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
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
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
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
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
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)
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
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
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
22/06/53
10
Boundary surface for 1s orbital
Boundary Surface for Three 2p Orbitals
22/06/53
11
Boundary Surfaces of All of the 3d Orbitals
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
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
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
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