Μάθημα 9ο. Τα πολυηλεκτρονιακά άτομα: Θωράκιση και Διείσδυση Το δραστικό φορτίο του πυρήνα Ο Περιοδικός Πίνακας και ο Νόμος της Περιοδικότητας

Transcript

1 Μάθημα 9ο Τα πολυηλεκτρονιακά άτομα: Θωράκιση και Διείσδυση Το δραστικό φορτίο του πυρήνα Ο Περιοδικός Πίνακας και ο Νόμος της Περιοδικότητας

2 Πολύ-ηλεκτρονιακά άτομα Θωράκιση- διείσδυση μεταβάλλει την ενέργεια των τροχιακών Δραστικό πυρηνικό φορτίο Z eff Το φορτίο το οποίο πραγματικά «αισθάνεται» ένα ηλεκτρόνιο στα πολύηλεκτρονικά άτομα.

3 Τα πολυηλεκτρονιακά άτομα Θωράκιση: Εξωτερικών από τα εσωτερικά και ηλεκτρονίων από τα γειτονικά τους λόγω απώσεων Διείσδυση: τα εσωτερικά ηλεκτρόνια απωθούνται από τα εξωτερικά προς τον πυρήνα Δραστικό φορτίο πυρήνα (z effective ) z Z effective = Z S (S: μέσος αριθμός ηλεκτρονίων μεταξύ του ηλεκτρονίου και του πυρήνα) έλξη άπωση έλξη Γενική και Ανόργανη Χημεία

4 Δραστικό Πυρηνικό Φορτίο Παράδειγμα: Να υπολογισθεί η ενέργεια που απαιτείται για τον ιοντισμό του εξώτατου 3s ηλεκτρονίου του 11 Na (1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 ) E n 2 Zeff eV n -Δραστικό πυρηνικό φορτίο, S σταθερά θωράκισης Z Z S eff E m Z e Z ion e eff 1 eff 3s h n eV Γενική και Ανόργανη Χημεία

5 Κανόνες του Slater για τον υπολογισμό της σταθεράς S: 1.Γράφουμε την τροποποιημένη ηλεκτρονιακή διαμόρφωση (1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)..., όπου όπως παρατηρείτε αγνοείται η ανωμαλία της διαφοράς ενέργειας μεταξύ των εξωτερικών υποσταθμών και ότι τα s και p ηλεκτρόνια στην ίδια στάθμη είναι ομαδοποιημένα στην ίδια ομάδα. 2)Υποθέτουμε ότι όλα τα ηλεκτρόνια μιας ομάδας στα δεξιά του υπό μελέτη ηλεκτρονίου δεν συνεισφέρουν στην θωράκιση. 3)Όλα τα άλλα ηλεκτρόνια στην ίδια ομάδα με αυτή του υπό μελέτη ηλεκτρονίου συνεισφέρουν στο S 0.35e. 27/10/2015 Γενική και Ανόργανη Χημεία

6 4) Αν το ηλεκτρόνιο που μας ενδιαφέρει είναι σε s ή p τροχιακό: όλα τα ηλεκτρόνια σε (n-1) συνεισφέρουν 0.85e στο S. Τα ηλεκτρόνια σε n (n-2) συνεισφέρουν 1e στο S. 5) Αν το ηλεκτρόνιο που μας ενδιαφέρει είναι nd ή nf τροχιακού: Κάθε ένα από τα άλλα nd ή nf συνεισφέρει κατά 0.35 ενώ όλα τα λοιπά ηλεκτρόνια στα αριστερά των nd ή nf συνεισφέρουν 1e στο S. Αθροίζουμε τα φορτία θωράκισης (βήματα 2-5) και το αφαιρούμε από το φορτίο του πυρήνα προκειμένου να βρούμε το δραστικό φορτίο του πυρήνα για το συγκεκριμένο ηλεκτρόνιο. Γενική και Ανόργανη Χημεία

7 Παράδειγμα: Υπολογίστε το Z eff στον λευκόχρυσο, Pt. για ένα ηλεκτρόνιο 6s (1s 2 )(2s 2,2p 6 )(3s 2,3p 6 ) (3d 10 ) (4s 2,4p 6 ) (4d 10 ) (4f 14 ) (5s 2,5p 6 ) (5d 8 ) (6s 2 ) S=( )e = 73.95e Z eff = ( )e = 4.15e για το ηλεκτρόνιο 6s. Γενική και Ανόργανη Χημεία

