home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HaCKeRz KrOnIcKLeZ 3 / HaCKeRz_KrOnIcKLeZ.iso / drugs / atomic.structure < prev    next >
Internet Message Format  |  1996-05-06  |  25KB

  1. Message-ID: <070313Z08071994@anon.penet.fi>
  2. Newsgroups: alt.drugs
  3. From: an58264@anon.penet.fi (Dalamar)
  4. Date: Fri,  8 Jul 1994 06:59:04 UTC
  5. Subject: CHEMISTRY: Atomic Structure
  6.  
  7. The Structure of the Atom
  8. _________________________
  9.  
  10. To obtain a model for the atom we must first examine the three basic types of
  11. 'building-blocks' from which atoms are constructed. These 'building-blocks' are
  12. known as the proton, neutron and the electron. You will sometimes see these
  13. referred to as 'subatomic particles'. Each of these particles has different
  14. properties and plays a different role in an atom. Protons are positively
  15. charged, each carrying a charge of +1. Neutrons, as the name might suggest, are
  16. electrically neutral particles of about the same mass as a proton. Electrons are
  17. negatively charged, each carries a charge of -1, exactly opposite and equal to
  18. that on a proton. However, electrons are tiny when compared to the proton or
  19. neutron - electrons have around 1/1836 the mass of a proton. This information is
  20. presented in the table below. Mass is measured in atomic mass units, where 1
  21. amu is equivalent to the mass of a proton or neutron.
  22.  
  23.  
  24. Particle      Charge        Mass           Symbol
  25. _________________________________________________
  26.  
  27. Proton         +1           1 amu            p
  28.  
  29. Neutron         0           1 amu            n                   
  30.  
  31. Electron       -1          1/1836 amu        e
  32. _________________________________________________
  33.  
  34.  
  35. It has been determined that in an atom the protons and neutrons bind together
  36. to form a nucleus around which the electrons orbit. It is easy to see why this
  37. model of the atom has been likened to a minature solar system. The nucleus of
  38. the atom is the 'sun' and the electrons are the small orbiting 'planets'.
  39. The number of protons in the nucleus of an atom is known as the _atomic number_.
  40. The atomic number of an atom tells us which element it is from. For example an
  41. atomic number of 3 tells us we are looking at a lithium atom and an atomic
  42. number of 9 tells us we are looking at a fluorine atom. Atoms, when taken as a
  43. whole, are electrically neutral. This means that the number of protons in the
  44. nucleus must be matched by an equal number of orbiting electrons. Any excess or
  45. deficiency in the number of electrons orbiting the nucleus, compared to the
  46. number of protons in the nucleus, gives an overall charge imbalance. This
  47. imbalance will be -1 extra for each surplus electron supplied above the number
  48. of protons. If we add two electrons to a neutral atom it will acquire a net
  49. charge of -2. If electrons are stripped away from a neutral atom we are left
  50. with an excess in the number of protons over the number of electrons. As each
  51. proton carries a +1 charge, each electron deficiency gives a +1 extra charge on
  52. the atom. If we take three electrons away from a neutral atom it
  53. acquires a net charge of +3. These charged atoms are known as _ions_.
  54. Positive ions are known as _cations_ and negative ions are known as _anions_.
  55. Before moving on a few examples will help to illustrate these ideas.
  56.  
  57. If possible find a copy of the periodic table of the elements. The elements in
  58. the table are listed in order of increasing atomic number from left to right.
  59. The horizontal rows are also known as _periods_. Each element in a period has
  60. one more proton in its nucleus than the element to its immediate left. When
  61. the far right end of a period is reached the addition of the next proton moves
  62. us back to the left and one row down. The vertical columns of the table are
  63. known as _groups_. Elements which make up groups are found to have very
  64. similair properties to each other and this is not just mere coincidence, it
  65. has its reasons rooted in something we shall go on to consider - the way in
  66. which an atoms electrons are positioned around its nucleus.
  67.  
