tot koolstof in koolstof monoxide is 1,33. Volgens de wet van meerdere verhoudingen kan de verhouding van twee van dergelijke verhoudingen worden uitgedrukt als kleine gehele getallen.

      Voor monsters die gelijke massa's koolstof bevatten, is de verhouding van zuurstof in kooldioxide tot zuurstof in koolmonoxide 2:1. Moderne meettechnieken geven aan dat één atoom koolstof combineert met twee atomen zuurstof in kooldioxide en met één atoom zuurstof in koolmonoxide. Dit resultaat is consistent met de wet van meerdere verhoudingen (Figuur 2.3).

      [D] Figuur 2.3 Een illustratie van de wet van meerdere verhoudingen. Pagina 42

      Wet van behoud van massa.

      De derde hypothese van Dalton is een andere manier om de , 2, namelijk dat materie niet kan worden gecreëerd of vernietigd. Omdat materie bestaat uit atomen die onveranderd blijven in een chemische reactie, volgt daaruit dat ook massa behouden moet blijven. Daltons briljante inzicht in de aard van de materie was de belangrijkste stimulans voor de snelle vooruitgang van de scheikunde in de negentiende eeuw.

      Voorbeeldprobleem 2.1 laat zien hoe sommige veel voorkomende verbindingen de wet van meerdere verhoudingen gehoorzamen.

      Voorbeeldprobleem 2.1

      (a) Beide water (H2O) en waterstofperoxide (H2O2) zijn samengesteld uit waterstof en zuurstof. Wanneer water wordt ontleed in zijn samenstellende elementen, produceert het 0,125 g waterstof voor elke gram zuurstof. Wanneer waterstofperoxide wordt afgebroken, produceert het 0,063 g waterstof voor elke gram zuurstof. Bepaal de verhouding van g H : 1,00 g O in water tot g H : 1,00 g O in waterstofperoxide om te laten zien hoe deze gegevens de wet van meerdere verhoudingen illustreren. (b) Zwavel en zuurstof kunnen samen verschillende verbindingen vormen, waaronder zwaveldioxide (SO2) en zwaveltrioxide (SO3) . Zwaveldioxide bevat 0,9978 g zuurstof per gram zwavel. Zwaveltrioxide bevat 1.497 g zuurstof per gram zwavel. Bepaal de verhouding van g O : 1,00 g S in zwaveldioxide tot g O : 1,00 g S in zwaveltrioxide.

      Strategie

      Voor twee verbindingen, die elk uit slechts twee verschillende elementen bestaan, krijgen we de massaverhouding van het ene element tot het andere. Om te laten zien hoe de gegeven informatie de wet van meerdere verhoudingen illustreert, delen we in elk geval de grotere verhouding door de kleinere verhouding.

      Opstelling

      (a) De massaverhouding van waterstof tot zuurstof is hoger in water dan in waterstofperoxide. Daarom delen we het aantal gram waterstof per gram zuurstof gegeven voor water door dat gegeven voor waterstof peroxide. (b) De massaverhouding van zuurstof tot zwavel is hoger in zwaveltrioxide dan in zwaveldioxide. Daarom delen we het aantal gram zuurstof per gram zwavel gegeven voor zwaveltrioxide door dat gegeven voor zwaveldioxide.

      Oplossing

      Denk er over na

      Als het resultaat van dergelijke berekeningen geen geheel getal is, moeten we beslissen of het resultaat dicht genoeg bij ligt ronde naar een geheel getal zoals in deel (a), of dat je moet vermenigvuldigen om hele getallen te krijgen zoals in deel (b). Alleen nummers die zijn heel dicht bij geheel kan worden afgerond. Getallen die eindigen op ongeveer 0,25, 0,33 of 0,5 moeten bijvoorbeeld worden vermenigvuldigd met respectievelijk 4, 3 of 2 om een ​​geheel getal te krijgen.

      Oefen Probleem Een poging

      Bereken in elk geval de juiste verhouding om aan te tonen dat de gegeven informatie in overeenstemming is met de wet van meerdere verhoudingen. (a) Beide ammoniak (NH3) en hydrazine (N2H4) zijn samengesteld uit stikstof en waterstof. Ammoniak bevat 0,2158 g waterstof per gram stikstof. Hydrazine bevat 0,1439 g waterstof per gram stikstof. (b) Twee van de verbindingen die bestaan ​​uit stikstof en zuurstof zijn stikstofmonoxide, ook bekend als stikstofmonoxide (NO) en lachgas (N2O), ook bekend als distikstofmonoxide. Stikstofmonoxide bevat 1.142 g zuurstof per gram stikstof. Lachgas bevat 0,571 g zuurstof per gram stikstof.  

