Struktur dan sifat atom · AP Chemistry

Bab 1 · Struktur dan sifat atom

mol, petala, spektrum

Atom terlalu kecil untuk dikira satu demi satu. Kimia mengiranya dengan menimbang, dan menerangkan apa yang dilakukannya melalui kedudukan elektronnya.

Rajah ini ialah model petala bagi atom. Nukleus mengandungi proton (merah) dan neutron. Elektron berada dalam petala di sekelilingnya, dipegang oleh tarikan kepada nukleus. Apabila rajah menambah satu proton dan satu elektron pada satu masa, ia bergerak daripada hidrogen, Z = 1, kepada kalsium, Z = 20.

Elektron dalam petala paling luar ialah elektron valens (merah). Itulah elektron yang atom lepaskan, terima atau kongsi, jadi ia menentukan kelakuan sesuatu unsur.

Bab ini mengira atom dengan mol, membaca isotop daripada spektrum jisim dan menentukan komposisi sebatian dan campuran. Kemudian ia membina atom petala demi petala dengan hukum Coulomb, menyemak petala dengan spektrum fotoelektron, dan menerangkan trend berkala serta cas ion.

1.1 · Mengira atom dengan menimbang

mol dan jisim molar

Setiap dulang menerima bilangan atom yang sama, karbon di kiri dan magnesium di kanan. Dulang magnesium sentiasa 2.02 kali lebih berat.

Atom berjisim sangat kecil, jadi ia diukur dalam unit jisim atom (amu): 1 amu = 1.6605 × 10⁻²⁴ g. Atom karbon purata berjisim 12.01 amu, dan atom magnesium purata 24.31 amu.

Satu mol ialah 6.022 × 10²³ zarah, iaitu nombor Avogadro N_A. Ia dipilih supaya satu mol atom mempunyai jisim dalam gram yang sama dengan jisim satu atom dalam amu. Jisim itu ialah jisim molar: 12.01 g/mol bagi karbon dan 24.31 g/mol bagi magnesium.

n = \frac{m}{M} \qquad N = n\,N_\text{A}

Di sini n ialah kuantiti dalam mol, m jisim, M jisim molar dan N bilangan zarah. Berapakah bilangan atom dalam 5.00 g magnesium?

\begin{aligned}n &= \frac{5.00\ \text{g}}{24.31\ \text{g/mol}} = 0.2057\ \text{mol} \\ N &= 0.2057 \times 6.022\times10^{23} = 1.24\times10^{23}\end{aligned}

Jisim molar sesuatu sebatian ialah hasil tambah jisim molar atomnya: H₂O ialah 2(1.008) + 16.00 = 18.02 g/mol.

1.2 · Isotop dan jisim purata

spektrum jisim bagi suatu unsur

Atom satu unsur semuanya mempunyai bilangan proton yang sama, tetapi tidak selalu bilangan neutron yang sama. Versi ini ialah isotop, dan jisimnya berbeza.

Satu spektrum jisim bagi sesuatu unsur menunjukkan satu puncak bagi setiap isotop. Kedudukan puncak ialah jisim isotop; ketinggiannya ialah kelimpahan relatif isotop, iaitu peratusan atom yang merupakan isotop itu. Magnesium mempunyai tiga:

isotop	²⁴Mg	²⁵Mg	²⁶Mg
jisim (amu)	23.985	24.986	25.983
kelimpahan (%)	78.99	10.00	11.01

Jisim atom relatif purata pada jadual berkala ialah min bagi semua atom, jadi setiap isotop dikira mengikut kelimpahannya:

\begin{aligned}&23.985(0.7899) \ &+ 24.986(0.1000) \ &+ 25.983(0.1101) \\ &= 24.31\ \text{amu}\end{aligned}

Dalam rajah, atom dikira satu demi satu. Pada awalnya puncak dan purata merah melompat-lompat; apabila kiraan bertambah, ia menetap pada spektrum sebenar dan pada 24.31 amu.

Tiada satu atom magnesium pun yang berjisim 24.31 amu: ia ialah purata. Purata itu paling hampir dengan isotop yang paling banyak. Klorin ialah 75.76% ³⁵Cl dan 24.24% ³⁷Cl, jadi puratanya, 35.45 amu, jauh lebih dekat dengan 35 daripada 37.

1.3 · Komposisi tetap

peratus jisim dan formula empirik

Sebatian tulen mempunyai komposisi yang sama dalam setiap sampel: unsur yang sama dalam nisbah jisim yang sama. Inilah hukum perkadaran tetap.

Peratus jisim sesuatu unsur dalam sebatian ialah jisim unsur itu dalam satu mol sebatian dibahagi jisim molar. Bagi etena, C₂H₄:

\%\,\text{C} = \frac{2(12.01)}{28.05} \times 100 = 85.6\%

Formula empirik memberikan nisbah bilangan bulat teringkas bagi atom. Etena dan siklopropana, C₃H₆, kedua-duanya terurai menjadi unit CH₂, jadi kedua-duanya mempunyai formula empirik CH₂ dan peratus jisim yang sama, 85.6% C dan 14.4% H. Data jisim sahaja menemui formula empirik, bukan formula molekul.

