Chapter 11  Modern Atomic Theory Notes

Electromagnetic radiation   energy that travels through space as waves.Waves have three primary characteristics:

Wavelength ( lambda)  distance between two consecutive peaks or troughs in a wave. Unit = meter

Frequency ( nu)  indicates how many waves pass a given point per second. Unit = Hertz (Hz)

Speed  velocity (c = speed of light = 3.0 x 108 m/sec)  indicates how fast a given peak moves in a unit of time

ex:  If red light was a wavelength of 7.00 x 109 m ,what is its frequency?

So 3.0 x 108 m/sec = 7.00 x 109 m (ν)

 ν = 3.0 x 108 m/sec      =  4.3 x 1016   1/sec   or 4.3 x 10 16 Hz        7.00 x 10 9 m

c = λν

Title: Jul 199:07 AM (1 of 13)

Electromagnetic radiation (light) is divided into various classes according to wavelength.

Title: Jul 199:12 AM (2 of 13)

Wave Particle Theory  Light as waves  Light as photons"In 1905 Einstein ...  suggested that light itself could behave like little particles 

or quanta, with energy proportional to the frequency (the colour) of the light. These particles of light are what we now call photons. Einstein's suggestion went straight to the heart of Quantum Theory, and began to expose the fundamental conceptual difficulties associated with it. Indeed it was for this work that he was awarded the Nobel prize in 1921." http://www.tcd.ie/Physics/Schools/what/atoms/quantum/duality.html

Photon/quantum  packet of energy  a “particle” of electromagnetic radiation

Excited State  atom with excess energyWhen a Photon/light wave hits an electron its transfers energy to that electron and thus the electron is moved to a higher energy level.Ground State  lowest possible energy state When an electron releases that extra energy it also emits a photon/light wave.• Wavelengths of light carry different amounts of energy per photon• Only certain types of photons are produced (see only certain colors)• Quantized  only certain energy levels (and therefore colors) are allowed

Bohr Model  suggested that electrons move around the nucleus in circular orbitsIncorrect but usefull for discribing excited and ground states.

Title: Jul 199:12 AM (3 of 13)

The electrons on this Bohr model atom have been hit by photons and are currently in an Excited State.   In order to release the excess energy they must give off a photon of distinct light which corresponds to how far the electron drops.  After giving off this energy the atom will be back in its  Ground State . 

Title: Jul 199:12 AM (4 of 13)

We can only see the changes between an Excited State   and the Ground State.  However, this occurs throughout the entire electronmagnetic spectrum and these changes in energy levels have been studied for every atom known today.  An atom always gives off the same pattern of light.

Title: Jul 231:55 PM (5 of 13)

Wave Mechanical Model   (Quantum Mechanical Model)The Bohr model is severely lacking in desribing many of the atom to atom interactions which have been observed through experimentation.  To account for these observations a mathematical model was created by a large team of scientists and it is called the Wave Mechanical Model (WMM).  The WMM divides and subdivides the areas electrons can be found into Energy Levels, then Sublevels, and finally Orbitals.  

The description of an electron within an Orbital is said to be 95% accurate allowing for some transitions between orbitals as energy is exchanged.  This also takes into account the Heisenberg Uncertainty Principle that states it is impossible to know both the location and velocity of an object.  The more you know about where an electron occupies a certain point in space the less you know about how it moves and the converse is also true. Principle Energy Level (n)  Largest area which is divided up into smaller areas.

The energy levels are designated by numbers 17.They are also called principle quantum numbers

Sublevel (l)  The largest subdivision within each principle energy levelThe electron in a given sublevel have the same energyIf electrons are in different sublevels then the energy is slightly differentlowest energy sublevel is s, then p, then d, and then f is the most energy

Orbital  The further subdivision of the sublevels where 2 electrons can be foundThe s sublevel contains 1 orbitalThe p sublevel contains 3 orbitalsThe d sublevel contains 5 orbitalsThe f sublevel contains 7 orbitals ** No more than two electrons can occupy an orbital**an orbital can be empty, halffilled, filled

Title: Jul 199:12 AM (6 of 13)

Summary

Principle  # of # of orbitals present Total # of  Maximum # of Energy Level  sublevels s    p    d      f orbitals electrons

1 1 1s 1 2

2 2 2s  2p 2p 2p  4 8

3 3 3s 3p 3p 3p 3d 3d 3d 3d 3d  9 18

4 4 4s 4p 4p 4p 4d 4d 4d 4d 4d 16 324f 4f 4f 4f 4f 4f 4f 

Orginally it was believed that electrons always filled up orbitals starting with the lowest energy level and proceeded up higher and higher energy levels until all the electrons in the atom would occupy an orbital.  However, this was adjusted drastically after Aufbau suggested a new order.

