to review rutherford’s model of the atom to explore the ...€¢to explore the nature of...

52
Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook 1 April 24, 2015 Apr 149:43 AM To review Rutherford’s model of the atom To explore the nature of electromagnetic radiation To see how atoms emit light Objectives

Upload: dokhue

Post on 21-May-2018

215 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

1

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• To review Rutherford’s model of the atom • To explore the nature of electromagnetic 

radiation • To see how atoms emit light 

Objectives

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

2

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. Rutherford’s Atom 

…….but there is a problem here!! 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

3

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Using Rutherford’s Model Atoms Should Collapse….

…..then how are they so stable?

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

4

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

When were you last exposed to electromagnetic radiation?

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

5

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• What is the nature of electromagnetic radiation?• How are the types of electromagnetic radiation different?

B. Energy and Light 

Light can be modeled as a wave, like a wave in water  

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

6

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• How are the types of light different?

B. Energy and Light 

Wavelength, λ (Greek letter “lambda”) units ­ mFrequency, ν  (Greek letter “nu”) units ­ s­1 or 1/s or Hertz (Hz)Amplitude, peak height – relates to energy in waveSpeed, c  : velocity of light in a vacuum is 3x108 m/s

c = ν  λ   ν (s­1)

(m)

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

7

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• Electromagnetic radiation 

B. Energy and Light 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

8

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Wavelength and Frequency of Visible Light

Frequency in Terahertz (1THz = 1012 Hz) and Wavelength in Nanometers (1nm = 10­9 m)

Velocity of light = wavelength x frequency

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

9

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Light Sometimes Behaves in Un­wavelike Ways

The Photoelectric Effect• Light shining on a metal surface can cause electrons to be separated from their atoms

• Below a threshold frequency no electrons are emitted however high the intensity

• At the threshold frequency electrons start to be emitted • At higher frequencies electrons have additional kinetic energy

 Photoelectric Effect Demo

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

10

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• Dual nature of light – Two co­existing models 

B. Energy and Light 

Wave Photon – packet of energy 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

11

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• Different photons (from light of different wavelengths) carry different amounts of energy. 

B. Energy and Light 

Energy of photon = hν   (h is Planck’s Constant = 6.626 x 10­34 Js )

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

12

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

C. Emission of Energy by Atoms 

• Atoms can give off light • They first must receive energy and become excited. • The energy is released in the form of a photon. 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

13

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Typical Colors From Flame Tests

Na+

Li+ Cu2+

K+

Which flame represents a higher energy transition?

Periodic Table of Fireworks

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

14

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• To understand how the emission spectrum of hydrogen demonstrates the quantized nature of energy 

• To learn about Bohr’s model of the hydrogen atom

• To understand how the electron’s position is represented in the wave mechanical model 

Objectives

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

15

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. The Energy Levels of Hydrogen 

• Only certain types of photons are produced when excited Hydrogen atoms release energy.  Why? 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

16

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. The Energy Levels of Hydrogen 

Atomic states • Excited state – atom with excess energy 

• Ground state – atom in the lowest possible state 

• When an H atom absorbs energy from an outside source it enters an excited state. 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

17

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. The Energy Levels of Hydrogen 

• Energy level diagram

Energy in the photon corresponds to the energy used by the atom to get to the excited state. 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

18

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. The Energy Levels of Hydrogen 

• Only certain types of photons are produced when H atoms release energy.  Why? 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

19

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. The Energy Levels of Hydrogen 

Quantized Energy LevelsSince only certain energy changes occur the H atom must contain discrete energy levels. 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

20

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

B. The Niels Bohr Model of the Atom (1913­1915) 

Bohr’s model of the atom • Quantized energy levels • Electron moves in a circular orbit • Electrons jump between levels by absorbing or emitting photons of a particular wavelength 

• Able to mathematically explain the emission spectrum of Hydrogen (compare with Rutherford)

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

21

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

B. The Bohr Model of the Atom 

Bohr’s model of the atom was not totally correct. • Had difficulties with spectra of larger atoms• Electrons do not move in a circular orbit and don’t seem to behave like discrete particles all the time

Maybe small particles, such as electrons, can also behave like waves having a dual nature (just like photons)……? 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

22

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

C. The Wave Mechanical Model of the Atom (de Broglie and Schroedinger – mid­1920’s) Orbitals • Nothing like orbits • Probability of finding the electron within a certain space 

Bohr­Schrodinger

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

23

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• To learn about the shapes of the s, p and d orbitals

• To review the energy levels and orbitals of the wave mechanical model of the atom 

• To learn about electron spin 

Objectives

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

24

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. The Hydrogen Orbitals 

• Orbitals do not have sharp boundaries. 

90% boundary

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

25

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. The Hydrogen Orbitals 

• Hydrogen has discrete energy levels.

• Called principal energy levels (electron shells)

• Labeled with whole numbers• Energy is related to 1/n2• En = E1/n2 • Energy levels are closer together the further they are from the nucleus

Hydrogen Energy Levels 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

26

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. The Hydrogen Orbitals 

• Each principal energy level is divided into sublevels. 