  68. Find fluorine in the periodic table, symbol F. In the box which details this
  69. element will be its symbol, atomic number and _mass number_. The _mass number_
  70. is the total number of protons plus neutrons in the nucleus, or the total number
  71. of _nucleons_, a term which collectively refers to both protons and neutrons.
  72. Sometimes these two numbers appear as superscript and subscript to the left of
  73. the elements symbol. The superscript is the _mass number_, the total number
  74. of protons plus neutrons. The subscript is the _atomic number_, the total number
  75. of protons alone. For fluorine these values are 9 and 19. Now we have all the
  76. information we need to formulate a picture of a fluorine atom. In the nucleus,
  77. as indicated by the atomic number, are 9 protons. The mass number 19 tells us
  78. that the total number of nucleons is 19, so the number of neutrons must be
  79. (19 - 9) = 10 neutrons. Atoms are electrically neutral, therefore to balance
  80. the +9 charge which the 9 protons introduce, there must be 9 orbiting electrons
  81. giving a cancelling charge of -9. The electrons are held in orbit by the
  82. electrostatic attractive force they feel from the positively charged nucleus.
  83. Remember that charges of the opposite sign _attract_ one another, whilst
  84. charges of the _same_ sign repel. If we now add an electron to the fluorine
  85. atom the total number of electrons becomes 10, one more than the number of
  86. protons in the F nucleus. This extra electron brings with it a -1 charge which
  87. has no cancelling +1 proton in the nucleus. The fluorine 'atom' now carries a
  88. net negative charge of -1. We no longer have a fluorine 'atom', but a
  89. _fluoride ion_, in this case an _anion_ because it is negatively charged.
  90. A diagram will illustrate these points further.
  91.  
  92.  
  93.  
  94.             Mass number    =  19  FFFFFFFF               
  95.                                   F                       
  96.                                   FFFF                                
  97.                                   F
  98.                                   F
  99.             Atomic number  =   9  F
  100.  
  101.  
  102.  
  103.  
  104.  
  105.  
  106.                 x x                      x x             In these diagrams the F
  107.             x                        x         x         represents the nucleus
  108.               x  F  x x                x  F  x           with its 9 protons and
  109.             x                        x         x         10 neutrons. Each x 
  110.                 x x                      x x             represents an orbiting
  111.                                                          electron.
  112.                                               
  113.           A fluorine atom           A fluoride ion
  114.  
  115.         Electrically neutral       Net charge of -1
  116.  
  117.  
  118.  
  119. Isotopes
  120. ________
  121.  
  122. The protons and neutrons (nucleons) of an atom are held tightly bound together
  123. by a force known as the _strong nuclear force_. This force is extremely strong
  124. and is required to overcome the repulsive forces that the protons exert on one
  125. another due to their close proximity. Remember that the closer you try and bring
  126. charges of opposite sign together, the greater is the replusive force they exert
  127. on each other - much like trying to put the north pole ends of two magnets
  128. together. To alleviate some of this repulsion is the function of the neutrons.
  129. The neutrons act by 'diluting' the concentration of positive charge in the
  130. nucleus by forcing the protons to be on average further apart. As the atomic
  131. number rises, so do the repulsive forces present in the nucleus, with the result
  132. that more neutrons are needed to 'dilute' the charge concentration.
  133. Some elements display varying numbers of neutrons in the nuclei of their atoms.
  134. For example, an atom of hydrogen has one proton in its nucleus and no neutrons.
  135. But what if we introduce a neutron to the nucleus ? Remember, it is the number
  136. of protons which determines which element we have, not the number of neutrons.
  137. So what is this new atom we have created which has one proton, one neutron and
  138. one orbiting electron ? The new atom is known as an _isotope_ of hydrogen.
  139. Isotopes are elements with identical numbers of protons but differing numbers
  140. of neutrons in their nuclei. In the case of hydrogen the isotope with the
  141. 1 neutron is known as _deuterium_. There also exists a hydrogen atom with
  142. 1 proton and 2 neutrons, known as _tritium_. However, in the case of hydrogen,
  143. the fraction of deuterium atoms in any given sample is miniscule compared with
  144. the number of 'normal' hydrogen atoms. We say that the natural abundance of
  145. deuterium is small compared with the natural abundance of hydrogen.