8 Παράδειγμα εφαρμογής κανόνα Slater Να επιβεβαιωθεί ότι η πειραματικά επιβεβαιωμένη ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του Κ: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 είναι ενεργειακά συμφορώτερη από την διαμόρφωση 1s 2 s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 K (Z=19) : Για τη διαμόρφωση 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 σύμφωνα με τους κανόνες Slater έχουμε: (1s 2 )(2s 2 2p 6 )(3s 2 3p 6 )4s 1 Ζ=19-(10x1+8x0.85)=2.20 Για τη διαμόρφωση: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 Ζ=19-(18x1)=1 Γενική και Ανόργανη Χημεία

9 Παραδείγματα δραστικού φορτίου ατόμων στοιχείων Γενική και Ανόργανη Χημεία

10 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 ενεργειας των αντίστοιχων τροχιακών είναι s<p<d<f Γενική και Ανόργανη Χημεία

11 Γενική και Ανόργανη Χημεία

12 Ο Περιοδικός Πίνακας (1) Οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των ατόμων των στοιχείων είναι περιοδικές συναρτήσεις των μαζών τους. (2) Οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των ατόμων των στοιχείων είναι περιοδικές συναρτήσεις του ατομικού αριθμού (αριθμός πρωτονίων στον πυρήνα= αριθμός ηλεκτρονίων στο ουδέτερο άτομο). (3) Ταξινόμηση των στοιχείων σε ομάδες (στήλες) που περιλαμβάνουν στοιχεία με παρόμοιες φυσικές και χημικές ιδιότητες. (4) Ταξινόμηση στοιχείων σε περιόδους (γραμμές) που περιλαμβάνουν στοιχεία των οποίων οι φυσικές και οι χημικές ιδιότητες μεταβάλλονται βαθμηδόν.

13 Γενική και Ανόργανη Χημεία

14 Σύμφωνα με τον Meyer ο περιοδικός νόμος βασίστηκε στον ατομικό όγκο (ατομική μάζα δια της πυκνότητας του στερεού). Περιελήφθησαν και άλλες ιδιότητες: σκληρότητα, συμπιεστότητα, ΣΖ: Για όλες βρήκε περιοδική συμπεριφορά

15 Ομάδες στοιχείων στον ΠΠ 8 Ομάδες (τα αντιπροσωπευτικά στοιχεία): I. Μέταλλα αλκαλίων: (H), Li, Na, K, Rb, Cs II. Μέταλλα Αλκαλικών γαιών: Be, Ca, Sr, Ba, Ra III. Οικογένεια Βορίου: B, Al, Ga, In, Tl IV. Οικογένεια άνθρακα : C, Si, Ge, Sn, Pb V. Οικογένεια αζώτου: N, P, As, Sb, Bi VI. Χαλκογενίδες O, S, Se, Te, Po VII. Αλογόνα F, Cl, Br, I, At VIII.Ευγενή αέρια: (He), Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

16 Ο Περιοδικός Πίνακας Τί είναι ο περιοδικός πίνακας; Τι είδους πληροφορίες μπορούμε να πάρουμε από τον ΠΠ; Είναι δυνατή η πρόβλεψη των ιδιοτήτων των ατόμων των στοιχείων από τον ΠΠ;

17 Mendeleev Ταξινόμησε 66 (60 γνωστά τότε) στοιχεία βάσει των ιδιοτήτων τους Προέβλεψε ιδιότητες στοιχείων τα οποία δεν είχαν ανακαλυφθεί Παρότι το μοντέλο του ήταν πολύ καλό, ο Mendeleev could δεν μπόρεσε να εξηγήσει εξαιρέσεις, π.χ. το ότι δεν κατετάσσοντο όλα τα στοιχεία βάσει της ατομικής τους μάζας 17

18 1913 Ο Henry Moseley εξήγησε τις εξαιρέσεις Ανακάλυψε τη σχέση μεταξύ αριθμού πρωτονίων (ατομικός αριθμός) και της συχνότητας των ακτίνων X οι οποίες εδημιουργούντο Σήμερα, τα στοιχεία κατατάσσονται κατά σειρά αυξανόμενου ατομικού αριθμού 18

19 Dmitri Mendeleev (1869) Το ο 1869 Mendeleev aκαι ο Lothar Meyer (Γερμανία) δημοσίευσαν παρόμοιους τρόπους ταξινόμησης των στοιχείων τα οποία ήσαν γνωστά, σχεδόν ταυτόχρονα. Ο ΠΠ βασιζόταν στην ομοιότητα των ιδιοτήτων και της δραστικότητας ορισμένων στοιχείων. Αργότερα, ο Henry Moseley ( Αγγλία, ) προχώρησε στην σύνταξη του ΠΠ με βάση τον μοναδικό και χαρακτηριστικό ατομικό αριθμό κάθε στοιχείου.

