Okresowość właściwości chemicznych pierwiastków. Układ okresowy pierwiastków. 1. Konfiguracje elektronowe pierwiastków

Transkrypt

1 Układ okresowy pierwiastków Okresowość właściwości chemicznych pierwiastków 1. Konfiguracje elektronowe pierwiastków. Konfiguracje a układ okresowy 3. Budowa układu okresowego 4. Historyczny rozwój układu okresowego 5. Efektywna liczba atomowa 6. Elektroujemność 7. Właściwości pierwiastków a układ okresowy Układ okresowyjest tablicą pierwiastków chemicznych, uszeregowanych według wzrastających liczb atomowych, w której pierwiastki o podobnych konfiguracjach elektronowych (i w rezultacie właściwościach chemicznych) znajdują się w pionowych kolumnach Okresowy charakter zmian właściwości pierwiastków wynika z okresowych zmian w liczbie elektronów na ich zewnętrznych (walencyjnych w sensie energetycznym a niekoniecznie według rosnących liczb kwantowych) powłokach Poziome szeregi w układzie okresowym nazywamy okresami Okres pierwszy n=1, 1s; pierwiastki ( n =) (bardzo krótki) Okres drugi n=, s p 6 ; 8 pierwiastków ( =8) (krótki) Okres trzeci n=3, 3s p 6 d 10 ; 8 pierwiastków ( 3 =18) (krótki) Okres czwarty n=4, 4s 3d 10 4p 6 ; 18 pierwiastków ( 4 =3) (długi) Okres piąty n=5, 5s 4d 10 5p 6 ; 18 pierwiastków ( 5 =50) (długi) Okres szósty n=6, 6s 4f 14 5d 10 6p 6 3 pierwiastki ( 6 =7) (najdłuższy) Okres siódmy n=7, 7s 5 f14 6d 10 7p 6 (niedokończony)

2 Okresowość właściwości fizycznych Pionowe kolumny w układzie okresowym nazywamy grupami Grupę (rodzinę) tworzą pierwiastki o analogicznych konfiguracjach elektronowychna zewnętrznych powłokach Elektrony walencyjne elektrony powłok zewnętrznych Gdy atomy stykają się ze sobą, np. w reakcji, następuje oddziaływanie między elektronami ich zewnętrznych powłok (elektronami walencyjnymi) Dlatego właściwościchemiczne atomów zależą od liczby i rozmieszczenia elektronów walencyjnychczyli ich konfiguracji Czyli pierwiastki tej samej grupy mają podobne właściwościchemiczne Objętość atomowa A. Bielański Chemia ogólna i nieorganiczna Energia jonizacji - energia potrzebna do oderwania 1 elektronu od atomu Pierwsza energia jonizacji A. Korczyński Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej 3.9 Prawa okresowości w chemii Triady (Döbereiner -1816) Początki układu okresowego M M M Ca Ba śr 88, Mśr 81 Prawo oktaw (Newlands 1864) Cl 35 Ca Jeśli uszeregować pierwiastki wg rosnących ciężarów atomowych, co ósmy pierwiastek ma podobne właściwości 88 Br 80 Sr I Na(9) K(17) a) Nie znano wszystkich pierwiastków C(5) Si(1) b) Nie umiano wyznaczać mas (ciężarów) tylko równoważniki chemiczne Ba 3.11

3 Układ okresowy według Mendelejewa (1869) Prawo okresowości (Mendelejew 1869 Meyer 1870) Właściwości chemiczne i fizyczne zmieniają się okresowo w miarę wzrostu ciężarów atomowych Helowce nieznane do 189 roku (Argon Ramsay), hel w widmie Słońca 1868 H Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca ekabor Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn ekaglin ekakrzem As Se Br ekaglin 1875 (Ga Lecoq de Boisbaudran) - Ga ekabor 1881 (Sc Nilsson) - Sc ekakrzem 1875 (Ge Winkler) - Ge Zalety i wady układu okresowego (Mendelejewa) Zalety: - ujawnienie podobieństw (Cd i Hg, Sn i Pb, B i Al) - prawidłowe określenie ciężarów atomowych np. uważano Be za trójwartościowy (BeCl 3 ) równoważniki Be 4,5x3=13,5?? 4,5x=9 (BeCl ) - przewidywanie istnienia pierwiastków jeszcze nieznanych Wady: - łączenie pierwiastków grup głównych i pobocznych - 3 pierwiastki w VII grupie - nie wiadomo co zrobić z lantanowcamii aktynowcami - wartościowośćcu i Au nie odpowiadały numerowi grupy - kolejność pierwiastków niezgodna z ciężarami (Ar i K, Co i Ni, Te i I) Właściwości pierwiastków Atomowe (swoiste): Zależą od budowy atomów - Masa atomowa - Promień atomu - Ładunek jądra - Energia jonizacji - Powinowactwo elektronowe - Elektroujemność - Podatność magnetyczna - Zespołowe (koligatywne): Zależą od sposobu powiązania atomów i oddziaływań między nimi - Gęstość - Stan skupienia - Temperatura topnienia - Temperatura wrzenia - Współczynnik załamania światła - Przewodnictwo cieplne - Przewodnictwo elektryczne - Objętość molowa - Barwa - Ciepło właściwe

