Μαγνητικές ιδιότητες Υλικών με βαση τις αντίστοιχες των στοιχείων

Transcript

1

2 Μαγνητικές ιδιότητες Υλικών με βαση τις αντίστοιχες των στοιχείων Τα υλικά ανάλογα με τη μαγνητική τους συμπεριφορά διακρίνονται σε: 1. ιαμαγνητικά που δεν διαθέτουν μαγνητικά άτομα, δηλαδή άτομα με μονήρη ηλεκτρόνια, π.χ. NaCl. Οι ουσίες αυτές απωθούνται ελαφρά από τους μαγνήτες. 2. Παραμαγνητικά που διαθέτουν μαγνητικά άτομα (έχουν μονήρη ηλεκτρόνια), π.χ. είναι το αέριο Ο2 και ο CuSO4. Ωστόσο, απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου δεν παρουσιάζουν μαγνήτιση, επειδή στο σύνολο τους τα άτομα δεν εμφανίζουν μαγνητική ροπή. Παρουσία όμως εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, τα μαγνητικά δίπολα προσανατολίζονται μερικώς, μα αποτέλεσμα οι ουσίες να έλκονται από τους μαγνήτες. 3. Σιδηρομαγνητικά. ιαθέτουν άτομα με ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Ωστόσο, διαφοροποιούνται από τα παραμαγνητικά επειδή εμφανίζουν έντονη μαγνήτιση, λόγω αυθόρμητου προσανατο-λισμού των μαγνητικών τους δίπολων (απουσία εξωτερικού πεδίου). Τη συμπεριφορά αυτή έχουν ο Fe, Co και Ni τα οποία έλκονται ισχυρά από τους μαγνήτες.

3

4 Σχηματική παράσταση μαγνητοζυγού για τη μέτρηση της μαγνητικής επιδεκτικότητας ουσιών. α. Χωρίς την επίδραση μαγνητικού πεδίου, β. Η διαμαγνητική ουσία απωθείται ελαφρώς από το μαγνήτη. γ. Η παραμαγνητική ουσία έλκεται από το μαγνήτη. Η μαγνητική επιδεκτικότητα αποτελεί μέτρο της μαγνητικής συμπεριφοράς των διαφόρων ουσιών και εκφράζεται ως το μέτρο της δύναμης που εξασκείται από το μαγνητικό πεδίο στη μονάδα μάζας της ουσίας.

5 ΚΑΝΟΝΕΣ SLATER Σύμφωνα με τη θεωρία Slater, που βασίζεται σε πειραματικά δεδομένα, η διεισδυτικότητα και κατ επέκταση η ενέργεια του τροχιακού καθορίζεται από το δραστικό πυρηνικό φορτίο Ζ*, που ορίζεται ως η διαφορά: Όπου, S σταθερά θωράκισης.

6

7 Η σταθερά S υπολογίζεται με βάση τους παρακάτω εμπειρικούς κανόνες: 1. Γράφονται οι ηλεκτρονιακές διαμορφώσεις των ατόμων σε ομάδες με την εξής σειρά: Ομάδα1: 1s Ομάδα 2: 2s και 2p Ομάδα 3: 3s και 3p Ομάδα 4: 3d Ομάδα 5: 4s και 4p Ομάδα 6: 4d Ομάδα 7: 4f Ομάδα 8: 5s και 5p κλπ.

8 2. Ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε ομάδα μεγαλύτερη από την ομάδα του ηλεκτρονίου που εξετάζουμε δεν συνεισφέρουν στη θωράκιση (S = 0). 3. Για τα ηλεκτρόνια που ανήκουν στα τροχιακά ns και np ισχύει: Κάθε ηλεκτρόνιο που ανήκει στην ίδια ομάδα με το εξεταζόμενο ηλεκτρόνιο συνεισφέρει στη θωράκιση κατά S = 0,35. Εξαιρείται το 1s ηλεκτρόνιο που συνεισφέρει S = 0,30