20 Ο Περιοδικός Πίνακας Χάρτης των δομικών συστατικών της ύλης 1 IA 18 VIIIA 1 1 H IIA Periodic Table 13 IIIA 14 IVA 15 VA 16 VIA 17 VIIA 2 He Li Be B C N O F Ne Na Mg IIIB 4 IVB 5 VB 6 VIB 7 VIIB 8 9 VIIIB IB 12 IIB 13 Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc [99] 44 Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po [210] 85 At [210] 86 Rn [222] 7 87 Fr [223] 88 Ra [226] 89 Ac [227] 104 Ku [260]

21 Αναλυτική εικόνα του ΠΠ Η σύγχρονη μορφή του ΠΠ, είναι μάλλον συμπυκνωμένη με τις οικογένεις των Λανθανιδών και των Ακτινιδών να καταχωρούνται ξεχωριστά στο κάτω μέρος του ΠΠ. Ο ΠΠ έχει διάταξη ανάλογα με τις υποστάθμες. Το s-block είναι η ομάδα IA και η IIA, το p-block είναι οι ομάδες IIIA - VIIIA. Το d-block περιλαμβάνει τα μετάπτωσης ενώ το f-block περιλαμβάνει τα μέταλλα των λανθανιδών και των ακτινιδών Κύριες ομάδες Ευγενή αέρια

22 Περιοδικός Πίνακας: Η διάταξη των μετάλλων Η διάταξη στον ΠΠ: Μέταλλα και Αμέταλλα 1 1 IA 2 IIA 13 IIIA 14 IVA 15 VA 16 VIA 17 VIIA 18 VIIIA IIIB 4 IVB 5 VB 6 VIB 7 VIIB 8 9 VIIIB IB 12 IIB 4 5 Μέταλλα Αμέταλλα 6 7

23 Διαβάζοντας τον ΠΠ: Ταξινόμηση Nonmetals, Metals, Αμέταλλα Metalloids, Noble gases Μέταλλα Μεταλλοειδή Ευγενή αέρια Μέταλλα, αμέταλλα και Μεταλλοειδή Λανθανίδες Ακτινίδες Στοιχεία σπανίων γαιών

24 Ο ΠΠ οριζοντίως Περίοδοι: Οριζόντιες γραμμές στον ΠΠ (σειρές 1-7) 1 1 IA Τα στοιχεία κάθε περιόδου έχουν τις αυτές στάθμες σθένους. 2 IIA 2 η περίοδος 13 IIIA 14 IVA 15 VA 16 VIA 17 VIIA 18 VIIIA IIIB 4 IVB 5 VB 6 VIB 7 VIIB 8 9 VIIIB IB 12 IIB η Περίοδος 6 7

25 Ο ΠΠ καθέτως Οικογένειες: Κατακόρυφη διάταξη στον ΠΠ (στήλες ή ομάδες, 1-18 ή 1-8 A,B) Τα αντίστοιχα στοιχεία, έχουν τον αυτό αριθμό ηλεκτρονίων στην εξώτατη στάθμη, τη στάθμη (στιβάδα) σθένους 1 1 IA 2 IIA Οικογένεια των αλκαλίων: 1 e- στη στιβάδα σθένους 13 IIIA 14 IVA 15 VA 16 VIA 17 VIIA 18 VIIIA IIIB 4 IVB 5 VB 6 VIB 7 VIIB 8 9 VIIIB IB 12 IIB 4 5 Οικογένεια αλογόνων: 7 e- στη στιβάδα σθένους 6 7

26 Οικογένειες στον ΠΠ 1 1 IA Αλάλια 2 IIA Αλκαλικές γαίες : Μέταλλα μετάπτωσης χαλκογενίδες 13 IIIA 14 IVA Αλογόνα Ευγενή αέρια 15 VA 16 VIA 17 VIIA 18 VIIIA IIIB 4 IVB 5 VB 6 VIB 7 VIIB 8 9 VIIIB IB 12 IIB

27 Περιοδικός Πίνακας και Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση 27

28 ΠΠ: Συμπεριφορά ηλεκτρονίων Στον ΠΠ απεικονίζεται η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων 1 1 IA 2 IIA Δυτικά Μέταλλα Αλκάλια Αλκαλικές γαίες Μέτ. Μετάπτωσης Τα στοιχεία αυτά έχουν την τάση να δίνουν ηλεκτρόνιασχηματίζουν κατιόντα Κεντρικά Μεταλλοειδή Τα στοιχεία αυτά και δίνουν ηλεκτρόνια και δέχονται ηλεκτρόνια Ανατολικά Αμέταλλα Ευγενή αέρια Αλογόνα Χαλκογενίδες Τα στοιχεία έχουν τάση πρόσληψης ηλεκτρονίων, σχηματίζουν ανιόντα 13 IIIA 14 IVA 15 VA 16 VIA 17 VIIA 18 VIIIA IIIB 4 IVB 5 VB 6 VIB 7 VIIB 8 9 VIIIB IB 12 IIB