      Oefen Probleem B uilen

      (a) Twee van de eenvoudigste verbindingen die alleen koolstof en waterstof bevatten, zijn methaan en ethaan. Aangezien methaan 0,3357 g waterstof bevat voor elke 1,00 g koolstof en dat de verhouding van g waterstof/1,00 g koolstof in methaan tot g waterstof/1,00 g koolstof in ethaan 4:3 is, bepaal dan het aantal gram waterstof per gram koolstof in ethaan. (b) Xenon (Xe) en fluor (F) kunnen worden gecombineerd om verschillende verbindingen te vormen, waaronder XeF2 , dat 0,2894 g fluor bevat voor elke gram xenon. Gebruik de wet van meerdere verhoudingen om te bepalen: N, dat staat voor het aantal F-atomen in een andere verbinding, XeFN , aangezien het 0,8682 g F bevat voor elke gram Xe.  

      Oefenprobleem Conceptualiseren

      Welke van de volgende diagrammen illustreert de wet van meerdere verhoudingen?

      (l) (ii) (iii) (NS)

      2.1: Atoomstructuur - Biologie

      Voor online hulp bij dit onderwerp, zie de chemische module "Atomic and Nuclear Structure" die de volgende onderwerpen behandelt: Fundamentele concepten nucleaire vergelijkingen elektromagnetische straling golf-deeltjes dualiteit Bohr-model.

      Meer geavanceerde onderwerpen zijn te vinden in de volgende chemische modules:

      "Atomen, elektronen en orbitalen", dat zich bezighoudt met de onderwerpen: Atomaire orbitalen - vormen, kwantumgetallen subschilstructuren van atomen en ionen.

      "Atomic Properties", dat zich bezighoudt met de onderwerpen: Het concept van kernlading en de relatie met fundamentele atomaire eigenschappen.

      "Electronic Strudture of Atoms and Ions", dat zich bezighoudt met de onderwerpen: Trends in atomaire eigenschappen in relatie tot het periodiek systeem.

      "Quantum Numbers and Atomic Orbitals", een geavanceerde module over atomaire orbitalen.

      Atomaire structuur (geavanceerde vragen)

      Snelkoppeling naar vragen

      Geef voor één atoom van de isotoop 34 X (atoomnummer 16)

      (2) het aantal elektronen

      (3) de elektronische configuratie van het atoom in de grondtoestand

      (4) een vergelijking voor één typische reactie van het element

      Twee isotopen van calcium (atoomnummer 20) zijn 40 Ca en 44 Ca.

      Geef voor zowel 40 Ca als 44 Ca 2+ de volgende informatie:

      (6) elektronische orbitale configuratie

      (1) Schrijf de gedetailleerde elektronische configuraties (in termen van subschillen) voor de atomen van de volgende elementen:

      (2) Houd er rekening mee dat, gezien deze configuraties, mangaan een groter aantal oxidatietoestanden heeft dan zink.

      (1) Bereken de golflengte van een kogel (massa 7,0 g) die beweegt met een snelheid van 1,1 x 103 m s -1 .

      (2) Wat is de golflengte van een elektron dat met dezelfde snelheid beweegt? Waarom is het golfkarakter van materie duidelijker bij het elektron dan bij de kogel?

      Wanneer een foton een metalen oppervlak raakt, is er een bepaalde minimale energie nodig om een ​​elektron uit het metaal te werpen. Deze minimale of drempelenergie staat bekend als de werkfunctie van het metaal. Elke energie in het originele foton boven dit minimum wordt vertaald in kinetische energie voor het uitgestoten elektron. De drempelgolflengte voor foto-elektrische emissie van lithium, waarboven geen elektronen worden uitgezonden, is 520 nm. Bereken de snelheid van elektronen die worden uitgezonden als gevolg van absorptie van licht bij 360 nm.

