Elektronkonfigurationer

[0:01]Nu när du har fått lära dig vilka atomens olika beståndsdelar är, elektroner, protoner och neutroner, så ska vi också gå igenom hur de bygger upp själva atomen. Eller, rättare sagt, det vi ska titta på nu är hur elektronerna är fördelade på de olika skal eller rättare sagt energinivåer som Nils Bohr identifierade. Det är den fördelningen som kallas för atomens elektronkonfiguration. Men vi ska faktiskt börja med en liten avstickare till den här mannen, Dimitri Mendelejev. Det hans stora bedrift här i livet var, det var att han var den första till att ordna grundämnena i ett periodiskt system. Det var så här att i mitten på 1800-talet hade man upptäckt ett 60-tal grundämnen. Man hade också kunnat bestämma deras relativa atommassa, det vill säga man hade jämfört atomernas massa med varann och kunde säga att till exempel en kolatom vägde 12 gånger så mycket som en väteatom, medan en litiumatom bara vägde sju gånger så mycket som en väteatom. När han ordnade alla grundämnena efter vikt, så upptäckte han att vissa egenskaper hos grundämnena upprepades sig med en viss regelbundenhet, alltså en viss periodicitet. De ämnena satte han i samma grupp. Det blev ett periodiskt system som såg ut ungefär så här. En sak som så småningom visade sig vara bra med det periodiska system som Mendeleev presenterade, det var att det råkade överensstämma med hur elektronerna är fördelade i varje atom, alltså elektronkonfigurationen. Och här kan man säga att Mendeleev hade lite tur, för varken elektronen eller elektronskalen hade upptäckts vid den här tiden. Så här ser nu istället ett modernt periodiskt system ut. I perioderna, det är de vågräta raderna, har atomerna samma antal elektronskal. I grupperna, det är de lodräta kolumnerna, som till exempel den här, har atomerna samma antal valenselektroner. Och vad det betyder, det ska jag ägna en god tid av den här videogenomgången att förklara. Vad du först och främst ska lägga märke till i det periodiska systemet, det är dock det här: att atomerna är ordnade efter atomnummer, inte atommassa, som Mendeleev först gjorde. Vi har atomnummer ett här uppe till vänster, det är väte, och atomnummer 118, den allra sista atomen i det periodiska systemet, här nere till höger, Oganesson. Vi skriver om ordningen i det periodiska systemet, att atomerna ordnas efter atomnummer. Elektronerna i atomen ordnas i elektronskal så att de får lägsta möjliga energi. Det betyder att de placeras så nära kärnan som möjligt, för ju närmare kärnan de är, desto lägre energi har de. Vi börjar nu med att titta på vätets elektronkonfiguration och så ritar vi upp en modell av en väteatom här till höger. Väte, det har ju atomnummer ett, så det betyder att den har en enda proton i sin kärna. I min lilla modell här kan du säga att det bara är en proton och inga neutroner alls i den här atomen. Antalet neutroner är alltså noll. Det betyder att masstalet för den här nukliden är ett. Det finns visserligen två andra väteisotoper också, med en respektive två neutroner i sig, men de går jag inte in på just nu. Vi ser slutligen också att vi har en elektron i K-skalet. Eftersom elektronen är minusladdad och protonen plusladdad, blir atomens sammanlagda laddning noll, den är alltså oladdad. Nästa grundämne i det periodiska systemet, det är helium som jag har ritat upp här. Helium har atomnummer två och du kan också se att den har två röda protoner här i kärnan. I modellen av den här heliumisotopen finns det också två neutroner. Därför är masstalet för den här heliumisotopen 2 + 2 = 4. För att balansera ut de två plusladdningarna i protonerna finns det också två elektroner här i K-skalet. Vi tar och ritar upp det tredje grundämnet också, litium. Litium har atomnummer tre och det är på grund av att det finns tre protoner i kärnan. I den här litiumisotopen som jag har ritat en modell för finns det även fyra neutroner så därför får den masstalet sju. Nu är det också tre elektroner i den här atomen, men ser du här, i K-skalet får du bara plats