9 Τα ηλεκτρόνια των n-1 τροχιακών συνεισφέρουν το καθένα θωράκιση S = 0,85. Τα ηλεκτρόνια των n-2 τροχιακών (ή αυτάπου ανήκουν σε ακόμα χαμηλότερες στιβάδες) συνεισφέρουν το καθένα στη σταθερά θωράκισης κατά S =1, Για τα ηλεκτρόνια που ανήκουν στα τροχιακά nd ή nf ισχύει: Kάθε ηλεκτρόνιο που ανήκει στην ίδια ομάδα με το nd ή nf συνεισφέρει στη θωράκιση κατά S = 0,35. Κάθε ηλεκτρόνιο που βρίσκεται σε χαμηλότερη ομάδα από την nd ή nf συνεισφέρει στη θωράκιση κατά S = 1,00.

10 Παράδειγμα 1 Να υπολογιστεί το δραστικό πυρηνικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου σθένους του ατόμου του 8 Ο Λύση Η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του οξυγόνου είναι: 8 Ο: 1s 2 2s 2 2p 4 Η ομαδοποίηση σε τροχιακά σύμφωνα με τους κανόνες Slater είναι: (1s 2 ) (2s 2 2p 4 ) Για ένα από τα φορτίο είναι: ηλεκτρόνια σθένους το δραστικό πυρηνικό Ζ* =Ζ-S = 8-[(2 x 0,85)+(5 x 0,35)] = 4,55 ηλαδή, το ηλεκτρόνιο σθένους συγκρατείται λόγω του φαινομένου θωράκισης με το (4,55 /8) x % της δύναμης που ασκεί ο πυρήνας των 8 πρωτονίων.

11 Παράδειγμα 2 Να υπολογιστεί το δραστικό πυρηνικό φορτίο ενός ενός 4s ηλεκτρονίου του 28 Ni 3d και Λύση Η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του νικελίου είναι: 28 Ni:1s2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2 Η ομαδοποίηση σε τροχιακά σύμφωνα με τους κανόνες Slater είναι: (1s 2 ) (2s 2 2p 6 ) (3s 2 3p 6 ) (3d 8 ) (4s 2 ) Για ένα 3d ηλεκτρόνιο το δραστικό πυρηνικό φορτίο είναι: Ζ* = Ζ-S = 28-[(18 x 1,00)+(7 x 0,35)] = 7,55 Για ένα 4s ηλεκτρόνιο το δραστικό πυρηνικό φορτίο είναι: Ζ* =Ζ-S = 28-[(10 x 1,00)+(16 x 0,85)+(1x 0,35)] = 4,05

12 Παράδειγμα 3 Ποια από τις παρακάτω p 2 ηλεκτρονιακές δομήσεις αντιπροσωπεύει την ελάχιστη ενέργεια; Ποια ηλεκτρονιακή διαμόρφωση έχει τη μέγιστη ενέργεια; Ποια δόμηση είναι απαγορευτική; α. β. γ. δ. Λύση Ελάχιστη ενέργεια εκπροσωπεί η δόμηση (δ), όπου ηλεκτρόνια με παράλληλα spin καταλαμβάνουν διαφορετικά τροχιακά, σύμφωνα με τον κανόνα του Hund. Ενδιάμεση ενέργεια έχει η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση (γ), όπου ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλα spin καταλαμβάνουν διαφορετικά τροχιακά, παραβιάζοντας τον κανόνα του Hund. Μέγιστη ενέργεια παρουσιάζει η δομή (β), καθώς ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλα spin υποχρεώνονται να καταλάβουν το ίδιο τροχιακό, όπου έχουμε το μέγιστο των ηλεκτρονιακών απώσεων. Ηηλεκτρονιακήδόμηση(α) είναι απολύτως απαγορευτική, καθώς παραβιάζει την αρχή του Pauli.