      Zoek voor straling die bestaat uit fotonen met een energie van 5,0 x 10 -16 J:

      Het spectrum van kwikdamp vertoont sterke emissie bij de golflengten van 165 nm, 254 nm, 365 nm, 546 nm en 735 nm. Bereken de energie, in kJ mol -1 , die bij elk van deze overgangen hoort, en geef aan in welk gebied van het elektromagnetische spectrum de lijnen liggen.

      Het Bohr-model van het waterstofatoom kan worden gebruikt om de energie van verschillende elektronische overgangen binnen het waterstofatoom te voorspellen. In dit model wordt aangenomen dat elektronen bestaan ​​binnen bepaalde "banen" (aangeduid met het symbool N) die elk een bijbehorende discrete energie hebben. De energie van een elektron in een bepaalde baan N = E(N)

      = (-2,18 x 10 -18 J) x (1 / N 2), alleen voor het waterstofatoom.

      (1.) Bereken het golfgetal (cm -1 ) en de golflengte (nm) van de eerste drie lijnen in de Lyman-reeks van het atomaire spectrum van waterstof.

      (2.) Wat is de beperkende golflengte van de reeks?

      (3.) Wat is de energie van de eindtoestand (N = 1) voor alle overgangen in de reeks?

      (4.) Wat is de ionisatiepotentiaal van het waterstofatoom, gegeven eV = H n , waarbij e = elektronische lading en V = potentiaal in volt.

      Bereken de de Broglie-golflengte (nm) van:

      (1) een elektron dat reist met een snelheid van 1,2 x 109 cm s -1

      (2) een golfbal met een massa van 170 g, reizend met een snelheid van 3,58 x 103 cm s -1

      Het intens gele licht van een natriumstraatlantaarn ontstaat door een elektronensprong van het 3p- naar het 3s-niveau.

      De golflengte van het licht is 590 nm (5,9 x 10 -7 m). Wat is de energie voor deze overgang in kJ mol -1 ?

      Atoomstructuur (Geavanceerde antwoorden)

      (1) Het aantal protonen is gelijk aan het atoomnummer, dat is 16.

      (2) We nemen hier aan dat het betreffende atoom neutraal is, aangezien er geen expliciete ladingen zijn genoemd. In een neutraal atoom is het aantal elektronen gelijk aan het aantal protonen, dat is 16.

      (3) De elektronische configuratie wordt gevonden door alle beschikbare elektronen toe te wijzen aan orbitalen, te beginnen met 1s. De configuratie voor 16 elektronen is 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 .

      (4) Opmerkend dat de buitenste orbitaal (de 3p-orbitaal) twee elektronen te kort is om vol te zijn, zouden we verwachten dat een typische oxidatietoestand van "X" -II is. Met behulp van 3D-orbitalen zijn ook +IV- en +VI-oxidatietoestanden mogelijk. We kunnen dit identificeren als zwavel, dat een breed scala aan reacties ondergaat. Zwavel kan reageren met metalen om de S2-ion (-II oxidatietoestand) te produceren, bijv. reactie met strontium:

      Zwavel kan ook reageren met niet-metalen om verbindingen te produceren in +IV- en +VI-oxidatietoestanden, bijv. verbranding in zuurstof:

      (1) Het atoomnummer is uniek voor elk element en is hetzelfde voor alle isotopen van een element, aangezien het niet afhangt van het aantal aanwezige neutronen. Daarom is het atoomnummer voor beide isotopen 20. Merk op dat het atoomnummer alleen afhangt van het aantal aanwezige protonen, dus de lading op het 44 Ca 2+-ion (dat ontstaat door het verlies van twee elektronen) verandert hier niets aan.

      (2) Het massagetal is het aantal (protonen + neutronen) dat aanwezig is (dwz de som van de belangrijkste bijdragen van massa binnen het atoom). Voor 40 Ca is dit 40. Merk op dat de lading die aanwezig is op het 44 Ca 2+-ion geen invloed heeft op de samenstelling van de kern, en het massagetal is 44.

      (3) Het aantal elektronen is gelijk aan het aantal protonen in een neutraal atoom, dus het aantal elektronen in 40 Ca is 20. De 44 Ca 2+ isotoop, met een lading van +2, mist 2 elektronen en bevat daarom slechts 18 elektronen.

      (4) Het aantal neutronen wordt gevonden uit het verschil tussen de atoommassa (geen protonen + neutronen) en het atoomnummer (geen protonen). Dus voor 40 Ca is dit gelijk aan 40 - 20 = 20 neutronen. Voor 44 Ca 2+ is dit 44 - 20 = 24. Dit laat zien dat isotopen ontstaan ​​uit verschillende aantallen neutronen.