29 Είδος σχηματι ζόμενων ιόντων Κατιόντα Συνηθέστερα σθένη ιόντων 4+ Ανιόντα άντοτε! Απώλεια ηλεκτρονίων ποκίλλει Ασθενής έλξη ηλεκτρονίων σθένουςτάση σχηματισμού κατιόντων Ισχυρή έλξη ηλεκτρονίων σθένουςτάση σχηματισμού ανιόντων Ισχυρή έλξη ηλεκτρονίων σθένουςαλλά λόγω συμπλήρωσης δεν υπάρχει τάση σχηματισμού ιόντων 29

30 Περιοδικός Πίνακας: Οι τρείς κύριες κατηγορίες Κυρίων ομάδων, μεταβατικά, Σπανιες Γαίες Κύριες, Μέταλλα μεταπτώσεως (μεταβατικά), Λανθανίδες και Ακτινίδες (σπάνιες γαίες) Κύριες Μεταβατικά ή στοιχεία μεταπτώσεως Λανθανίδες Ακτινίδες Στοιχεία σπανίων γαιών

31 Γραφή των στοιχείων στις χημικές εξισώσεις Μέταλλα: Με τους εμπειρικούς τους τύπους (το ίδιο σύμβολο με το στοιχείο) Αμέταλλα: Με εμπειρικούς τύπους (C) ή ως πολυατομικά μόρια (H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2, και P 4 ). Το θείο συνήθως ως S αντί του S 8 31

32 Τα ευγενή αέρια όλα είναι μονοατομικά οπότε συμβολίζονται με τα ονόματά τους (Xe, He, κλπ.) Μεταλλοειδή: Με τους εμπειρικούς τους τύπους (B, Si, Ge, κ.λ.π.) 32

33 Το δραστικό πυρηνικό φορτίο Z (πυρηνικό φορτίο) = Αριθμός πρωτονίων στον πυρήνα ατόμου Z eff (δραστικό πυρηνικό φορτίο) = το μέγεθος του θετικού φορτίου το οποιο ενεργεί σε ένα ηλεκτρόνιο του φορτίου Z eff αυξάνεει από αριστερά προς τα δεξιά σε μια περίοδο του ΠΠ. Μεταβάλλεται λίγο σε μια στήλη από πάνω προς τα κάτω 33

34 Νόμος της περιοδικότητας Περιοδικότητα (ή νόμος της περιοδικότητας): Τα στοιχεία όταν διατάσσονται σύμφωνα με τον ατομικό τους αριθμό αποτελούν σύνολα των οποίων οι φυσικές και οι χημικές τους ιδιότητες μεταβάλλονται περιοδικά (μεταβολή με συγκεκριμένη κανονικότητα). Περιοδική μεταβολή: Της ατομικής ακτίνας (μέγεθος) Της ενέργειας ιοντισμού Της ηλεκτρονιακής συγγένειας Της ηλεκτραρνητικότητας

35 Εξήγηση της περιοδικότητας: δραστικό πυρηνικό φορτίο και θωράκιση Ηλεκτρόνια εσωτερικών στιβάδων(core) θωρακίζουν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια (σθένους) από το πυρηνικό φορτίο Η θωράκιση είναι περισσότερο αποτελεσματική για ηλεκτρόνια με μεγαλύτερη γωνιακή στροφορμή (μεγαλύτερη τιμή του l : 3d > 3p > 3s) Μειώνεται με την συμπλήρωση των στιβάδων Αυξημένη θωράκιση σημαίνει χαμηλότερο δραστικό πυρηνικό φορτίο

36 Z eff και γωνιακή στροφορμή Ηλεκτρόνια σε τροχιακά 2s περνούν περισσότερο χρόνο κοντά στον πυρήνα σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια των 2p Η ενέργεια του τροχιακού 2s είναι χαμηλότερη από την αντίστοιχη των 2p Η θωράκιση των ηλεκτρονίων σε 2s είναι μικρότερη από την αντίστοιχη των ευρισκόμενων σε 2p Σειρά θωράκισης: 3d>3p>3s

37 Tο μέγεθος των ατόμων των στοιχείων- ορισμοί Ατομική Ακτίνα: Απόσταση μεταξύ πυρήνα ενός ατόμου και της στιβάδας σθένους Μεταλλική ακτίνα: Η ημιαπόσταση μεταξύ των πυρήνων δύο όμοιων γειτονικών ατόμων σε ένα μέταλλο 37

38 ομοιοπολική ακτίνα: Ημι-απόσταση μεταξύ δύο ίδιων πυρήνων σε ένα μόριο 38

39 Tο μέγεθος των ατόμων