10. august 2013

Molekyler med ens atomer - grundstoffer

Grundbeskrivelse

Mange grundstoffer er opbygget af molekyler med to eller flere ens atomer. Et velkendt eksempel er ilten i Jordens atmosfære.

Et iltatom har otte elektroner udenom kernen. I den simpleste atommodel er to af iltatomets otte elektroner i den inderste elektronskal, mens seks er i den yderste skal.

Iltatomer samler sig i toatomige molekyler, hvor de er fælles om to elektroner.

Næsten alle atomer har en tendens til at stræbe efter at have otte elektroner i den yderste skal. Iltatomet mangler to elektroner for at nå op på de eftertragtede otte. To iltatomer kan hægte sig sammen, så de er fælles om to af deres yderste elektroner. På den måde kommer to elektroner fra det ene atom til at tælle med i antallet af elektroner i det andet atoms yderste skal. Det betyder så at sige, at hvert af de to atomer 'oplever' at have otte elektroner i yderste skal. En sådan binding kaldes en kovalent binding.

De to atomer i et iltmolekyle holdes sammen af to kovalente bindinger - en dobbeltbinding.

Uddybende beskrivelse

Neon har atomnummer 10. I et neonatom er kvantetallene for de 10 elektroner:

n   l   m s orbital
1 0   0 -½   1s
1 0   0 +½   1s
2 0   0 -½   2s
2 0   0 +½   2s
2 1 -1 -½   2p
2 1 -1 +½ 2p
2 1   0 -½   2p
2 1   0 +½ 2p
2 1 +1 -½   2p
2 1 +1 +½ 2p

Orbitalerne har traditionelle navne, hvor n er med som tal, mens l er angivet ved bogstaverne s, p, d og f for l=0, 1, 2 og 3. Her er begge de to tilstande med n=1 og alle otte med n=2 fyldt op. Det er de fem orbitaler 1s med n=1 samt 2s og tre 2p med n=2 og l er -1, 0 eller 1 - der svarer til de to inderste skaller i den simple model. Derfor er neon en ædelgas, hvor atomerne som regel ikke indgår i molekyler - hverken med hinanden eller med andre atomer.

Animation af to seperate iltatomer som bliver til et iltmolekyle

To iltatomer smelter sammen til et iltmolekyle. 2s- og 2p-orbitalerne går sammen og danner molekylets fælles orbitaler. 1s-orbitalerne holder sig separate og ses hele tiden tæt omkring de to atomkerner. (Kilohn Limahn, Wikimedia Commons).

Ilt med atomnummer 8 har to elektroner mindre end neon. Et iltatom mangler derfor to af elektronerne i 2p-orbitalerne. Det er en elektron i hver sin 2p-orbital. Det er ikke en af 2s-elektronerne, der mangler, fordi p-orbitaler har højere energi end s-orbitaler for samme n. Det bevirker, at iltatomer meget gerne samler sig i molekyler, hvor de kan dele elektroner med andre atomer og nå op på de eftertragtede 8 elektroner i yderste ska,l hvor 2s- og 2p-orbitalerne er fyldt op.

To iltatomer kan gå sammen og danne et iltmolekyle. Her bidrager hvert atom til fællesskabet med de to elektroner, der er ene i hver sin 2p-orbital. På den måde bliver de to halvfyldte 2p-orbitaler fyldt op med to elektroner - en fra hvert atom. Et par elektroner, der tæller med og danner en fyldt orbital i to atomer, holder de to atomer sammen i en kovalent binding.

Den tredje 2p-orbital i iltatomet er fyldt i forvejen ligesom 1s- og 2s-orbitalerne. De har ikke brug for flere elektroner og danner derfor ikke bindinger.

I et iltmolekyle er der to af den slags fælles elektronpar - de udgør en dobbeltbinding.

Fluor har atomnummer 9 og mangler kun en enkelt elektron i én af 2p-orbitalerne for at have dem allesammen fyldt. Derfor har de to atomer i et fluormolekyle kun et enkelt elektronpar fælles. De holdes sammen af en enkeltbinding i stedet for en dobbeltbinding som hos ilt.