      (5) Dit is gelijk aan het atoomnummer en is 20 voor beide isotopen.

      (6) 40 Ca: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2

      44 Ca 2+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

      Let op het verlies van de twee buitenste elektronen in het Ca 2+-ion.

      (1) (a) Mn : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2

      (b) Zn : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2

      (2) Mn is een overgangselement met een onvolledig gevulde 3D-schil. De volledig gevulde 3D-schaal in zink leidt tot stabiliteit en verwijdering van de 4s-elektronen met slechts een relatief lage ionisatie-energie om het 2+-ion te vormen, de enige algemene oxidatietoestand van zink (+II). De gevulde 3D-orbitaal kan niet deelnemen aan binding. Voor mangaan zijn zowel de 3d- als de 4s-subschil beschikbaar voor bezetting door elektronen te binden, dus een breed scala aan oxidatietoestanden wordt waargenomen.

      De de Broglie-golflengte geassocieerd met materie wordt gevonden uit &lambda = h / m v, waarbij m massa (kg) is en v snelheid (m s -1 ).

      (1) Voor de kogel geldt m = 0,0070 kg en v = 1,1 x 103 m s -1 .

      Met behulp van de de Broglie-golflengtevergelijking,

      &lambda = (6,626 x 10 -34 J s) / (0,0070 kg) x (1,1 x 103 m s -1) = 8,6 x 10 -35 m

      (2) Voor het elektron, m = 9,11 x 10-31 kg en v = 1,1 x 103 m s -1 .

      &lambda = (6.626 x 10 -34 J s) / (9.11 x 10 -31 kg) x (1,1 x 103 m s -1)

      Het golfkarakter van het elektron, dat in het bereik van nanometers ligt, is duidelijk omdat het gemakkelijk kan worden gedetecteerd door bijvoorbeeld diffractie door een rooster. Aan de andere kant is het waarnemen van een golflengte in de orde van grootte van 10-35 m niet haalbaar.

      De eerste stap is om de werkfunctie van het metaal te berekenen uit de drempelgolflengte die in de vraag wordt genoemd.

      E van 520 nm foton = h c / &lambda

      = (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 108 m s -1) / (520 x 10 -9 m)

      = 3,82 x 10 -19 J per foton. Dit is de werkfunctie van het metaal (de energie die nodig is om één elektron te ioniseren)

      E van 360 nm foton = h c / &lambda

      = (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 108 m s -1) / (360 x 10 -9 m)

      De kinetische energie van het uitgestoten elektron is gelijk aan de energie van het binnenkomende 360 ​​nm foton minus de werkfunctie.

      &there4 De kinetische energie van het uitgestoten elektron

      = 5,52 x 10 -19 J - 3,82 x 10 -19 J

      Nu zal de kinetische energie van het elektron gelijk zijn aan m v 2 (waarbij m massa is in kg, v is snelheid in m s -1 ).

      Oplossen voor v hebben we v = (2E / m)

      = (2,00 x 1,70 x 10 -19 J / 9,11 x 10-31 kg)

      = (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 108 m s -1) / (5,0 x 10 -16 J)

      (2) Het golfgetal is het aantal golflengten in 1 cm (dit blijkt uit de eenheden cm -1 ). De golflengte is 4,0 x 10 -10 m, dus het aantal golflengten in 1 cm = (0,01 m) / (4,0 x 10 -10 m) = 2,5 x 107 cm -1 .

      = (5,0 x 10 -16 J) / (6,626 x 10-34 J s) = 7,5 x 10 17 Hz.

      E per mol = NEEN h c / &lambda

      E per mol (165 nm) = (6.022 x 10 23 mol -1) x (6.626 x 10-34 J s) x (3,00 x 108 ms -1) / (165 x 10 -9 m)

      = 725 kJmol-1. Dit is in het ultraviolette gebied.

      E per mol (254 nm) = (6.022 x 10 23 mol -1) x (6.626 x 10-34 J s) x (3,00 x 108 ms -1) / (254 x 10 -9 m)

      = 471 kJmol-1. Dit is in het ultraviolette gebied.

      E per mol (365 nm) = (6.022 x 10 23 mol -1) x (6.626 x 10-34 J s) x (3,00 x 108 ms -1) / (365 x 10 -9 m)

      = 328 kJmol-1. Dit is net binnen het ultraviolette gebied.

