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 http://mwalnik.wodip.opole.pl/chemia/uklad/uklad.html 3.4 3.1 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) 3.3 3.8 1
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 3.10 3.7 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, 5 40 17 35 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 137 17 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
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) 3.13 3.14 Właściwości pierwiastków Atomowe (swoiste): Zależą od budowy atomów - Masa atomowa - Promień atomu - Ładunek jądra - Energia jonizacji - Powinowactwo elektronowe - Elektroujemność - Podatność magnetyczna - http://www.meta-synthesis.com/ 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 - 3.14 3.15 3
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] 71 333 350 330 300 140 175 Energia jonizacji (kationizacji) M M M M 1e 1e energia potrzebna do odebrania elektronunajsłabiej związanego - pierwsza energia jonizacji - druga energia jonizacji Atom 1 3 4 He 370 550 Ne 080 395 Ar Li 519 798 Na 494 456 K 418 3051 Be 900 1757 Mg 736 1451 Ca 590 1145 4910 B 799 430 3660 5000 Al 577 1817 744 Ga 577 1979 963 C Si 786 1577 Ge 784 1557 330 N 1400 856 P 1011 1903 91 As 947 1798 O 1310 3388 S 1000 51 Se 941 044 F 1680 3374 Cl 155 97 Br 1140 104 3.19 3.16 Energia jonizacji 1 H 1310 Li 519 3 Na 494 4 K 418 5 Rb 40 6 Cs 376 1 13 14 15 16 17 18 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 3.18 3.0 4
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 3.1 3.3 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. 3. 3.4 5
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 3.5 3.7 Elektroujemność w układzie okresowym http://pl.wikipedia.org/wiki/elektroujemno%c5%9b%c4%87 Wielkość atomów bloku s i p http://intro.chem.okstate.edu/1314f00/lecture/chapter7/lec111300.html 3.6 3.8 6
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 3.9 3.31. 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, 3.30 3.31 7
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