+ All Categories
Home > Documents > Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very...

Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very...

Date post: 26-Jul-2020
Category:
Upload: others
View: 5 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
15
22/06/53 1 Dr. Weenawan Somphon Inorganic Chemistry I 01403312 Chemistry Division, Faculty of Liberal Arts and Science Kasetsart University, Kam Phaeng Saen Campus What is “Inorganic Chemistry”? The chemistry of all compounds that are not entirely made up from C, H, N and O includes the description of chemical and physical properties. includes theories and principles that can be used to predict or at least rationalize the formation and properties of compounds. Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense of it all. Organic chemistry e.g. Catalysts in Organic synthesis Biochemistry/biology e g inorganic contained biological structures Inorganic Application*** in Wacker Process e.g. inorganic contained biological structures hemoglobin Material Science e.g. devices, coordination polymers Ferroelectric material: BaTiO 3 Environmental Science e.g. Cr(VI), As(V), Pb(II), Hg(II) Network of Inorganic Chemistry Outline of this lecture Atomic Structure Periodic Table Symmetry and point group Solid State C l t l l Covalent molecules Chemical force Acids-bases chemistry Nonaqueous chemistry Inorganic chains, rings, cages Nanomaterials Atomic Structure
Transcript
Page 1: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

1

Dr. Weenawan Somphon

Inorganic Chemistry I   01403312

Chemistry Division, Faculty of Liberal Arts and ScienceKasetsart University, Kam Phaeng Saen Campus

What is “Inorganic Chemistry”?

The chemistry of all compounds that are not entirely made up from C, H, N and O

includes the description of chemical and physical properties.

includes theories and principles that can be used to predict or at least rationalize the formation and properties of compounds.

Inorganic chemistry is very diverse

use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense of it all.

Organic chemistry e.g. Catalysts in Organic synthesis

Biochemistry/biology e g inorganic contained biological structures

Inorganic Application***

in Wacker Process

e.g. inorganic contained biological structures hemoglobin

Material Science e.g. devices, coordination polymers

Ferroelectric material: BaTiO3

Environmental Science e.g. Cr(VI), As(V), Pb(II), Hg(II)

Network of Inorganic Chemistry

Outline of this lecture

Atomic Structure Periodic Table Symmetry and point group Solid State

C l t l l Covalent molecules Chemical force Acids-bases chemistry Nonaqueous chemistry Inorganic chains, rings, cages Nanomaterials

Atomic Structure

Page 2: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

2

Overview History of Atom

460 BC – Leucippus และ Democritus : อะตอมคอองคประกอบทยอยทสดของสสาร แบงแยกตอไปอกไมได ชนดของอะตอมขนกบรปรางของมน เชน smooth atoms หรอ sharp atoms

1808 – John Dalton : เสนอ Atomic Theory

สสาร ประกอบดวยอนภาคทเลกทสด คออะตอม ซงแบงแยกไมได

อะตอมของธาตเดยวกนจะเหมอนกน

อตราสวนของอะตอมในสารประกอบ มอตราสวนทแนนอน

Overview History of Atom

Joseph John Thomson: ทาการทดลองโดยใชหลอดแคโธด(Chathod Ray Tube)

1989 Thomson พบวาสวนทเปนประจลบเลกทสด เรยกวา electrons electrons

1904 Thomson ไดพฒนาและพบวาอะตอม เปนทรงกลมของประจบวก และมอเลกตรอนฝงอยทวทรงกลม

1910 - Ernest Rutherford: ทดลองยงอนภาคอลฟา

ใสแผนทอง (Alpha Scattering Experiment) อะตอมมอนภาคประจบวก(โปรตอน) รวมกนอยตรงกลางเรยกวานวเคลยส และม e- วงรอบๆ

Overview History of Atom

e- มประจรวมเทากบประจบวก อะตอมจงเปนกลาง

ปรมาตรสวนใหญของอะตอมเปนทวาง

Quantum History of Atom

1902 - Max Planck’s theory E = h1905 - Albert Einstein E = mc2

1913 - Niels Bohr En = -B/n2n

1924 - Louis de Broglie

1927 - werner Heisenberg

1926 - Erwin Schrödinger

mv

h

4h

xp

H E =

Planck’s Quantum Theory

Planck ไดศกษาแสงซงมความถตางๆ ทแผรงส

จากวตถดา (black body) ทรอน

จากการศกษาเขาไดเสนอทฤษฎทเรยกวา “Quantum Theory of ฎRadiation” ทวา วตถดาจะปลอย (emit) หรอดดกลน (absorb) พลงงาน (แสง หรอ ความรอน) อยางไมตอเนอง แตจะเปนจานวนเตมหนวยของกลมพลงงานทเรยกวา quantum