      E per mol (546 nm) = (6.022 x 10 23 mol -1 ) x (6.626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 108 ms -1 ) / (546 x 10 -9 m)

      = 219 kJmol-1. Dit is in het zichtbare gebied (groen - geel).

      E per mol (735 nm) = (6.022 x 10 23 mol -1) x (6.626 x 10-34 J s) x (3,00 x 108 ms -1) / (735 x 10 -9 m)

      = 163 kJ mol -1 . Dit is in het zichtbare gebied (rood).

      De overgang van een elektron van een hogere naar een lagere baan gaat gepaard met de emissie van een foton. Hoe groter het energieverschil van de banen, hoe hoger de energie van het uitgezonden foton.

      In het Bohr-model van het atoom worden de banen aangeduid met het symbool N, waar N = 1 is het dichtst bij de kern, N = 2 de volgende uit, enz.

      (1) De Lyman-reeks is de reeks overgangen van alle banen tot aan N = 1. De eerste drie regels komen voort uit de N = 2, 3 en 4 tot N = 1 overgangen.

      De energie van een overgang wordt gevonden uit het energieverschil tussen de twee banen. De energie van een bepaalde baan N = E(N)

      = -me e 4 Z 2 / 2 (H / 2 p ) 2 N 2 = (-2,18 x 10 -18 J) x (Z 2 / N 2 ),

      waarbij Z = lading van de kern en N is het baannummer.

      Voor het waterstofatoom Z = 1, dus we hebben

      E(N) = (-2,18 x 10 -18 J) x (1 / N 2 ).

      Om het verschil in energie tussen twee banen te vinden (wat gelijk is aan de energie van het uitgezonden foton), &Delta E = Elaatste - Einitial

      = (-2.18 x 10 -18 J) x [(1 / Nfinal 2 ) - (1 / Ninitial 2 )].

      Once the energy is known, the wavelength and wavenumber can be calculated as usual.

      So, for the N = 2 &rarr 1 transition (which corresponds to the first line in the Lyman series), Nfinal = 1, and Ninitial = 2, so

      E(N = 2 &rarr 1) = (-2.18 x 10 -18 J) x [(1 / 1 2 ) - (1 / 2 2 )]

      = -1.64 x 10 -18 J. Note that the negative energy value comes from defining the energy of an electron to be zero when completely removed from the atom, so an electron in an orbit has a negative energy by this definition. However, in the context of subsequent calculations this energy value is often taken as positive to provide physically relevant results (this is obvious when looking at the units being calculated - for instance, a wavelength calculated using a negative energy value would have a negative length!)

      = (6.626 x 10 -34 J s) x (3.00 x 10 8 ms -1 ) / (1.64 x 10 -18 J) = 121 nm.

      wavenumber = 1 cm / &lambda = 0.01 m / 121 x 10 -9 m = 8.25 x 10 4 cm -1 .

      Voor de N = 3 &rarr 1 transition (which corresponds to the second line in the Lyman series), Nfinal = 1, and Ninitial = 3,

      so E(N = 3 &rarr 1) = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / 1 2 ) - (1 / 3 2 )) = -1.94 x 10 -18 J.

      = (6.626 x 10 -34 J s) x (3.00 x 10 8 ms -1 ) / (1.94 x 10 -18 J) = 102 nm.

      wavenumber = 1 cm / &lambda = 0.01 m / 102 x 10 -9 m = 9.80 x 10 4 cm -1 .

      Voor de N = 4 &rarr 1 transition (which corresponds to the second line in the Lyman series), Nfinal = 1, and Ninitial = 4,

      so E(N = 4 &rarr 1) = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / 1 2 ) - (1 / 4 2 )) = -2.04 x 10 -18 J.

      = (6.626 x 10 -34 J s) x (3.00 x 10 8 ms -1 ) / (2.04 x 10 -18 J) = 97.4 nm.

      wavenumber = 1 cm / &lambda = 0.01 m / 97.4 x 10 -9 m = 1.03 x 10 5 cm -1 .