  146. If you look at the mass numbers for the elements you will see that alot of them
  147. are _not_ whole number values. This is due to the presence of isotopes. The
  148. number indicated as the mass number is an average of the isotopic masses
  149. weighted for natural abundance. For example, chlorine exists as a mixture of
  150. Cl-35 and Cl-37. When these mass numbers are averaged, taking into account the
  151. percentage of each isotope present in a sample, the mass number comes out as
  152. 35.45. Because they are the same element, isotopes are identical in terms of
  153. chemical reactivity, hence we never notice that chlorine is a mixture of 2
  154. isotopes.
  155.  
  156.  
  157. Electron Energy Levels  
  158. ______________________
  159.                  
  160. So far you have seen that the atom consists of the proton, the neutron and
  161. the electron. The protons and neutrons together form the nucleus of the atom,
  162. around which orbit the electrons. The number of electrons must exactly match
  163. the number of protons in order for overall electrical neutrality to be achieved.
  164. The function of the neutrons is to stabilise the nucleus by diluting the
  165. repulsive forces of the protons and that elements whose atoms can have differing
  166. numbers of neutrons are known as isotopes.
  167. When we come to examine the arrangement of the electrons around the nucleus a
  168. distinct pattern emerges. It is found that the electrons occupy 'shells' which
  169. are of well defined energy and distance from the nucleus. Electrons occupying
  170. different shells are of different energies and distances from the nucleus.
  171. The number of electrons a shell can hold is fixed and this number cannot be
  172. exceeded. The first shell filled is the K shell, which can hold a maximum of
  173. two electrons. The K shell is also the closest to the nucleus, which means
  174. that electrons in it will be the most tightly held. When the K shell has been
  175. filled by 2 electrons the next shell to fill is the L shell. The L shell is
  176. capable of holding _eight_ electrons before it becomes full. The electrons in
  177. the L shell are further away from the nucleus than those in the K shell, so are
  178. not held so tightly by the attractive force from the nucleus. To build up a
  179. picture of the occupancy of these shells in an atom whose atomic number we
  180. know we use the following rules.
  181.  
  182. 1. The shells are filled in order from lowest energy (closest to nucleus) to
  183.    higher energy (further from nucleus).
  184.  
  185. 2. The current shell _must_ be completely filled before moving on to fill the 
  186.    next one of higher energy.
  187.  
  188. When this is done the atom is said to be in its _ground state_, the atom is
  189. at a minimum of energy, all electrons occupy the lowest energy levels available.
  190. The number of electrons in each shell can be indicated by listing the shells in
  191. order of increasing energy, together with the number of electrons in that shell.
  192. Hydrogen has one proton in its nucleus, so it must also have only one electron.
  193. This single electron must occupy the shell of lowest energy - the one nearest
  194. the nucleus - and this is the K shell. This may be written as K1, indicating
  195. the lone occupancy of the K shell. The next element, helium, has an atomic
  196. number of 2 indicating 2 protons in its nucleus. This is matched by 2 orbiting
  197. electrons. Following our rules we must place _both_ of these electrons in the
  198. K shell, which is then full. The electronic configuration of helium is therefore
  199. K2. With the third element, lithium, we begin the filling of the L shell which
  200. is capable of holding 8 electrons. The start of the new shell can be noticed in
  201. the periodic table, where we jump from helium on the far right, to lithium on
  202. the far left. If you count all the elements in the Li row, including Li, you
  203. will see that there are 8, the same as the number of electrons the L shell may
  204. hold before becoming full. The electronic configuration of Li, atomic number
  205. three, is therefore K2 L1. The L shell will continue to fill as we traverse the
  206. row, until we reach the element with the configuration K2 L8 (neon). Neon, like
  207. helium, has a _full_ outer shell of electrons. It is the electrons in the
  208. outermost shell of an atom which is responsible for the elements chemical
  209. reactivity. The next shell to fill is the M shell which is capable of holding
  210. 18 electrons before becoming full. The element after neon, sodium, with atomic
  211. number 11, therefore has the electronic configuration K2 L8 M1. Sodium, like
  212. lithium, has only one electron in its outermost shell. Also, both sodium and
  213. lithium are, like the rest of the group, soft metals with similar reactivity.