Page 3: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

3

Planck’s Solution

hc/hE

c- ความเรวแสง (m/s)c ความเรวแสง (m/s)

h- คาคงทของ planck =6.62620755x10-34 Js

-ความยาวคลน (m)

Einstein on Quantum Theory (1940)

Einstein ไดขยาย quantum theory และเสนอวา พลงงาน (เชน แสง) จะถกปลอยหรอดดกลนเปนกลมๆ แลวยงแผกระจายออกไปใน space เปนกลมๆ อกดวยเรยกวา โพตอน (photon)

ทาใหทราบวาแสงมลกษณะเปนคลนเชนเดยวกบ อนภาค พลงงานและมวลของโฟตอนสมพนธกน

2mc E

Wave Nature of Light

Radiant energy has wave characteristics

c = speed of light = 3.00 x 108 m/s

wavelength() = distance between successive peaks

frequency() = number of cycles

Wave Nature of Light

Electromagnetic radiation is characterized by its wavelength, frequency, and amplitude

The Electromagnetic Spectrum The Electromagnetic Spectrum

Page 4: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

4

Examples of Emission Spectra Atomic Spectra of Hydrogen

การศกษารงสทถกดดกลนหรอถกปลอยออกมา เปนเทคนคในการศกษาการจดเรยงอเลกตรอนในอะตอม เรยกวา spectroscopy ผานกระแสไฟฟาไปยงแกสไฮโดรเจนทมความดนตา อะตอมไฮโดรเจนจะถก

กระตนไปยงสถานะกระตน และจะปลอยแสงออกมาในชวงทมองเหนได (visible region) สเปกตรมแตละเสนจะมความถเฉพาะ เราเรยกสเปกตรมของไฮโดรเจนทมองเหนวา อนกรมบาลเมอร (Balmer series)

Atomic Spectra of Hydrogen

......5,4,3..1

2

1122

nwhereR

Balmer series

2 22 n

R (Rydberg constant) = 1.097 x107 m-1

Hydrogen Spectrum

Lyman Series: UV region

......4,3,2..1

1

1122

nwhere

nR

Paschen Series : IR region

......6,5,4..1

3

1122

nwhere

nR

Brackett Series: IR region

......7,6,5..1

4

1122

nwhere

nR

Hydrogen Spectrum

Pfund Series ; IR region

......8,7,6..1

5

1122

nwhere

nR

Bohr’s Quantum Theory of the Atom

1913 Niels Bohr (Danish scientist): ศกษาและทางาน

กบRutherford

รวบรวมแนวคดจาก Thomson ทสรปวาอนภาคประจลบภายในอะตอมคอ l t และ จาก R th f d ซงสรปวาอะตอมจะมอะตอมคอ electron และ จาก Rutherford ซงสรปวาอะตอมจะมสวนทวาง คอ electron ทลอมรอบนวเคลยสทอยตรงกลาง ทมประจบวก

เสนอภาพของอะตอมทมนวเคลยสลอมรอบดวย electrons ซงเคลอนทในวงโคจร (orbit) คลายกบดาวเคราะหรอบดวงอาทตย Proton at the

nucleus

electron

Page 5: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

5

Bohr’s Atom

electrons in orbits

nucleus

Bohr Model

Niels Bohr followed Planck’s and Einstein’s lead by proposing that electron energy (En) was quantized.