13 Τα s ηλεκτρόνια εμφανίζουν μεγάλη διείσδυση ενώ θωρακίζονται ισχυρά, έλκονται ισχυρά από τον πυρήνα και άρα συγκρατούνται ισχυρά Τα p ηλεκτρόνια ακόμα και στην ίδια στάθμη έχουν πολύ μικρότερη διείσδυση (κομβικό επίπεδο) και τα d ακόμη λιγότερο Σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο σε μια στάθμη η σειρά ενεργειών είναι s<p<d<f

14 Τα στοιχεία της 3ης περιόδου συμπληρώνουν τα 3s, 3p τροχιακά τα οποία συμπληρώνονται μέχρι την δομή του Ar, [Ne]3s 2 3p 6 Στην συνέχεια, αντί να καταληφθούν τα 3d τροχιακά η 4η περίοδος αρχίζει από την συμπλήρωση των 4s (ελαφρώς χαμηλότερη ενέργεια από τα 3d). [Ar]4s 1 (K), [Ar]4s 2 (Ca) Στην συνέχεια συμπληρώνονται τα 3d Τα επόμενα 10 ηλεκτρόνια (Sc, Z=21 Z=30 Zn) στα 3d τροχιακά Μετά το Sc [Ar]3d 1 4s 2 Και το γειτονικό του Ti [Ar]3d 2 4s 2

15 Στα στοιχεία μεταπτώσεως τα ηλεκτρόνια προστίθενται στα d τροχιακά Εξαιρέσεις στις διαμορφώσεις d 5, d 10 ομή ψευδοευγενούς αερίου Με μεταφορά ενός 4s ηλεκτρονίου Cr: [Ar]3d 5 4s 1 Cu: [Ar]3d 10 4s 1 Τα στοιχεία των μετάλλων μεταπτώσεως διαφέρουν μόνο κατά τον αριθμό των d ηλεκτρονίων και άρα έχουν παρόμοιες ιδιότητες Σχηματίζουν ιόντα πολλαπλών οξειδωτικών καταστάσεων

16 Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τα 4pτροχιακά όταν γεμίσουν τα 3d. Ge: [Ar]3d 10 4s 2 4p 2 Ακολουθεί η συμπλήρωση των 5s και κατόπιν των 4d Η ενέργεια των 4d είναι μικρότερη των 5s μετά την συμπλήρωση των δύο 5s Ανάλογα και στην περίοδο 6 όπου όμως εμφανίζεται και η ομάδα των τροχιακών f Ce: [Xe]4f 1 5d 1 6s 2 Yb: [Xe]4f 14 6s 2 Ακολουθούν τα 5d. Αφού καταληφθούν τα 5d τα 6p : Tl: [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 6p 1

17 Η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση των ιόντων Για την πρόβλεψη της διαμόρφωσης των ιόντων: Αφαιρούμε τα εξωτερικά ηλεκτρόνια : np, ns, (n-1)d ή τα(n-2)f Για τα ανιόντα προστίθενται ηλεκτρόνιa στην εξωτερική στάθμη μέχρι να συμπληρωθεί δομή ευγενούς αερίου

18

19 Μνημονικός κανόνας

20 Ο Κανόνας της διαγωνίου Ο κανόνας της διαγωνίου είναι ένας μνημονικός κανόνας που βηθά την απομνημόνευση της σειράς πληρώσεως των τροχιακών από την χαμηλότερη προς την υψηλότερη ενέργεια Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τις ενεργειακές στάθμες ξεκινώντας απο τις χαμηλότερες πηγαίνοντας προς τις στάθμες με τη μεγαλύτερη ενέργεια

21 s s 2p s 3p 3d Κανόνας διαγωνίου s 4p 4d 4f Συνταγή: s 5p 5d 5f 5g? 1. Ενεργειακές στάθμες από πάνω προς τα κάτω. s 6p 6d 6f 6g? 6h? 2. Γράφουμε τα τροχιακά s, p, d, f με τη σειρά. Ίδιος αριθμός τροχιακών με την ενεργειακή στάθμη. 3. ιαγώνιες γραμμές από πάνω δεξιά προς τα κάτω αριστερά. 4. Βρείτε την σωστή σειρά, ακολουθώντας τα βέλη... Στο σημείο αυτό ξεπεράσαμε τον ΠΠ του σήμερα... s 7p 7d 7f 7g? 7h? 7i?