Daripada peratus jisim kembali kepada formula: ambil 100 g, jadi setiap peratus ialah gram; tukar kepada mol; bahagi dengan yang terkecil. Satu sebatian ialah 40% C, 6.71% H dan 53.3% O:

	gram	mol	÷ terkecil
C	40	40 / 12.01 = 3.331	1.00
H	6.71	6.71 / 1.008 = 6.657	2.00
O	53.3	53.3 / 16 = 3.331	1.00

Nisbahnya ialah 1 : 2 : 1, jadi formula empiriknya ialah CH₂O. Glukosa, C₆H₁₂O₆, mempunyai komposisi ini.

1.4 · Campuran berbeza-beza

komposisi campuran

Campuran ialah dua atau lebih bahan yang tidak bergabung secara kimia. Tidak seperti sebatian tulen, komposisinya boleh berbeza antara satu sampel dengan sampel yang lain.

Sampel dalam rajah ialah campuran natrium klorida dan kalium klorida. Setiap garam tulen mempunyai peratusan klorin mengikut jisim yang tetap:

\begin{aligned}\text{NaCl:}\ \frac{35.45}{58.44} &= 60.66\%\ \text{Cl} \\ \text{KCl:}\ \frac{35.45}{74.55} &= 47.55\%\ \text{Cl}\end{aligned}

Apabila campuran berubah, peratusan klorin bergerak sepanjang garis lurus antara kedua-dua nilai itu. Jika x ialah pecahan jisim NaCl:

\%\,\text{Cl} = 60.66\,x + 47.55\,(1 - x)

Analisis unsur menggunakan cara yang bertentangan. Sebuah sampel didapati mengandungi 55.0% Cl mengikut jisim. Maka

x = \frac{55.0 - 47.55}{60.66 - 47.55} = 0.568

jadi sampel itu mengandungi 56.8% NaCl mengikut jisim. Penaakulan yang sama digunakan untuk mencari kemurnian sampel: jika bendasing tidak mengandungi unsur yang diukur, bendasing itu menurunkan peratus jisim unsur tersebut kepada nilai di bawah nilai sebatian tulen.

1.5 · Elektron dalam petala

Hukum Coulomb dan konfigurasi elektron

Atom ialah nukleus positif yang kecil dan tumpat dengan elektron negatif di sekelilingnya. Nombor atom Z ialah bilangan proton, dan dalam atom neutral ia juga ialah bilangan elektron.

Apa yang memegang elektron ialah tarikan elektrostatiknya kepada nukleus. Hukum Coulomb menyatakan bahawa daya antara dua cas bertambah dengan cas itu dan berkurang dengan kuasa dua jarak antara keduanya:

F \propto \frac{q_1 q_2}{r^2}

Jadi elektron dipegang lebih kuat, dan memerlukan lebih banyak tenaga untuk dikeluarkan, apabila nukleus mempunyai lebih banyak proton atau apabila elektron lebih dekat dengannya.

Elektron menempati petala (n = 1, 2, 3, …) pada jarak yang semakin jauh, dan setiap petala mempunyai subpetala: s memuatkan 2 elektron, p memuatkan 6. Elektron mengisi subpetala bertenaga paling rendah dahulu (prinsip aufbau), mengikut urutan 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s. Gambar rajah orbital di sebelah kanan menunjukkan setiap orbital sebagai kotak yang memuatkan paling banyak dua elektron berspin bertentangan. Hasilnya ialah konfigurasi elektron:

N (Z = 7)	1s² 2s² 2p³
Na (Z = 11)	1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
Cl (Z = 17)	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
Ca (Z = 20)	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

Petala dalam yang telah penuh ialah elektron teras. Ia terletak antara nukleus dan elektron valens serta melindungi elektron valens: satu elektron 3s natrium merasai 11 protonnya sebahagiannya dibatalkan oleh 10 elektron teras, jadi ia dipegang secara longgar.

Konfigurasi sesuatu ion bergantung pada bilangan elektronnya: Na⁺ mempunyai 10 elektron, 1s² 2s² 2p⁶, dan Cl⁻ mempunyai 18, iaitu konfigurasi argon.

1.6 · Mengukur petala

spektroskopi fotoelektron

Spektroskopi fotoelektron (PES) menguji model petala secara langsung. Foton bertenaga tinggi menyebabkan elektron tercabut daripada atom, dan tenaga yang diperlukan oleh setiap elektron untuk terlepas diukur.

Tenaga itu ialah tenaga pengikat elektron. Tenaga foton diketahui, jadi tenaga kinetik elektron semasa ia keluar memberikan tenaga pengikat: tenaga pengikat = tenaga foton − tenaga kinetik.