Electronic Transitions in the Bohr Model for the Hydrogen Atom

Electron in H atom moves around the nucleus in certain allowed circular orbits.E = -2.718X10 -18 J (Z2/n2 )

n= integerZ = nuclear charge

Neil Bohr’s Model of Hydrogen

Bohr Explains Line Spectra

Bohr’s equation is most useful in determining the energy change (Elevel) that accompanies the leap of an electron from one energy level to another

For the final and initial levels:

f i2 2f i

B BE and E

n n

The energy difference between nf and ni is:

2 2 2 2f i i f

1 1B BE B

n n n n

Bohr Model

Bohr ไดทาการแทนทสมการชอง Balmer

4222 Z

22

11

hl

Hnn

RE

nucleuse mm

111

22

422

)4(

2

h

eZR

oH

Page 6: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

6

De Broglie’s Equation

1924 Louis de Broglie: ไดเสนอวา สสาร (matter) มสมบตเปนทงคลน (wave) และอนภาค (particle)—ทดลองโดยการยนยนการหกเหของ electrons ในผลก

h

mv

h

Heisenberg’s Uncertainty Principle

1927 werner Heisenberg: เสนอหลกความไมแนนอนวา ในทางกลศาสตรควอนตม เราไมสามารถจะหาตาแหนง และโมเมนตมของอนภาคอยางถกตองแมนยาไดพรอมๆกน

4

)(h

mx

4h

xp 4

∆x-ความไมแนนอนของตาแหนงอนภาค∆m= ∆p- ความไมแนนอนของโมเมนตมอนภาคh-คาคงทของ planckminimum uncertainty คอ h/4

Schrödinger Wave Equation

1926 Erwin Schrödinger- เสนอสมการคลน เพออธบายฟฤตกรรมของอนภาคเลกๆ ใชในการอธบาย electron อะตอม และโมเลกล

H E =

= wave function = describes an electron wave in space = describes atomic orbital

= wave function = mathematical operatorH = the Hamiltonian Operator = calculus operation on

E = total energy of the atom

The Hamiltonian Operator = H

h = Planck’s constant, m = mass of the particleE = total energy of the system, e = charge of electron(x2 + y2 + z2)1/2 = r = distance to nucleusZ = charge of the nucleus, 4o = permittivity of vacuum

The meaning of

ไมมความหมายทางฟสกส แตสามารถอธบายไดในเชงคณตศาสตร มสมบตเสมอนแอมพลจดของคลนอเลกตรอนและอธบายพฤตกรรมของอเลกตรอนในแตละวงโคจร

2 คอความหนาแนนของความนาจะเปน (probability density) ในการหาเลกตรอนซงเปนฟงกชนของตาแหนงเมอเทยบกบนวเคลยส เนองจากจานวณจดตางๆใน space มคา infinity

ใน space, 2 = 100%, 2 = atomic orbital (1s)

Page 7: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

7

Boundary and Conditions of

ตองเปนคาเดยว คอจะมความหนาแนน อเลกตรอนเพยงคาเดยว ทจดใดจดหนงใน space ตองเปนคาทแนนอน เพราะ 2 เปนโอกาสทจะพบอนภาค ตองเปนคาทตอเนอง เพราะคลนจรงเปนแบบตอเนอง เพราะ

1* dAA

อเลกตรอนไมสามารถกระโดดจากจากจดหนงไปยงอกจดหนงได จะตองมคาจากด (finite)โอกาส และความนาจะเปนในการพบอเลกตรอนใน space จะตองเทากบ 1 นนคอฟงกชนคลนจะตอง Normalized

Particle in a Box

A one-dimensional box is a simple case for using the Schrödinger Equation

V(x) = 0 inside the box, between x = 0 and x = a

V(x) = infinity outside the box

The Particle can never leave the box

• Apply the Schrödinger Equation:

)()(

8 2

2

2

2

xEx

x

m

h

Particle in a Box

• Solve the Schrödinger Equation

sxBrxA cossin A,B,r,s = constants

hmEsr

22

Particle in a Box

Apply conditions of the particle in a box must go to 0 at x = 0 and x = a cos sx = 1 for x = 0

= 0 only if B = 0

= A sin rx

At x = a, = 0, so sin ra = 0, , Only possible if ra = np (n = integer)

ra = np

Keep only the + values (+/- give same results)

Substitute and solve for E

0 n

a

nr

2

22

8

22

ma

hnE

hmE

a

nr

Particle in a Box

These are the energy levels predicted by the Particle in a Box Solutions

Quantized: n = 1,2,3,4….