22 Μνημονικός κανόνας

23 Εξαιρέσεις από την αρχή Aufbau Θυμηθείτε ότι:τα d και f τροχιακά χρειάζονται ΜΕΓΑΛΗ ενέργεια Αν δεν είναι δυνατόν αυτές οι υποστιβάδες να συμπληρωθούν, η επόμενη καλύτερη επιλογή είναι να είναι ΗΜΙ-συμπληρωμένες (ένα e σε κάθε τροχιακό στην υποστάθμη) Υπάρχουν πολλές εξαιρέσεις αλλά οι συνηθέστερες είναι: d 4 and d 9 Για τους σκοπούς του μαθήματος θα υποθέσουμε πως ΟΛΑ τα άτομα (ή ιόντα) που καταλήγουν σε d 4 ή d 9 είναι εξαιρέσεις του κανόνα. Αυτό μπορεί να ισχύει, μπορεί και όχι. Εξαρτάται από το άτομο.

24 Εξαιρέσεις από την αρχή Aufbau Ηδιαμόρφωσηd 4 υπολείπεται κατά ένα ηλεκτρόνιο από του να είναι ΗΜΙ-συμπληρωμένη Για να γίνει σταθερότερη (μικρότερη ενέργεια), ένα από τα πλησιέστερα s ηλεκτρόνια θα μεταβεί στο d, και η διαμόρφωση θα γίνει d 5 αντι της d 4. Παράδειγμα: Το Cr, θα ήταν [Ar] 4s 2 3d 4, αλλά επειδή καταλήγει ακριβώς σε d 4 αποτελεί εξαίρεση του κανόνα. Άρα, η διαμόρφωσητουcr είναι: [Ar] 4s 1 3d 5. Τρόπος εργασίας: Βρείτε το πλησιέστερο s τροχιακό. «Κλέψτε» απο εκεί ένα ηλεκτρόνιο και προσθέστε το στο d.

25 Εξαιρέσεις από την αρχή Aufbau OK, αυτό βοηθάει τα d, αλλά τί γίνεται με το ταλαίπωρο s τροχιακό που χάνει ένα ηλεκτρόνιο; Θυμηθείτε:Ημισυμπληρωμένο είναι καλύτερα και όταν το s χάνει 1, τότε γίνεται και αυτό ημισυμπληρωμένο! Έτσι έχουμε ημισυμπληρωμένα τα s και τα d πράγμα που οδηγεί σε χαμηλότερη ενέργεια σε σύγκριση με την κατάσταση όπου το s είναι πλήρες και το d έχει ένα τροχιακό κενό εντελώς.

26 Εξαιρέσεις από την αρχή Aufbau d 9 είναι πλήρης διαμόρφωση παρά ένα Ακριβώς όπως και στην περίπτωση της d 4, ένα από τα πλησιέστερα s ηλεκτρόνια θα πάει στο d, που τώρα θα γίνει d 10 αντί της d 9. Παράδειγμα: Η διαμόρφωσητουau θα ήταν [Xe] 6s 2 4f 14 5d 9, αλλά αφού καταλήγει ακριβώς με d 9 αποτελεί εξαίρεση. Έτσι η διαμόρφωση για το, Au θα είναι [Xe] 6s 1 4f 14 5d 10. Τρόπος εργασίας: Όπως και πριν! Βρίσκουμε το πλησιέστερο s τροχιακό. Παίρνουμε απο εκεί ένα ηλεκτρόνιο και το προσθέτουμε στο d.