Hydrogen Energy Levels 

Labeled with numbers and letters Indicate the shape of the orbital 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

27

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Orbital Designations

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

28

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Orbitals Define the Periodic Table

“Orbitals” are “Energy Levels”

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

29

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. The Hydrogen Orbitals 

• The s and p types of sublevel 

Hydrogen Energy Levels 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

30

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Representation of s, p, d atomic orbitals

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

31

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. The Hydrogen Orbitals 

• Why does an H atom have so many orbitals and only 1 electron? 

• An orbital is a potential space for an electron. • Atoms can have many potential orbitals. • s, p, d, f orbitals named for sharp, principal, diffuse and fundamental lines on spectra. Further orbitals designated alphabetically

Hydrogen Orbitals 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

33

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• Close examination of spectra revealed doublets• Need one more property to determine how electrons are arranged

• Spin – electron modeled as a spinning like a top• Spin is the basis of magnetism

B. The Wave Mechanical Model: Further Development 

Electron Spin

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

34

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• Pauli Exclusion Principle (Wolfgang Pauli 1925) ­ an atomic orbital can hold a maximum of 2 electrons and those 2 electrons must have opposite spins

• When an orbital contains two electrons (of opposite spin) it is said to be full 

B. The Wave Mechanical Model: Further Development 

Pauli Exclusion Principle

What are the four descriptors that define an energy level / electron’s position in an atom?

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

35

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• To understand how the principal energy levels fill with electrons in atoms beyond hydrogen 

• To learn about valence electrons and core electrons 

• To learn about the electron configurations of atoms

• To understand the general trends in properties in the periodic table 

Objectives

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

36

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. Electron Arrangements in the First 18 Atoms on the Periodic Table 

H atom • Electron configuration – electron arrangement – 1s1 

• Orbital diagram – orbital is represented as a box with a designation according to its sublevel. Contains arrow(s) to represent electrons (spin)

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

37

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. Electron Arrangements in the First 18 Atoms on the Periodic Table 

He atom 

Electron configuration – 1s2 Orbital diagram

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

38

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. Electron Arrangements in the First 18 Atoms on the Periodic Table 

Li atom 

Electron configuration– 1s2 2s1  

Orbital diagram

Write the electron configuration and orbital diagrams for Boron, Nitrogen, Fluorine and Argon 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

39

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. Electron Arrangements in the First 18 Atoms on the Periodic Table 

Write the full electron configuration of Neon and SulfurDraw an orbital diagram for Magnesium and Chlorine 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

40

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Order of Filling of Orbitals

Atoms fill their orbitals in the order of their energies:

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

41

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• Orbital filling and the periodic table 

B. Electron Configurations and the Periodic Table Dynamic Periodic Table

PT 2a

PT 2b

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

42

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

• Electron configurations for K through Kr 

B. Electron Configurations and the Periodic Table 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

43

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

If there were more elements……….B. Electron Configurations and the Periodic Table 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

44

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

A. Electron Arrangements in the First 18 Atoms on the Periodic Table 

Classifying Electrons 

• Valence electrons – electrons in the outermost (highest) principal energy level of an atom 

• Core electrons – inner electrons • Elements with the same valence electron arrangement  (same group) show very similar chemical behavior. 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

45

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

B. Electron Configurations and the Periodic Table 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

46

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Using a Noble Gas Shorthand

• We can abbreviate electron configurations by using the configuration of the previous noble gas to cover the first part of the list of orbitals

• Mg is  1s2 2s2 2p6 3s2   or   [Ne] 3s2• The noble gas portion is the equivalent to the group of core electrons

• Use the Noble Gas shorthand to show the electron configurations of Carbon, Chlorine and Zirconium

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

47

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

C. Atomic Properties and the Periodic Table 

Metals and Nonmetals Metals tend to lose electrons to form positive ions. Nonmetals tend to gain electrons to form negative ions. 

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

48

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

C. Atomic Properties and the Periodic Table 

Atomic Size • Size tends to increase down a column. • Size tends to decrease across a row. 

(close to scale) Larger

Effects of Shielding of outer electrons by inner orbitals

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

49

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

C. Atomic Properties and the Periodic Table 

Ionization EnergiesIonization Energy – energy (ΔH) required to remove an electron from an individual atom (gas) 

Tends to decrease down a column Tends to increase across a row Changes in an opposite direction to atomic size

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

50

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Ionization Energies

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

51

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Electron Affinity

Electron Affinity is defined as ΔH for the process: 

X(g) + e­ = X(g)­

ΔH = Electron Affinity

Larger

Chapter 11 SMARTBOARD Class Notes.notebook

52

April 24, 2015

Apr 14­9:43 AM

Electronegativity

• Ionization Energy and Electron Affinity are combined to give Electronegativity – a measure of how well atoms compete for electrons in a bond

Larger