Substitute r = np/a into the wave equation

2

22

8ma

hnE

Substitute r np/a into the wave equation

Total solution:

a

xnA

sin

aA

2

a

xn

a

sin

2

Wave Functions and theirSquares for the Particle in a Box with n = 1, 2, and 3

ใชสมการ Schrödinger อธบายฟฤตกรรมของ electrons ในอะตอมไฮโดรเจนหรอระบบทม electrons เหมอนไฮโดรเจน

Page 8: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

8

Bohr describe an orbit, the quantum-mechanical model uses 3 quantum, n, l, and ml to

describe an orbital

An atomic orbital is defined by 3 quantum numbers: n l ml

Electrons are arranged in shells and subshells of orbitals

n shelll subshell (describes shape of orbital

s, p, d, f corresponding to 0, 1, 2, 3 respectively

ml designates an orbital within a subshell

Quantum Numbers (QN) Principal Quantum Number (n)

The principal quantum number (n):

• Describes the energy level, orbital size as n increases, orbital size increases.

• Is independent of the other two quantum numbers.

• Can only be a positive integer (n = 1 2 3 4 )• Can only be a positive integer (n = 1, 2, 3, 4, …)

• The size of an orbital and its electron energy depend on the value of n.

• Orbitals with the same value of n are said to be in the same principal shell.

Angular Momentum Quantum Number (l)

Possible values = 0 to (n – 1); e.g., if n = 2, l can only be 0 or 1

Page 9: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

9

Magnetic Quantum Number (ml)

Calculate the number of orbitals in the shells with principal quantum number = 1,2 and 3

s OrbitalsAll s orbitals are spherical in shape.

The 1s Orbital (Electron Probabilities) The 2s Orbital (Electron Probabilities)

The 2s orbital has two regions of high electron probability, both being spherical

The region near the nucleus is separated from the outer region by a spherical node ‐ a spherical shell in which the electron probability is zeroelectron probability is zero

Page 10: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

10

Boundary surface for 1s orbital

Boundary Surface for Three 2p Orbitals

Page 11: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

11

Boundary Surfaces of All of the 3d Orbitals

Page 12: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

12

Boundary Surfaces of the 4f Orbitals

Quantum Numbers Summary Electron Spin Quantum Number (ms)

A single orbital can hold a maximum of 2 e-

, which must have opposite spins

Page 13: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

13

Single Electron Atom

สาหรบคานวณพลงงานออรบทล อเลกตรอนเดยว สมการคลนใหผลเชนเดยวกบ

Borh ,2

2

222o

4 2

n

kZ

hn8

mZ E

e

พลงงานเปนลบ เนองจากมแรงดงดดสนวเคลยส ทาใหพลงงานลดลง และเพมเสถยรภาพมากขน

Z เปนคาคงทสาหรบนวเคลยสใดๆ พลงงานออรบทลของระบบอเลกเดยวจะขนกบคา n เทานน 1s > 2s = 2p > 3s = 3p = 3d > 4s = 4p = 4d = 4f >…..

Many Electrons Atom

อะตอมทมอเลกตอนหลายตว (> 2 อเลกตรอน) จะมสมการคลนตางจากอะตอมไฮโดรเจน เพราะตองคดแรงดงดดระหวางอเลกตรอนแตละตวกบนวเคลยสและแรงผลกระหวางอเลกตรอนดวยกนเองดวย

ออรบทลในชนเดยวกนจะมพลงงานแตกตางกนโดย s < p < d เนองจากมาจากความสามารถในการทะลผาน (penetrating ability) ของอเลกตรอนในแตละออรบทลเขาไปในกลมอเลกตรอนของออรบทลอนๆ ดงนน interaction กบนวเคลยสนนไมเทากน

เสถยรภาพภายในชนควอนตมหนงๆ คอ s>p>d>f 1s > 2s > 2p > 3s > 3p > 4s 3d >4p >5s 4d > 5p…..

Pauli Exclusion Principle

Governs the arrangements of electrons in many-electron atoms.

No two electrons can have the same set of four b ( l l ) h fquantum numbers (n, l, ml, ms ). Therefore, no

atomic orbital can contain more than 2 e-.

An orbital can hold a maximum of two electrons and they must have opposite spins.

Aufbau Principle

Aufbau Principle: an e- occupies the lowest energy orbital that can receive it.

As protons are added one by one to the nucleus to build up the elements, electrons are similarly added t th h d lik bit lto these hydrogen-like orbitals.

