Atomic structure: particles in the atom, isotopes, mass spectrometer, electronic configuration

Cambridge International AS & A Level Chemistry (9701) – Core Syllabus Notes

1. Particles in the Atom

An atom consists of three fundamental sub‑atomic particles. Their charge, relative mass and typical location are summarised below.

Particle Charge Relative mass (u) Location
Proton (p⁺) +1 ≈ 1.007 u In the nucleus
Neutron (n⁰) 0 (neutral) ≈ 1.009 u In the nucleus
Electron (e⁻) –1 ≈ 0.00055 u In electron shells (cloud) surrounding the nucleus

Atomic number (Z) = number of protons. In a neutral atom Z also equals the number of electrons.
Mass number (A) = protons + neutrons.

2. Isotopes & the Mass Spectrometer

2.1 Isotopes

  • Atoms of the same element (same Z) that differ in neutron number (N) → different mass numbers (A).
  • Notation: ⁽ᴬ⁾₍ᶻ₎X (e.g. 126C).
  • Physical properties (mass, nuclear stability, radioactivity) change with A; chemical properties are essentially unchanged because they depend on Z.

2.2 Example – Carbon Isotopes

Isotope Mass number (A) Neutron number (N) Natural abundance (%)
12C12698.9
13C1371.1
14C148trace

2.3 Mass Spectrometry – How Isotopic Composition Is Measured

  1. Ionisation: A sample is vaporised and bombarded with electrons; atoms lose an electron to form positive ions (M⁺).
  2. Acceleration & Deflection: Ions are accelerated through a known voltage and enter a magnetic field. The radius of curvature r depends on the mass‑to‑charge ratio (m/e):
    r = (m·v)/(e·B)
  3. Detection: Ions of different m/e strike the detector at different positions, producing a spectrum of peaks. The relative height of each peak gives the isotopic abundance.

For a mono‑isotopic element the spectrum shows a single peak; for elements with several stable isotopes (e.g. Cl) two or more peaks appear.

3. Electronic Structure

3.1 Shells, Sub‑shells & Quantum Numbers

  • Principal quantum number (n): defines the shell (n = 1, 2, 3,…).
  • Azimuthal quantum number (ℓ): defines the sub‑shell; ℓ = 0, 1, 2, 3 correspond to s, p, d, f.
  • Maximum electrons per sub‑shell:
    s = 2, p = 6, d = 10, f = 14.

3.2 Orbital Shapes (qualitative)

  • s‑orbital – spherical.
  • p‑orbitals – three mutually perpendicular dumbbells (px, py, pz).
  • d‑orbitals – five clover‑shaped (plus one doughnut‑shaped) forms.
  • f‑orbitals – seven complex shapes (not required for AS level).

3.3 Order of Filling – Aufbau Principle

Orbitals are filled in order of increasing n + ℓ; if two orbitals have the same n + ℓ, the one with the lower n fills first.

Sequence (first 20 orbitals):

$$1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s \dots$$

3.4 Electron‑Box (Orbital) Notation

Each box = one orbital; an arrow = one electron (↑ or ↓). Example – ground‑state carbon (Z = 6):

1s : ↑↓
2s : ↑↓
2p : ↑  ↑  (two electrons occupy two of the three 2p boxes singly – Hund’s rule)

Compact form: 1s² 2s² 2p².

3.5 Key Rules

  • Pauli Exclusion Principle: No more than two electrons in an orbital and they must have opposite spins.
  • Hund’s Rule: Electrons occupy separate degenerate orbitals before pairing.
  • Aufbau Principle: Electrons fill the lowest‑energy orbitals first.

3.6 Free Radicals

A species with one or more unpaired electrons. Example – methyl radical:

·CH₃  Electronic configuration: 1s² 2s² 2p¹

4. Ionisation Energy (IE) & Electron Affinity (EA)

4.1 Definitions

  • First ionisation energy: Energy required to remove the outermost electron from a neutral gaseous atom.
    X(g) → X⁺(g) + e⁻
  • Successive IE: Energy for removing further electrons from the resulting ion.
    Xⁿ⁺(g) → X⁽ⁿ⁺¹⁾⁺(g) + e⁻
  • Electron affinity: Energy change when an isolated gaseous atom gains an electron.
    X(g) + e⁻ → X⁻(g)

4.2 Periodic Trends (IE)

TrendReason
Across a period (left → right) Increasing nuclear charge with little change in shielding → stronger attraction → IE rises.
Down a group Additional shells increase radius and shielding → IE falls.
Between successive IE’s Large jump when a new, more tightly bound sub‑shell is reached (e.g. after removing the ns electron of an alkali metal).
Half‑filled or fully‑filled sub‑shells Extra stability causes a slight increase in IE.

4.3 Example – Period 2 First IE (kJ mol⁻¹)

ElementIE₁
Li520
Be900
B801
C1086
N1402
O1314
F1681
Ne2081

4.4 Using IE Data

Given IE₁ = 1314 kJ mol⁻¹ and IE₂ = 3388 kJ mol⁻¹, the values match oxygen. Hence the ground‑state configuration is 1s² 2s² 2p⁴.

4.5 Electron Affinity Trends (brief)

  • Generally becomes more negative across a period (energy released) because added electron is attracted to a higher nuclear charge.
  • Becomes less negative down a group due to increased radius and shielding.
  • Group 17 have the most exothermic EA, but Cl’s EA is slightly more negative than F’s because of electron‑electron repulsion in the compact 2p⁶ shell.

5. Stoichiometry & the Mole

5.1 The Mole Concept

  • 1 mol = 6.022 × 10²³ entities (Avogadro’s number, Nₐ).
  • Molar mass (M) = relative atomic/molecular mass (g mol⁻¹).

5.2 Converting Between Mass, Moles and Particles

mass (g) = moles × M                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

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