      (2) The limiting wavelength will correspond to the maximum transition energy. This will be the transition from N = &infin &rarr 1, ie an electron which is completely removed from the nucleus falling into the N = 1 orbit. Looking at the equation for transition energy:

      &Delta E = Efinal - Einitial = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / Nfinal 2 ) - (1 / Ninitial 2 ))

      In this limiting case where Ninitial = &infin , the (1 / Ninitial 2 ) term disappears and Nfinal = 1, giving &Delta E = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / Nfinal 2 )

      = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / 1 2 ) = -2.18 x 10 -18 J.

      The limiting wavelength is then found using this energy value:

      = (6.626 x 10 -34 J s) x (3.00 x 10 8 ms -1 ) / (2.18 x 10 -18 J) = 91.2 nm.

      (3) The energy of the N = 1 state is defined with respect to a completely removed electron, and will therefore correspond to the energy of the transition found in part (2.) , E = 2.18 x 10 -18 J.

      (4) The ionisation potential is the energy required to completely remove an electron from an orbit. In the case of a neutral hydrogen atom there is one electron in the N = 1 orbital. Removing this electron (N = 1 &rarr &infin ) is the exact reverse of the transition described in part (2.) , (N = &infin &rarr 1). As a result the energy will be the same (2.18 x 10 -18 J), except that ionisation involves photon absorptie liever dan emission. Ionisation potentials are often meausred in electron volts (eV) (1 eV = 1.6 x 10 -19 J). Therefore the ionisation potential in eV = (2.18 x 10 -18 J) / (1.6 x 10 -19 eV J -1 ) = 13.6 eV.

      The de Broglie wavelength is found from &lambda = H / m v, where m is mass (kg) and v is velocity (m s -1 )

      (1.) me = 9.11 x 10 -31 kg, v = 1.2 x 10 9 cm s -1 = 1.2 x 10 7 m s -1 .

      &lambda = H / m v = (6.626 x 10 -34 J s) / [(9.11 x 10 -31 kg) (1.2 x 10 7 m s -1 )]

      (2.) m = 0.170 kg, v = 3.58 x 10 3 cm s -1 = 3.58 x 10 1 m s -1 .

      &lambda = H / m v = (6.626 x 10 -34 J s) / [(0.170 kg) (3.58 x 10 1 m s -1 )]

      E per mol = NEEN h c / &lambda

      E per mol (590 nm) = (6.022 x 10 23 mol -1 ) x (6.626 x 10 -34 J s) x (3.00 x 10 8 ms -1 ) / (590 x 10 -9 m)


      (een) Explain the carbon- 12 standard.

      (b) Complete the table showing the relative charges of the particles.

      particle opladen
      proton
      neutron
      electron

      (c) Deuterium, 2 H, is an isotope of hydrogen.

      (i) Define the term isotopen

      (ii) Draw a labelled diagram showing the constituent particles in a deuterium atom.

      (iii) Name the instrumental method used to determine accurate atomic masses.

      (iv) Use the values of the masses of the sub-atomic particles to calculate the mass, in amu, of a deuterium atom.

      (v) The actual mass of a deuterium atom is 2.014102 amu. Calculate the mass lost, in amu, when the sub-atomic particles fuse together.

      (vi) The mass lost is converted into radiant energy according to Einstein's equation E = mc 2 (m is measured in kilograms and c is the speed of light in m s -1 ). Using this equation, together with E = hv, calculate the frequency of the radiation emitted.

      (c = 3 x 10 8 ms -1 , 1 amu = 1.66 X 10 -27 kg)

      5 (a) Explain why 235 92U and 238 92U are regarded as isotopes of uranium.

      (b) The natural abundance of the two isotopes of uranium is:

      Use the values to calculate the relative atomic mass of uranium to two decimal places.

      (c) Sketch the mass spectrum (not to scale) of naturally occurring uranium. Label the axes. [3]


      Frequently Asked Questions (FAQs) about Atomic Structure

      What are the names of scientists who discovered electron, proton and neutron?

      Which sub-atomic particle has minus one charge and negligible mass?

      What is the charge on proton and neutron?

      Which model of atomic structure is called plum-pudding model or water-melon model?

      Which model of atomic structure is also called nuclear model of atom?

      Which model of atomic structure proposed that certain special orbits of electrons are found inside the atom?

      Which term refers to the total of protons and neutrons in the nucleus of an atom?

      Which term is used for atoms having the same mass number and different atomic number?

      Which term is used for atoms of the same element having same atomic numbers (Z) and different mass number (A)?

      Which isotope is used in the treatment of cancer?