KJM1101 · UiO

Studieguide for KJM1101 Generell kjemi

Komplett pensumoversikt for generell kjemi ved UiO — med forklaringer, sentrale begreper, eksamenstips og vanlige fallgruver. Eksamensoptimalisert basert på tidligere eksamener.

Introduksjon

KJM1101 Generell kjemi (tidligere KJM1100) er UiOs grunnemne i kjemi: 10 studiepoeng, undervist om høsten, med obligatorisk labkurs og en avsluttende skriftlig eksamen på fire timer i Inspera. Emnet dekker atomets oppbygning, kjemisk binding og molekylgeometri, støkiometri og gasser, termodynamikk, kjemisk likevekt, syre-base-kjemi, løselighet, elektrokjemi, kinetikk og kjernekjemi.

Denne studieguiden er bygd på en oppgave-for-oppgave-gjennomgang av seks eksamenssett fra arkivet: ordinær eksamen H2015, utsatt eksamen januar 2016, ordinær eksamen H2016, utsatt eksamen januar 2017 og de to settene som gikk parallelt 8. desember 2017 under kodene KJM1100 og KJM1101. Til sammen 600 poeng er kartlagt og fordelt på tema, og rekkefølgen på seksjonene her følger ikke læreboka, men det som faktisk gir poeng.

Settet består av 17 eller 18 oppgaver med ulik vekt og en totalsum på 100 poeng. Omtrent 55 % av poengene er regneoppgaver der du må vise utregning, 31 % er flervalg eller utfylling, og de siste 14 % er korte forklaringer og tegninger. Hjelpemidler er godkjent kalkulator; periodesystemet ligger som informasjonsdokument bakerst i settet, og gasskonstanten, Faradays konstant og Nernsts ligning er trykt på forsiden.

Atomstruktur og periodesystemet

Eksamensrelevant

Elektronkonfigurasjon, kvantetall, uparede elektroner og de periodiske trendene for atomradius, ioneradius, ioniseringsenergi og elektronegativitet.

Oversikt

Dette temaet åpner nesten hvert eneste eksamenssett i KJM1101. På de seks settene vi har målt (H2015, utsatt H2015, H2016, utsatt V2017 og de to H2017-settene) står atomstruktur og periodesystemet for 37,25 av 600 poeng, og temaet er representert på alle seks. Oppgavene er nesten alltid korte flervalgs- eller utfyllingsoppgaver på 1–2 poeng hver: du får et grunnstoff, et ion eller et underskall og skal svare med ett tall eller ett symbol. Det betyr at dette er de raskeste poengene i hele settet — men også de som er lettest å miste på slurv.

Elektronkonfigurasjon

Fyll orbitalene etter oppbyggingsprinsippet (aufbau), med rekkefølgen 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p. Pauliprinsippet gir maksimalt to elektroner per orbital, og Hunds regel sier at elektroner fordeler seg med parallelt spinn på likeverdige orbitaler før de pares opp.

Maksimalt antall elektroner i et underskall er $2(2l+1)$ : s rommer 2, p rommer 6, d rommer 10 og f rommer 14. Dette gjelder uansett hvilket skall underskallet ligger i — 4f og 5f rommer begge 14 elektroner.

To unntak du må kunne: krom er $[\text{Ar}]3d^54s^1$ og kobber er $[\text{Ar}]3d^{10}4s^1$ , fordi halvfylt og helfylt d-skall gir ekstra stabilitet. Når et overgangsmetall danner kation, fjernes 4s-elektronene først: $\text{Fe}^{2+}$ er $[\text{Ar}]3d^6$ , ikke $[\text{Ar}]3d^44s^2$ .

Kvantetall

Fire kvantetall beskriver ett elektron:

$n$ — hovedkvantetallet, $n = 1, 2, 3, \ldots$ , bestemmer skall og hovedsakelig energi.
$l$ — bikvantetallet, $l = 0, 1, \ldots, n-1$ , bestemmer orbitaltype: $l=0$ er s, $l=1$ er p, $l=2$ er d, $l=3$ er f.
$m_l$ — magnetisk kvantetall, $m_l = -l, \ldots, 0, \ldots, +l$ , altså $2l+1$ verdier.
$m_s$ — spinnkvantetallet, $+\tfrac{1}{2}$ eller $-\tfrac{1}{2}$ .

Uparede elektroner og magnetisme

Et atom eller ion med minst ett uparet elektron er paramagnetisk; med bare parede elektroner er det diamagnetisk. Tell uparede elektroner ved å tegne bokser for valensorbitalene og fylle etter Hunds regel.

Periodiske trender

Fire trender går igjen på eksamen, og alle fire forklares med samme to størrelser: effektiv kjerneladning $Z_\text{eff}$ og avstanden til kjernen.

Atomradius avtar mot høyre i en periode ( $Z_\text{eff}$ øker, samme skall) og øker nedover i en gruppe (nytt skall).
Ioniseringsenergi øker mot høyre og oppover. Små avvik finnes: bor har lavere $I_1$ enn beryllium, og oksygen lavere enn nitrogen (paringsfrastøting i $2p^4$ ).
Elektronegativitet øker mot høyre og oppover; fluor er høyest, alkalimetallene nederst til venstre er lavest.
Ioneradius: kationer er alltid mindre enn moderatomet, anioner alltid større. I en isoelektronisk serie (samme elektrontall) avtar radien når kjerneladningen øker.