  214. If you were to sit down and work out the electronic configurations of all the
  215. group I metals (Li, Na, K etc) you would see that they all have one electron
  216. in the outermost shell of their neutral atoms. It is this similarity in
  217. electronic structure which causes the similarity in properties in the group I
  218. metals and for other groups in the periodic table as well.
  219. If you were to work out the electronic configurations for the atoms of the noble
  220. gases (He, Ne, Ar etc), you would see that they all have their outermost shells
  221. completely full. The noble gases are also extremely unreactive. This can be
  222. attributed to the full outer shell of electrons, which provides stability and
  223. unreactivity. This idea of a full outer shell of electrons providing stability
  224. can be used as a powerful rationalising tool when discussing bonding between
  225. atoms, where an atom will strive to acquire a full outer shell, either by the
  226. gaining of electrons, loss of electrons or the sharing of electrons. I shall
  227. cover bonding theory in another file, but first we need to look at a few more
  228. of the properties of atoms which will aid us in predicting reactivity.
  229.  
  230.  
  231.  
  232.  
  233.              *                                 *   *
  234.                 
  235.                                           *             *
  236.       *    * C *    *                          * Ne *    
  237.                                           *             *
  238.  
  239.              *                                 *   *
  240.  
  241.  
  242.        Carbon K2 L4                          Neon K2 L8
  243.  
  244.  
  245.  
  246.  
  247. Ionisation Energy
  248. _________________
  249.  
  250. The first ionisation energy of an atom is the amount of energy required to
  251. remove one electron from the outermost shell to an infinite distance.
  252. This may be represented by the equation :
  253.  
  254.                   E  ========>  E(+)    +    e(-)
  255.  
  256. Note that the total charge on either side of any equation is always equal, in
  257. this particular case both sides are neutral (the positive charge on the cation
  258. balances the negative charge of the electron).
  259.  
  260.  
  261.  
  262.  
  263.  
  264.  
  265. The second ionisation energy is the energy required to remove a second electron
  266. from the now unipositive ion. This process may be represented by the equation :
  267.  
  268.                   E(+)  ========>  E(2+)    +    e(-)   
  269.  
  270. Again, the charges on each side of the equation balance, in this case there is
  271. a plus one charge on each side (the -1 charge on the single electron cancels one
  272. of the two positive charges on E(2+) leaving a net +1.
  273. Removing electrons from an atom requires us to do work, that is we must supply
  274. sufficient energy in order to overcome the attractive force between nucleus and
  275. electron. As we have already seen, the electrons occupy shells which are of
  276. varying distance from the nucleus. Consequently electrons in different shells
  277. experience different attractive forces from the nucleus and they will therefore
  278. differ in the amount of energy needed to remove them. Remember, the closer the
  279. electrons are to the nucleus, the harder it will be to remove them.
  280. If we examine the first ionisation energy as a function of atomic number a
  281. regular pattern emerges.
  282.  
  283. 1. Across a period there is a steady _increase_ in first ionisation energy,
  284.    which peaks at each noble gas. 
  285.  
  286. 2. Down a group the first ionisation energy markedly _decreases_ from element to
  287.    element.
  288.  
  289. The increase in I.E. across a period is due to the increasing nuclear charge
  290. exerting a greater force on the orbiting electrons. Across a period the
  291. electrons are being fed into the same shell, so they are all no further away
  292. from the nucleus. However, the nuclear charge is _increasing_ and this naturally
  293. has the effect of binding those electrons more tightly. This then leads to the
  294. increase in I.E. which is observed in crossing a period.