Elektron dalam subpetala yang sama mempunyai tenaga pengikat yang sama, jadi setiap subpetala menghasilkan satu puncak. Kedudukan puncak ialah tenaga pengikatnya: sekuat mana subpetala itu dipegang. Ketinggiannya berkadar dengan bilangan elektron di dalamnya. Silikon:

subpetala	1s	2s	2p	3s	3p
tenaga pengikat (MJ/mol)	178	15.1	10.3	1.46	0.79
ketinggian relatif	2	2	6	2	2

Tenaga pengikat diplot bertambah ke kiri, dan dalam rajah pada skala log supaya 178 dan 0.79 muat pada satu paksi. Lima puncak ialah lima subpetala, 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²; jumlah ketinggian ialah 14, iaitu nombor atom silikon.

Spektrum itu mengikut hukum Coulomb. Elektron 1s paling dekat dengan nukleus dan tidak terlindung, jadi puncaknya jauh ke kiri. Subpetala yang sama berada pada tenaga pengikat yang lebih tinggi dalam unsur yang mempunyai lebih banyak proton: 1s ialah 104 MJ/mol dalam natrium dan 126 MJ/mol dalam magnesium.

1.7 · Trend berkala

saiz, tenaga pengionan dan keelektronegatifan

Merentasi kala, atom menjadi lebih kecil dan memegang elektronnya dengan lebih kuat. Menuruni kumpulan, atom menjadi lebih besar dan memegangnya dengan kurang kuat. Hukum Coulomb dan model petala menerangkan kedua-duanya.

Merentasi kala, setiap unsur mempunyai satu proton lebih banyak, tetapi elektron baharu menyertai petala yang sama. Teras tidak berubah, jadi perisai hampir tidak berubah, dan elektron valens ditarik dengan lebih kuat. Menuruni kumpulan, setiap unsur menambah satu petala: elektron valens lebih jauh dan dilindungi oleh lebih banyak elektron teras.

kala 3	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl
jejari (pm)	166	141	121	111	107	105	102
IE₁ (kJ/mol)	496	738	578	787	1012	1000	1251

Jejari atom berkurang merentasi kala dan bertambah menuruni kumpulan. Tenaga pengionan pertama, iaitu tenaga untuk mengeluarkan satu elektron daripada atom berfasa gas, berlaku sebaliknya: ia paling rendah bagi logam alkali dan paling tinggi bagi gas adi. Dua lekukan kecil, pada boron dan oksigen dalam kala 2 (aluminium dan sulfur dalam kala 3), datang daripada struktur subpetala; corak keseluruhannya ialah corak Coulomb.

Keelektronegatifan, tarikan sesuatu atom terhadap elektron dalam ikatan yang dikongsinya, mengikut tenaga pengionan: ia meningkat merentasi kala dan berkurang menuruni kumpulan, jadi fluorin ialah unsur paling elektronegatif. Afiniti elektron, perubahan tenaga apabila atom memperoleh elektron, juga cenderung menjadi lebih menguntungkan merentasi kala.

Ion berbeza saiznya daripada atomnya: kation lebih kecil daripada atomnya kerana telah kehilangan elektron luarnya, dan anion lebih besar kerana elektron tambahannya ditolak oleh elektron lain.

1.8 · Elektron valens membentuk ion

cas dan formula sebatian ion

Natrium mempunyai satu elektron valens dan klorin mempunyai tujuh. Apabila bertindak balas, natrium kehilangan elektronnya, klorin memperolehnya, dan kedua-dua ion itu saling menarik.

Bagi unsur kumpulan utama, bilangan elektron valens ditentukan oleh kumpulannya, dan cas tipikal ionnya ditentukan daripada itu. Logam kehilangan elektron valensnya; bukan logam memperoleh elektron yang cukup untuk memenuhi petala valensnya. Dalam kedua-dua keadaan, ion itu mempunyai konfigurasi elektron gas adi.

kumpulan	1	2	13	15	16	17
elektron valens	1	2	3	5	6	7
ion	Na⁺	Mg²⁺	Al³⁺	N³⁻	O²⁻	Cl⁻

Natrium berhenti pada +1 kerana elektron seterusnya ialah elektron teras. Tenaga pengionan pertamanya ialah 496 kJ/mol, tetapi tenaga pengionan keduanya ialah 4562 kJ/mol: elektron itu berada dalam petala kedua, lebih dekat dengan nukleus dan tidak dilindungi oleh elektron 3s yang telah pergi.

Tarikan antara ion juga bersifat Coulomb, dan sebatian ion tidak mempunyai cas bersih, jadi formulanya mengimbangkan cas: NaCl, MgCl₂, Na₂O, Al₂O₃. Unsur dalam kumpulan yang sama membentuk ion yang bercas sama dan oleh itu sebatian yang berbentuk sama: Na₂O dan K₂O, MgCl₂ dan CaCl₂.

Dalam pepejal, ion yang bercas bertentangan mengelilingi satu sama lain dalam kekisi: dalam natrium klorida setiap Na⁺ mempunyai enam jiran Cl⁻, dan setiap Cl⁻ mempunyai enam jiran Na⁺.