Eksempel 1: Fire korte spørsmål (H2015, H2017 og KJM1101 H2017, oppgave 1, 7 poeng)

Oppgave: a) Hvilket grunnstoff har elektronkonfigurasjonen $1s^22s^22p^63s^23p^6$ ? b) Hvilket ion har størst ioneradius av $\text{Mg}^{2+}$ , $\text{Br}^-$ , $\text{Be}^{2+}$ , $\text{Na}^+$ og $\text{F}^-$ ? c) Hvilket grunnstoff har lavest elektronegativitet av Cl, Si, Sn, K og O?

Løsning:

Tell elektronene: $2+2+6+2+6 = 18$ . Grunnstoff nummer 18 er argon, Ar.
$\text{Br}^-$ har elektroner helt ut i fjerde skall, mens de fire andre bare har elektroner til og med andre skall. Skallet avgjør: $\text{Br}^-$ er klart størst.
Elektronegativitet avtar mot venstre og nedover. Kalium står lengst til venstre og lavest av de fem: K.

Kontroll: $\text{Mg}^{2+}$ , $\text{Na}^+$ og $\text{F}^-$ er alle isoelektroniske med neon (10 elektroner). Da avtar radien når kjerneladningen øker, så $\text{F}^-$ > $\text{Na}^+$ > $\text{Mg}^{2+}$ — ingen av dem kan konkurrere med $\text{Br}^-$ .

Eksempel 2: Uparede elektroner (utsatt H2015, oppgave 1, 4,5 poeng)

Oppgave: Angi antall uparede elektroner i B, Ne, P, Sc, Mn og Zn.

Løsning: Skriv valenskonfigurasjonen og fyll etter Hunds regel.

B: $[\text{He}]2s^22p^1$ — ett elektron i p: 1
Ne: $[\text{He}]2s^22p^6$ — alt fylt: 0
P: $[\text{Ne}]3s^23p^3$ — tre p-orbitaler med ett elektron hver: 3
Sc: $[\text{Ar}]3d^14s^2$ — ett d-elektron: 1
Mn: $[\text{Ar}]3d^54s^2$ — halvfylt d-skall: 5
Zn: $[\text{Ar}]3d^{10}4s^2$ — alt fylt: 0

Eksempel 3: Kvantetall for en 3d-orbital (utsatt V2017, oppgave 4, 5 poeng)

Oppgave: Hvilke verdier kan $n$ , $l$ og $m_l$ ha når vi vet at vi har en 3d-orbital?

Løsning: «3» gir $n = 3$ , og «d» gir $l = 2$ . For $l = 2$ løper $m_l$ fra $-l$ til $+l$ , altså $m_l \in \{-2, -1, 0, +1, +2\}$ — fem verdier, som er nettopp de fem d-orbitalene.

Svar: $n = 3$ (én verdi), $l = 2$ (én verdi), $m_l = -2, -1, 0, 1, 2$ (fem verdier).

Eksempel 4: Maksimalt antall elektroner (utsatt H2015, oppgave 2, 3 poeng)

Oppgave: Maksimalt antall elektroner i 2p, 3s, 3d, 4p, 4f og 5f?

Løsning: Bruk $2(2l+1)$ , som bare avhenger av bokstaven: p gir 6, s gir 2, d gir 10, f gir 14.

Svar: 2p: 6, 3s: 2, 3d: 10, 4p: 6, 4f: 14, 5f: 14.

Nøkkelformler

•Maksimalt antall elektroner i et underskall: $2(2l+1)$ — s: 2, p: 6, d: 10, f: 14
•Tillatte kvantetall: $l = 0 \ldots n-1$ , $m_l = -l \ldots +l$ , $m_s = \pm\tfrac{1}{2}$
•Aufbau-rekkefølge: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p
•Isoelektronisk serie: større kjerneladning $\Rightarrow$ mindre radius

Vanlige feil

⚠️Å fjerne 3d-elektroner før 4s når et overgangsmetall ioniseres. 4s tømmes først: $\text{Fe}^{2+} = [\text{Ar}]3d^6$ .
⚠️Å tro at 4f rommer flere elektroner enn 5f. Begge rommer 14 - skallnummeret betyr ingenting for kapasiteten.
⚠️Å rangere ioneradius etter ladning alene. $\text{Br}^-$ slår alle andreperiode-ioner fordi det har et helt ekstra skall.
⚠️Å glemme Hunds regel og pare opp elektroner for tidlig, slik at antall uparede elektroner blir for lavt.

Eksamenstips

💡Oppgave 1 er dette temaet i fem av seks sett, og den gir 4,5-7 poeng på under ti minutter. Ta den først.
💡Ved ioneradius: sjekk alltid FØRST om ionene er isoelektroniske. Er de ikke det, avgjør høyeste skall.
💡Antall uparede elektroner leses rett ut av valenskonfigurasjonen - husk at 4s tømmes før 3d i kationer.
💡Elektronkonfigurasjon som spørsmål «hvilket grunnstoff»: summér elektronene og slå opp atomnummeret i det vedlagte periodesystemet.

Laster...

Laster…