  295. Based on the argument of increasing nuclear charge you may have expected the
  296. I.E. to increase down a group too, as each group member has more protons in its
  297. nucleus than the one above it. This, you would reason, would cause an increase
  298. in the attractive forces those outer electrons are going to feel and hence a
  299. rise in I.E. However, we are forgetting that for each successive group member
  300. the outermost electrons are in shells which are progressively further from the
  301. nucleus. This increase in electron to nucleus distance produces a drop in the
  302. attractive force which outweighs the increase in atomic number. The result is
  303. a decrease in I.E. on descending any group.
  304.  
  305. From the above discussion it should now be clear that the elements with the
  306. highest ionisation energies are those to the top and right of the periodic
  307. table (eg O, F, Ne, Cl). These elements have ionisation energies in excess of
  308. 15 eV. The elements with the lowest I.E.s are those to the left and bottom of
  309. the periodic table (eg Cs, Fr,). These elements have I.E.s around or below
  310. below 5 eV. Knowing the exact figures isn't important as long as you have an
  311. idea of the trends. Knowledge of an elements I.E. can allow us to predict, for
  312. example, whether that element will be an oxidising or reducing agent. As an
  313. example of how I.E.s differ down a group here are the first and second I.E.s of
  314. the group I metals.
  315.  
  316.  
  317. Metal       First I.E.       Second I.E.  
  318.  
  319. Li            520              7296               The measurements here are in
  320.                                                   kilo-joules per mole. The mole
  321. Na            496              4563               is a unit of measurement of
  322.                                                   substance.
  323. K             419              3069               
  324.                                                 
  325. Rb            403              2650         
  326.  
  327. Cs            375              2420                            
  328.  
  329.  
  330.  
  331. For sodium the first I.E. is 496 kJ/mol, this represents the amount of energy
  332. required to remove the single M electron to leave the Na+ cation (K2 L8).
  333. The amount of energy required to remove the second electron is huge compared
  334. with the first - 4563 kJ/mol. There are two reasons for this.
  335.  
  336. 1. The second electron is being removed from a _full_ orbital shell which
  337.    contains electrons closer to the nucleus than the original single M
  338.    electron already removed ie the process is K2 L8 ====> K2 L7 in which
  339.    we are breaking into a _full shell_ in which the electrons are closer
  340.    to the nucleus.
  341.  
  342. 2. The second electron is being removed from an already positively charged
  343.    cation, with the result that we need to do more work in order to overcome
  344.    this extra attractive force.
  345.  
  346.  
  347.    Na ========> Na(+)    +      e(-)      requires _less_ energy than :
  348.  
  349.  
  350.    Na(+) ========> Na(2+)    +     e(-)
  351.  
  352.  
  353.  
  354. Size of Atoms and Ions
  355. ______________________
  356.  
  357. Across a period in the periodic table, electrons are being fed into the
  358. same shell, so you may have expected no change in atomic size as we cross
  359. the period. However, in traversing the period we introduce more and more
  360. positive nuclear charge, with the result that the electrons being fed into the
  361. current shell feel the pull of the nucleus more strongly, thus there is a
  362. contraction in atomic size. Down groups there is an _increase_ in atomic size
  363. as, going from one element to the next in the group, the outermost electrons
  364. are in shells progressively further from the nucleus.
  365.  
  366. Anions (negative ions) are always larger than their parent atoms. The reason
  367. being that the addition of an electron to the atom will cause an increase in the
  368. replusive field that the orbiting electrons mutually feel. This increase causes
  369. the electrons to spread out more in space thus increasing the size of the ion in
  370. comparison to the size of the atom.
  371.  