Atomic State and Term Symbol

Term symbol--เปนการบอกสถานะพลงงาน โมเมนตมเชงมม และ spin multiplicity ของอะตอมหรอไอออน

e- 2 ตวอยในออรบทลเดยวกนจะมแรงผลกกนมากกวาอยตางออรบทล และ e- แตละตวจะม spin (s) และ orbital angular momentum (l) แตละ e- จะเอา spin มาคควบกน (coupling) กน ไดผลลพทเปน

--> total spin angular momentum (S)

orbital angular momentum ของออรบทลกจะเกดการคควบกนเปนผลลพท--> total angular orbital momentum (L)

ทง S และ L เกดการคควบกนอกเปน --> Total angular momentum (J)

S+L=J (LS coupling)

การคควบแบบนใชกบอะตอมทไมใหญมากนก ซงมแรงกระทาระหวาง spin ไมมาก ถาเปนอะตอมใหญจะตอง เกดดารคควบแบบ JJ coupling ดวย

Atomic State and Term Symbol

Page 14: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

14

spin multiplicityL = 0 S termL = 1 P termL = 2 D termL = 3 F term

2S+1LJ

orbital angular momentum

Russell Saunders Term Symbol

L = 0, 1, 2…total orbital angular momentum (l term)ML = -L…+L component of L (ML = ml)S = total spin quantum number (S = s)Ms = -S….+S component of S (MS = ms)

J = L+S , L+S-1...|L-S|

spin orbit coupling

MS = S, S-1,…-S มทงหมด (2S+1) คา

MS = ms =ms1 +ms2+ ms3 +…msnหรอ

J มได 2S 1 คาJ มได 2S+1 คา

Examples: Term symbol

C (z=6): 2s2 2p2

2S+1L J

2p2

Ml 1 0 -1

- MS = ½ + ½ = 1 --> S

- Ml = 1,0,-1

spin multiplicity 2S+1=2(1)+1= 3L (รวมคา Ml) = 1+0 = 1 --> P

J = 1-1=0

Term symbol C is 3P0

Examples: Term symbol

V3+ (z=23): 3d2

/

2S+1L J

3d2

Ml 2 1 0 -1 -2

- MS = ½+1/2=1 -->S

- ML = 1,0,-1

spin multiplicity 2S+1=2(1)+1= 3

L = 2+1 =3 --> F

J = 3-1=2

Term symbol C is 3F2

Hund’s Rule

และคา J มากทสดจะเสถยรมากในชนทม e มากกวาครงหนง

Page 15: Inorganic Chemistry I What is “Inorganic Chemistry”? 01403312 · Inorganic chemistry is very diverse use concepts from bonding theory, kinetics and thermodymanics to make sense

22/06/53

15

Penetration and Shielding

เมอม e- 2 จะเกดความแตกตางของระดบชนพลงงาน เนองจากความสามารถในการทะลผาน (penetration) ของ e- ในแตละออรบทลเขาไปในกลม e- ของออรบทลอนๆ

การผลกกนของ e- ระดบนอกเรยกวาการบง (shielding) ซงผลการบงทาให e-ระดบนอกถกดงดดโดยนวเคลยสไมเตมท ตามประจบวกทนวเคลยสทงหมด ระดบนอกถกดงดดโดยนวเคลยสไมเตมท ตามประจบวกทนวเคลยสทงหมด ทาใหเกด effective nuclear charge ซงคานจะนอยกวาประจทงหมดทนวเคลยสของอะตอมนน (Z*)

Z*=Z-SZ*= effective nuclear charge Z=ประจทนวเคลยสS=คาคงทการบดบง

คาคงทการบดบง (S) : e- 1 ตว

ทระดบ n การบดบงของ e- ตวอนทระดบ n จะเปน 0.35 ตอ 1 e-

ระดบ n-1 การบดบงของ e- เปน 0.85 ตอ 1 e-

ระดบ < n-1 การบดบงของ e- เปน 1 0 ตอ 1 e-

Penetration and Shielding

ระดบ < n 1 การบดบงของ e เปน 1.0 ตอ 1 e

Example

จงหา effective nuclear charge ทมตอ valence e- ตวนอกสดของ Al (z=13)

Z*=Z-S

Al=1s2 2s2 2p6 3s2 3p1Al=1s 2s 2p 3s 3p

คาการบดบงของ e- ตวอนทมตอ 3p1 ดงน

S=(2*0.35) +(8*0.85)+(2*1) = 9.5

Z*=13-9.5=3.5


Recommended