27 ΙΣΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ ΙΕΓΕΡΜΕΝΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ Ουσίες οι οποίες περιέχουν τον αυτό αριθμό ηλεκτρονίων ονομάζονται ισοηλεκτρονικές. Ισοηλεκτρονικά ιόντα (ή μόρια) είναι ιόντα (ή μόρια) τα οποία έχουν τον αυτό αριθμό ηλεκτρονίων σθένους. Ισοηλεκτρονικές ουσίες: P 3, S 2, Cl, Ar, K +, Ca 2+. Η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση στοιχείου σε διεγερμένη κατάσταση έχει (ένα τουλάχιστον) ηλεκτρόνιο σε κατάσταση υψηλής ενέργειας Π.χ. [Ar]4s 1 3d 9 4p 1 αποτελεί ηλεκτρονιακή διαμόρφωση διεγερμένης κατάστασης του Cu.

28 Οι ιδιότητες των στοιχείων εξαρτώνται από την ηλεκτρονιακή τους διαμόρφωση Ο Περιοδικός Πίνακας (Π.Π.) Σύστημα ταξινόμησης στο οποίο εντάσσονται στοιχεία με παρόμοια ηλεκτρονιακή διαμόρφωση (και επομένως με παρόμοια χημική συμπεριφορά)

29 Ο Περιοδικός Πίνακας των στοιχείων

30 ΠΕΡΙΟ ΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ «Πάντα είναι πάρα πολύ ενδιαφέρον να βλέπει κανείς να μπαίνει τάξη σε μια μάζα δεδομένων. Το περιοδικό σύστημα ήταν υπέρτατο παράδειγμα τέτοιας

31 Ηλογικήτης«περιοδικότητας» όπως αυτή εμφανίζεται στην κατασκευή του κελύφους ενός σαλιγκαριού.

32 Mendeleev το 1869: «όταν κατατάσσω τα στοιχεία κατά μέγεθος του ατομικού του βάρους, αρχίζοντας από το μικρότερο, παρατηρώ να εμφανίζεται ένα είδος περιοδικότητας στις ιδιότητές τους. Την αμοιβαία αυτή σχέση μεταξύ ιδιοτήτων των στοιχείων και ατομικών βαρών ονομάζω νόμο της περιοδικότητας των στοιχείων.».

33 Στο σύγχρονο περιοδικό σύστημα η κατάταξη των στοιχείων γίνεται σύμφωνα με τον περιοδικό νόμο του Mosley (1913): Οι ιδιότητες των στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατομικού αριθμού τους.

34 Dmitri Mendeleev: Ο πατέρας του ΠΠ ΤΙ ΕΚΑΝΕ Ο Μ Τοποθέτησε τα στοιχεία σε σειρές με αυξανόμενο ατομικό βάρος. Και σε στήλες ανάλογα με τις αντιδράσεις που έδιναν Προβλήματα Άφησε κενά (αναμονές...) για άγνωστα στοιχεία. (Αποδείχτηκε ότι είχε δίκηο!) Παραβίασε τη σειρά αυξανόμενου ατομικού αριθμού προκειμένου να διατηρήσει μαζί τα στοιχεία με παρόμοιες αντιδράσεις.

35 Ο Mendeleev στον πίνακά του άφησε κενά όταν οι ιδιότητες των στοιχείων πάνω και κάτω τους δεν ταίριαζαν. Προβλέφθηκε έτσιηύπαρξηάγνωστων στοιχείων με βάση τα κενά αυτά, από τον Mendeleev. Όταν ανακαλύφθηκαν τα άγνωστα αυτά στοιχεία αποδείχθηκε ότι ο Mendeleev είχε προβλέψει ορθά τις ιδιότητές τους και είχε προφητεύσει την ανακάλυψή τους.

36 ΟΠΠσήμερα... Ο Mendeleev δεν έπεσε έξω... Και σήμερα τα στοιχεία διατάσσονται σε σειρά αυξανόμενου ATOMIΚΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ!! Οι οριζότιες γραμμές ονομάζονται περίοδοι και αριθμούνται από 1-7. Οικατακόρυφεςστ λεςονομάζονται ομάδες και αριθμούνται 1-18.