Title: Feb 1111:54 AM (7 of 13)

1s22s2    2p63s2   3p6  3d104s2   4p6   4d10   4f145s2   5p6   5d10   5f146s2   6p6   6d10  7s2   7p6  

Order of Electrons for Hydrogen does not work for all of the elements, which led us to Aufbau's Order.

1. Start Here

2. Then follow this diagonal

3. And so on

4. And so on

5.  Until

6.  all the 

7. electrons

8. have orbitals

       1      2      3  4

      5      6      7

With HydrogenStart Here 

Title: Jul 231:15 PM (8 of 13)

Shapes of orbitals All s orbitals are spherical as the principle energy level increases the diameter increases. All p orbitals are dumbbell shaped  all have the same size and shape within an energy level

Each additional energy level of electrons is farther from the nucleus with more room between orbitals at the higher energy levels which leads to the introduction of the d and f orbitals.

n = 1  s orbital in the middle

n = 2 s and p orbitalssecond layer

n = 3 s, p and d(not drawn)third layer

I know the drawing isn't that good and that my skill is limited.  You will not be required to draw, I just want you to understand what the s, p, d, and f's represent when we write them out.

Title: Jul 199:12 AM (9 of 13)

Orbital Diagram   describes the placement of electrons in orbitals use arrows to represent electrons with spin line represents orbital

________ full ________ halffull ________ empty     

Hund’s Rule  All orbitals within a sublevel must contain at least one electron before any orbital can have two

Electron Configuration   arrangement of the electrons among the various orbitals of the atom

Aufbau Order  Tool to predict the order in which sublevels will fill (On the back of your periodic table.)

Ar has 18 electrons 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6  the superscripts 2+2+6+ 2+6 = 18 electrons

K has 19 electrons 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 the superscripts 2+2+6+ 2+6+1 = 19 electrons

Fe has 26 electrons 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 the superscripts 2+2+6+ 2+6+2+6 = 26 electrons

Electron Spin  motion that resembles earth rotating on its axis clockwise or counterclockwise

Represented by arrows point up and down.

Pauli Exclusion Principle  two electrons in the same orbitals must have opposite spins

_________ _________ _________1s2 correct orientation 1s2 no possible 1s2 not possible

K has 19 electrons 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

Title: Jul 239:05 AM (10 of 13)

Noble Gas Configuration   Shorthand configuration that substitutes a noble gas for electrons

  Lets look at our previous 3 examples.  Ar is a Noble Gas and its configuration is the same as K and Fe up to the last couple of orbitals.  We can write [Ar] to represent that part of the electron configuration.

Ar has 18 electrons 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6  

Periodic Table 

Dimitri Mendeleev1869 developed the first version of the periodic table.He expressed the regularities as a periodic function of the atomic mass.

Henry Moseley  revised Mendeleev’s periodic table by describing regularities in   physical and chemical properties as periodic functions of the atomic            number

Groups (family)   vertical column Periods   horizontal rowsElements with similiar valence electrons configurations Period number corresponds to the principal Group 1  alkali metals  reactive quantum number of valence electronsGroup 2   alkaline earth metals  reactiveGroup 312  transition metalsGroup 15  nitrogen familyGroup 16  oxygen family  reactiveGroup 17  halogens  very reactiveGroup 18  noble gases

Title: Jul 239:05 AM (12 of 13)

Metallic Character Increases  down a group Decreases  across a period

                

Ionization Energy   energy required to remove an electron from an individual atom in a gas phase M(g)   >   M+(g)  + e• Metals lose electrons to nonmetals so relatively low energy is needed• High ionization energy means an electron is hard to remove

Decreases  down a group Increases   across a period

Atomic Size Increases  down a group Decreases  across a period

Ionic Size depends upon how many electrons the atom has lost or gained.Cation Ca+2/Ca Ca larger because Ca +2  lost 2 electronsAnion S2/S S2 larger because S2 gained 2 electrons

Title: Jul 239:09 AM (13 of 13)

Attachments

h2linespectrum.mov

orbitalenergies.mov

SMART Notebook

SMART Notebook

Page 1: Jul 19-9:07 AMPage 2: Jul 19-9:12 AMPage 3: Jul 19-9:12 AMPage 4: Jul 19-9:12 AMPage 5: Jul 23-1:55 PMPage 6: Jul 19-9:12 AMPage 7: Feb 11-11:54 AMPage 8: Jul 23-1:15 PMPage 9: Jul 19-9:12 AMPage 10: Jul 23-9:05 AMPage 11: Jul 23-9:05 AMPage 12: Jul 23-9:05 AMPage 13: Jul 23-9:09 AMAttachments Page 1