två elektroner. Den tredje elektronen får inte plats i K-skalet, utan måste placeras i nästa skal, L-skalet. Så, i K-skalet får du uppenbarligen bara plats två elektroner, men hur ser det ut för de andra elektronskalen? Vi gör en enkel tabell så här, med skal ett, två, tre, fyra, alltså K L M och N. Och så skriver vi att det maximala antalet elektroner är två i K-skalet, åtta i L-skalet, 18 i M-skalet och 32 i N-skalet. Det finns en formel för att räkna ut det där också om man vill, och det är att i skal N så finns det plats för 2 * N² elektroner. Men, och det här är ett viktigt men, i det yttersta skalet, vilket det än må vara, så får det maximalt plats åtta elektroner. Det är för att åtta elektroner i det yttersta skalet är extra stabilt, något som kallas för ädelgaskonfiguration. Vi ska ta och titta på elektronkonfigurationen för några atomer för att förklara det. Så, nu har det blivit dags för ännu en tabell, den här gången av det större slaget. Och ja, skriv av den du med, för den är bra. I tabellhuvudet skriver vi in grundämne och atomnummer, och sen antal elektroner i K, L, M och N-skalen. Vi börjar här med väte, och den råkar jag veta har atomnummer ett, så det skriver vi in direkt här. Och eftersom den har atomnummer ett, så finns det också en enda proton i kärnan. Därmed vet vi att det också bara finns en enda elektron, och den sätter vi in i K-skalet då. L, M och N-skalen är tomma. Nästa grundämne som vi ska titta på är helium. Helium har atomnummer två och har därför två protoner i kärnan, och då också två elektroner som ska fördelas. De hamnar båda två i K-skalet. Litium kommer du kanske ihåg från alldeles nyss att det har atomnummer tre. Eftersom det då är tre protoner i kärnan, kan vi fördela tre elektroner på de olika elektronskalen. Vi kan sätta två av dem i K-skalet och sen är det ju så att K-skalet är ganska litet så det bara får plats två elektroner i det. Den tredje elektronen måste därför placeras i L-skalet. Nästa grundämne i det periodiska systemet är beryllium som då alltså har atomnummer fyra. Då har beryllium också fyra protoner i kärnan och därmed fyra elektroner som ska placeras ut. Två av dem hamnar i K-skalet och sen är det fult så de två sista elektronerna hamnar i L-skalet. M och N-skalen är fortfarande helt tomma på elektroner. Nu hoppar vi framåt lite till fluor som har atomnummer nio. Fluor har då nio protoner i kärnan och alltså nio elektroner som vi placerar ut så här. De två första hamnar i K-skalet och de sju som sen är kvar får vara i L-skalet. Efter fluor kommer neon med atomnummer tio. Då är det 10 protoner i kärnan och alltså 10 elektroner som ska fördelas. Först två elektroner i K-skalet och när det sen är fult sätter vi resterande åtta elektroner i L-skalet. Natrium har atomnummer 11. Som vanligt vet vi då att det är 11 protoner i kärnan och att det även är 11 elektroner som ska fördelas. Vi sätter först två av dem i K-skalet. Men hur många ska det vara i L-skalet? Ja, nu är det ju så att det bara får plats åtta elektroner i L-skalet. Därför sätter vi åtta elektroner i L-skalet så här. 8 + 2 det blir 10 och då har vi en elektron kvar och den hamnar då i M-skalet. Nu hoppar vi en bit framåt igen och så tar vi och kollar på svavel. Svavel råkar jag veta har atomnummer 16. 16 protoner då alltså i kärnan och 16 elektroner som ska placeras ut. Först tar vi två i K-skalet och sen åtta i L-skalet. Nu är vi uppe i 10 elektroner. Sex kvar att placera ut och de hamnar då allihop i M-skalet. Vi hoppar ytterligare en bit framåt och hamnar hos argon som har atomnummer 18. Då vet vi ju förstås hur många protoner och elektroner det är som ska fördelas, just det, 18 stycken. Två i K-skalet som sen är fult, åtta i L-skalet som då också är fult. Nu har vi placerat ut 10 av 18 elektroner och de åtta som är kvar hamnar nu i M-skalet. Tar vi nästa grundämningssystemet så blir det kalium med atomnummer 19. Som vanligt, 19 protoner i kärnan och då alltså 19 elektroner att fördela. Två i K-skalet och åtta i L-skalet och sen