4 Energia anionizacji energia potrzebna do utworzenia anionu (energia przyłączenie elektronu może być ujemna i dodatnia) Energia powinowactwa elektronowego energia uwalniana(dla nas dodatnia) podczas przyłączania dodatkowego elektronu do atomu, z którego powstaje anion A + 1e - A - Jon H - F - Cl - Br - I - O - OH - O - S - Energia anioniz. [kj/mol] Energia jonizacji (kationizacji) M M M M 1e 1e energia potrzebna do odebrania elektronunajsłabiej związanego - pierwsza energia jonizacji - druga energia jonizacji Atom He Ne Ar Li Na K Be Mg Ca B Al Ga C Si Ge N P As O S Se F Cl Br Energia jonizacji 1 H 1310 Li Na K Rb 40 6 Cs Be 900 Mg 736 Ca 590 Sr 548 Ba 50 B 799 Al 577 Ga 577 In 556 Tl 590 Energia jonizacji zależy od: C 1090 Si 786 Ge 784 Sn 707 Pb 716 N 1400 P 1011 As 947 Sb 834 Bi 81 O 1310 S 1000 Se 941 Te 870 Po 81 F 1680 Cl 155 Br 1140 I 1008 At 1037 He 370 Ne 080 Ar 150 Kr 1350 Xe 1170 Rn 1036 Promienia atomu (wielkości powłoki walencyjnej), Ładunku atomu (0) lub jonu (+ lub -) Efektywnej liczby atomowej Typu orbitalu walencyjnego, z którego usuwamy elektron (energii orbitalu) Liczby elektronów na orbitalu walencyjnym, z którego usuwany jest elektron A. Korczyński Repetytorium z chemii ogólnej i nieorganicznej

5 Efektywna liczba atomowa. Efekt ekranowania Z me e Energia elektronu E 8 h n o 4 Z - liczba atomowa Każdy elektron jest nie tylko przyciągany przez jądro ale też odpychany przez elektrony, zwłaszcza powłok wewnętrznych w stosunku do niego Efektywna liczba atomowa jest mniejsza od liczby protonów w jądrze, co wynika z ekranowania (osłabiania) oddziaływania elektronów walencyjnych z jądrem przez inne elektrony. Ekranowanie(zmniejszanieliczby atomowej) wynosi dla elektronów s i p: 0,35 dla każdego elektronu s i p na rozpatrywanej powłoce n (dla 1s tylko -0,3) 0,85 dla każdego z elektronów na powłoce n-1) ( 1,0 dla każdego z elektronów powłoki n- lub jeszcze bliżej jądra Elektroujemność (X) Gdy myślimy ogólnie o charakterze (właściwości) atomu: Zdolność przyciągania elektronów w wiązaniu kowalencyjnym Zdolność atomu do przyciągania elektronów Gd y chcemy określić ją liczbowo: Miara przyciągania elektronów przez dany atom Miara dążenia atomu w związku chemicznym do przyciągania do siebie elektronów Miara tendencji atomu znajdującego się w cząsteczce do przyciągania ku sobie elektronów Efektywna liczba atomowa. Efekt ekranowania 0,35 dla każdego elektronu s i p na powłoce n (dla 1s tylko -0,3) 0,85 dla każdego z elektronów na powłoce (n -1) 1,0 dla każdego z elektronów n- lub jeszcze bliżej jądra Przykład: Ekranowanie dla elektronów walencyjnych tlenu 1s s p 4-0,35x5=-1,75-0,85x=-1,70-3,45 Efektywna liczba atomowa tlenu wynosi: 8,00-3,45 4,55 Elektroujemność (X) Skala Paulinga dobrana tak, aby różnica elektroujemnościatomów tworzących wiązanie była równa momentowi dipolowemu wiązania (w debajach) Skala Millikena elektroujemność pierwiastka jest wprost proporcjonalna do sumy jego powinowactwa elektronowego i energii pierwszej jonizacji. Duża elektroujemność, gdy obie energie duże Skala Allreda i Rochowa- elektroujemność jest miara sił, z jaką jądro o ładunku Z e działa na elektrony walencyjne Z S X 0,359 0,744 r S stała ekranowania (Z-S=Z e ), r promień atomu Standardowa elektroujemność wynosi około, dla wodoru we wszystkich trzech skalach