  372. Cations (positive ions) are always smaller than their parent atoms. A loss of
  373. one or more electrons causes a reduction in the repulsive forces between the
  374. electrons and thus an overall contraction in radius. Also, the electrons which
  375. are lost may totally empty the outer shell, which will naturally lead to a
  376. reduction in radius as the next inner shell is closer to the nucleus. A sodium
  377. atom, for example, has the electronic configuration K2 L8 M1. Loss of a single
  378. electron gives a sodium ion, Na+, which has the stable noble gas electronic
  379. configuration of neon, K2 L8. The loss of the single electron from the M shell
  380. gives a natural reduction to the radius of the cation vs atom, as the outermost
  381. electrons are now in the L shell and not the M shell. In addition, the ratio of
  382. positive charges on the nucleus to the number of orbital electrons is increased.
  383. Thus the effective nuclear charge is increased and the electrons are pulled in.
  384. The greater the charge on the cation, the smaller it becomes. 
  385.  
  386. For Sodium:
  387.  
  388. Atomic Radius Na (K2 L8 M1) = 1.57 Angstroms             1 angstrom =
  389.                                                         
  390. Ionic Radius Na+ (K2 L8) = 0.98 Angstroms               0.0000000001 metres
  391.  
  392.  
  393. Electronegativity
  394. _________________
  395.  
  396. The electronegativity of an atom is a measure of its ability to attract
  397. electrons to itself when the atom is bonded to others as part of a compound.
  398. An atoms ability to attract electrons to itself depends greatly upon its size.
  399. Generally, the smaller the atom, the greater is its electronegativity ie the
  400. better is its ability to attract electrons. We have already seen that across
  401. a period there is a decrease in atomic size which corresponds to increasing
  402. nuclear charge. Down groups in the table there is a marked increase in size
  403. as the outermost electrons are in orbital shells progressively further from the
  404. nucleus. These trends indicate that across periods there is an _increase_ in
  405. electronegativity and down groups there is a _decrease_ in electronegativity.
  406. Therefore the most electronegative elements are to be found at the top right
  407. of the periodic table (N, O, F, Cl) and the least electronegative are at the
  408. bottom left (Rb, Cs).
  409. The electronegativities of the elements can be placed on a scale of 0-4, with
  410. fluorine, the most electronegative element, assigned the value of 4. The
  411. following partial periodic table lists some electronegativity values.
  412.  
  413. __________________________________________________________________________
  414. H  (2.1)
  415. __________________________________________________________________________
  416. Li (1.0)    Be (1.5)   B (2.0)    C (2.5)    N (3.0)   O (3.5)    F (4.0)
  417. __________________________________________________________________________
  418. Na (0.9)                                                          Cl (3.0)
  419. __________________________________________________________________________
  420. K  (0.8)                                                          Br (2.8)
  421. __________________________________________________________________________
  422. Rb (0.8)                                                          I (2.5)
  423. __________________________________________________________________________
  424. Cs (0.7)
  425. __________________________________________________________________________
  426.  
  427. This particular scale is known as the Pauling scale after its inventor.
  428.  
  429. Atoms whose electronegativity falls below the 2.1 mark compete poorly for
  430. electrons, in fact these elements are sometimes referred to as electropositive
  431. because they have very little pulling power. They also happen to be the elements
  432. with low ionisation energy. The lower the value of EN below 2.1 the more
  433. electropositive the element will be, so that Cs, with an EN value of around
  434. 0.7 is very electropositive indeed (has very low ionisation energy and competes
  435. poorly for electrons when it is part of a compound).
  436.  
  437. Electronegativity is a useful concept for chemists. For example, the difference
  438. in electronegativity between two bonding atoms can be used to predict whether
  439. that bond will be predominantly _ionic_ or _covalent_. If you do not understand
  440. what is meant by these two terms then don't worry - I shall cover them in the
  441. next file : Bonding and Structure.
  442.  
  443.  
  444. Dalamar.
  445.  
  446. -------------------------------------------------------------------------
  447. To find out more about the anon service, send mail to help@anon.penet.fi.
  448. Due to the double-blind, any mail replies to this message will be anonymized,
  449. and an anonymous id will be allocated automatically. You have been warned.
  450. Please report any problems, inappropriate use etc. to admin@anon.penet.fi.
  451.  
  452.  
  453.