är de båda skalen fulla. Vi har nu nio elektroner kvar att fördela, men hur gör vi det? I K-skalet får det maximalt plats två elektroner, i L-skalet får det högst plats åtta elektroner och i M-skalet kan vi maximalt sett sätta in 18 elektroner. Då tänker man kanske att de nio elektroner som är kvar, de kan vi sätta i M-skalet. Men då glömmer man att i det skal som råkar vara ytterst kan det maximalt vara åtta elektroner. Det nionde elektronen får alltså inte plats i M-skalet utan måste placeras i N-skalet. Därför blir det åtta elektroner i M-skalet hos kalium och en elektron i N-skalet. Vi ska ta ett par exempel till på detta. Titta här på zink som har atomnummer 30. Som vanligt innehåller den då 30 protoner och 30 elektroner som ska fördelas på de olika skalen. Två av dem hamnar i K-skalet och åtta i L-skalet. Av de 30 elektronerna har vi nu placerat ut tio och har alltså 20 kvar att fördela. Hur många var det som fick plats i M-skalet? Jo, det var ju 18 stycken så de tar vi och skriver in här. Vi har då två elektroner kvar och de får bo i N-skalet. Ett sista exempel ska vi ta här och det är krypton som har atomnummer 36. Med 36 protoner i kärnan, blir det 36 elektroner som ska sättas ut. Två som vanligt i K-skalet, sen åtta i L-skalet. Vi fyller upp M-skalet helt och hållet med 18 elektroner också och så kan vi konstatera att vi har fördelat 2 + 8 + 18 = 28 elektroner. Vi har åtta elektroner kvar och de hamnar då i N-skalet. Har du nu hängt med ordentligt i det här och skrivit av hela tabellen, så ska vi ta och ringa in alla de här elektronerna också. Det är alla de elektroner som sitter i det yttersta elektronskalet och de kallas för valenselektroner. De är extra viktiga för de bestämmer mycket av ett grundämnes egenskaper. Och som du ser, eftersom det maximalt kan finnas åtta elektroner i det yttersta skalet, betyder det att antalet valenselektroner maximalt är åtta stycken. Du ser också att vissa av de grundämnen som vi tog upp i tabellen, de har lika många valenselektroner. Här har vi till exempel väte, litium, natrium och kalium som alla har en enda valenselektron. Därför har de också egenskaper som liknar varann och därför finns de alla i det periodiska systemets grupp ett. Vi tar ett exempel nu på en fråga som skulle kunna vara på en E-nivå på ett prov. Ange elektronkonfigurationen för syre, S-O. Vi ser här att syre har atomnummer åtta och då vet vi genast att syreatomen består av åtta protoner och åtta elektroner. Ja, och så ett antal neutroner också förstås, men de är inte intressanta för elektronkonfigurationen. Vi kan då ställa upp en enkel tabell så här, där vi skriver in att det är 8 P+ i kärnan. Och sen får vi in två elektroner i K-skalet och de sex som är kvar i L-skalet så här. Några sista ord om valenselektroner också så att du får med dig det i dina anteckningar. Valenselektronerna, de bestämmer som sagt mycket av ett grundämnes egenskaper. Och det var just de egenskaperna som Mendeleev lagt märke till när han satte samman sitt periodiska system. Jag vill också att du ska lära dig att ju längre valenselektronerna sitter från kärnan, desto lättare kan de släppas iväg till andra atomer. Det är också så att ju färre de är, desto lättare kan de släppas iväg. Och så skriv till här också att åtta valenselektroner, det är alldeles särskilt stabilt. Det där med åtta valenselektroner, det är så viktigt att vi direkt ska dyka lite djupare i det och prata om oktettregeln eller ännu bättre ädelgasstruktur. Då är det så här att alla ädelgaserna utom helium har åtta valenselektroner. Åtta valenselektroner, eller två, för helium, kallas ädelgasstruktur. Eftersom ädelgasstrukturen är extra stabil så är det ofta så att atomerna strävar efter att uppnå ädelgasstruktur vid kemiska reaktioner. Det här gör de genom att avge eller uppta elektroner på olika sätt. Och det där, hur elektroner avges eller upptas, det kallas för att det sker en oxidation eller att det sker en reduktion. Det kommer vi att återkomma till många gånger under kursens gång.