6 Porównanie skal elektroujemności Atom P M AR F 3,98 3,90 4,10 O 3,44 3,04 3,50 N 3,04,8 3,07 Cl 3,16,95,83 Br,96,6,74 C,55 1,75,50 Se,55,18,48 S,58,8,44 I,66,5,1 As,18 1,59,0 H,0,1,0 P,19 1,84,06 B,04 1,81,01 Si 1,90,5 1,74 Al 1,61 1,64 1,47 Be 1,57 1,40 1,47 Mg 1,31 1,17 1,3 Ca 1,00 0,99 1,04 Na 0,93 0,74 1,01 Li 0,98 0,84 0,97 Rb 0,8 0,50 0,89 Fr 0,7-0,86 Wielkość atomów (Promienie atomowe) Czy można wyznaczyć wielkość atomu doświadczalnie? Czy jest to możliwe dla izolowanegoatomu? W jakim stanie skupienia to zrobić? Promień atomowy (kowalencyjny) - połowa długości wiązania kowalencyjnegoniespolaryzowanego Promień jonowy - zależy od liczby koordynacyjnej i stopnia utlenienia - można wyznaczyć sumę dwu promieni jonowych Promień metaliczny - połowa odległości międzyjądrowej stykających się atomów w krysztale danego metalu Promień van der Waalsa -połowa odległości międzyjądrowej dla dwu jednakowych atomów nie związanych ze sobą Elektroujemność w układzie okresowym Wielkość atomów bloku s i p

7 Wielkość atomów i jonów Wielkość atomów i jonów 1. Promienie atomowe i jonowe [podano wartości w Å] pierwiastków tej samej grupy rosną wraz z numerem okresu Li + 0,70 F 0,58 F - 1,33 0,8 0,41 0,48 Na + 0,98 Cl 0,99 Cl - 1,81 0,35 0,15 0,15 K + 1,33 Br 1,14 Br - 1,96 0,16 0,19 0,4 Rb + 1,49 I 1,33 I -,0 0,1 Cs + 1,70 Wielkość atomów i jonów 5. Promienie van der Waalsa a promienie atomowe Atom Promień atomowy [Å] Promień van der Waalsa [Å] H 0,31 1,0 0,89 N 0,70 1,50 0,80 O 0,66 1,40 0,74 S 1,04 1,85 0,81 F 0,64 1,35 0,71 Cl 0,99 1,80 0,81 He Ne - - 0,93 1,60 Ar - 1,91 Δ Promienie atomowe [w Å] pierwiastków tego samego okresu maleją w miarę wzrostu liczby atomowej B C N O F Ne 0,88 0,77 0,70 0,66 0,64 0,70 3. Promienie kationów [w Å] izoelektronowychmaleją ze wzrostem ładunku Na + Mg + Al 3+ Si 4+ P 5+ S 6+ Cl 7+ 0,98 0,78 0,57 0,39 0,35 0,34 0,6 4. Aniony są na ogół większe niż kationy, np. przy tej samej liczbie elektronów. N 3- O - F - Ne Na + Mg + Al 3+ 1,71 1,3 1,33 1,60 0,98 0,78 0,57 v.d.w. Wielkość atomów i jonów 6. Kationy pierwiastków leżących na przekątnej (z lewego rogu w dół na prawo) mają zbliżone promienie jonowe Li + Na + K + Mg + Ca + Sr + Sc 3+ Y 3+ La 3+ 0,70 0,78 0,83 0,98 1,06 1,06 1,33 1,7 1,

8 Pytania i tematy egzaminacyjne 1. Dlaczego miejsce pierwiastka w układzie okresowym decyduje o jego właściwościach?. Wyjaśnij brak monotoniczności zmian właściwości fizycznych atomów (np. objętości atomowej i energii jonizacji) w okresach 3. Wymień główne zalety i wady układu okresowego pierwiastków w wersji zaproponowanej przez Mendelejewa 4. Od czego zależy i o czym decyduje wielkość energii jonizacji? 5. Co to jest efektywna liczba atomowa? 6. Jak się określa elektroujemność i do czego ona służy? 7. Dlaczego elektroujemność na ogół maleje dla kolejnych pierwiastków danej grupy układu okresowego a rośnie dla kolejnych pierwiastków bloków s i p w danym okresie? 8. Od czego zależy wielkość atomów i jak się zmienia w grupach (rodzinach) i okresach? 8