37 Ομάδες:Η χρησιμότητα του ΠΠ!! Στοιχεία της ίδιας ομάδας έχουν τις ίδιες χημικές και φυσικές ιδιότητες!! (Ο Mendeleev το έκανε αυτό επίτηδες.) Γιατί;; Έχουν τον αυτό αριθμό ηλεκτρονίων σθένους. Σχηματίζουν ιόντα του αυτού φορτίου.

38 Οικογένειες και ΠΠ Οι στήλες ομαδοποιούνται σε οικογένειες. Οι οικογένειες αποτελούνται από μια στήληήαπόαριθμό στηλών μαζί. Οι οικογένειες έχουν ονόματα μάλλον παρά αριθμούς (όπως κάθε οικογένεια)

39 Υδρογόνο Το υδρογόνο ανήκει στη δική του οικογένεια. Είναι διατομικό και δραστικό. Ευθύνεται για την ανατίναξη του Hindenburg. Πολλά υποσχόμενο εναλλακτικό καύσιμο

40 Τα μέταλλα των αλκαλίων 1 η στήλη του ΠΠ (ομάδα 1) δεν περιλαμβάνεται το υδρογόνο. Πολύ δραστικά μέταλλα, πάντα ενωμένα με κάτι άλλο στη φύση). Πολύ μαλακάκόβονται με μαχαίρι

41 Μέταλλα αλκαλικών γαιών εύτερη στήλη στον ΠΠ (ομάδα 2) ραστικά μέταλλα, πάντα ενωμένα με αμέταλλα στη φύση. Αρκετά από τα μεταλλικά στοιχεία αυτά είναι θρεπτικά συστατικά (όπως Mg και Ca

42 Μέταλλα μετάπτωσης Στοιχεία στις ομάδες 3-12 Λιγότερο δραστικάσκληρά μέταλλα Μέταλλα για κοσμήματακατασκευές. Μεταλλουργία

43 Οικογένεια του Βορίου Στοιχεία ομάδας 13 Το αλουμίνιο ήταν κάποτε σπάνιο και ακριβό τώρα είναι μέταλλο μιας χρήσης

44 Οικογένεια του άνθρακα Στοιχεία ομάδας 14 Στοιχεία σημαντικά για την ζωή και για τους ΗΥ Οάνθρακαςβάση ξεχωριστού κλάδου της χημείας. Πυρίτιο και Γερμάνιο, σημαντικοί ημιαγωγοί.

45 Οικογένεια του αζώτου Στοιχεία της ομάδας 15 Το άζωτο αποτελεί τα ¾ της ατμόσφαιρας. Άζωτο και φωσφόρος μεγάλης σημασίας για τα έμβια και τη ζωή.

46 Οικογένεια του Οξυγόνου ή Στοιχεία ομάδας 16 Το οξυγόνο απαραιτητο για την αναπνοή. Πολλά πράγματα που βρωμούν περιέχουν θείο (κλούβια αυγά, σκόρδο, βρωμούσες....κτλ.) χαλκογενίδες

47 Στοιχεία ομάδας 17 Πολύ δραστικά, πτητικά, διατομικά, αμέταλλα Πάντα σε ενώσεις τους με άλλα στοιχεία στη φύση. Απολυμαντικά Ενίσχυση δοντιών. Αλογόνα

48 Τα ευγενή αέρια

49 Τα ευγενή αέρια Στοιχεία της ομάδας 18 ΠΟΛΥ αδρανή, μονοατομικά αέρια Χρήση σε φωτεινές επιγραφές neon Χρησιμοποιήθηκαν για την αποφυγή προβλημάτων σε αερόστατα. Συμπληρωμένη στιβάδα σθένους.

50 Οι σπάνιες γαίες Τα 30 στοιχεία των σπανίων γαιών περιλαμβάνουν τις σειρές των λανθανιδών και τις ακτινιδών Ένα από τα στοιχεία των λανθανιδών και όλα των ακτινιδών ονομάζονται υπερ-ουράνια όρος που φανερώνει ότι είναι τεχνητά στοιχεία