Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Χημείας ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΧΗΜ 021 Χειμερινό Εξάμηνο 2008 Κωνσταντίνος Ζεϊναλιπούρ Λευκωσία, Σεπτέμβριος 2008
AΤΟΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ Αύξηση ατομικής ακτίνας Αύξηση ατομικής ακτίνας Τα άτομα μέσα στα μόρια δεν συμπεριφέρονται σαν σκληρές σφαίρες. Ανάλογα με το είδος των ατόμων τα οποία βρίσκονται γύρω τους διαφοροποιείται και λίγο η ατομική τους ακτίνα γιατί μπορούν να σχηματίζουν ισχυρότερους (δεσμοί οι οποίοι φέρνουν τα άτομα πιο κοντά) ή και ασθενέστερους χημικούς δεσμούς. Η περιοδική τάση η οποία υπάρχει στον περιοδικό πίνακα χημικών στοιχείων είναι ότι από: πάνω προς κάτω: αύξηση του n αύξηση του μεγέθους του εξώτερου τροχιακού αύξηση της ατομικής ακτίνας δεξία προς αριστερά: μείωση του δραστικού πυρηνικού φορτίου αύξηση ακτίνας του εξώτερου τροχιακού Δραστικό πυρηνικό φορτίο το θετικό φορτίο που δρα από πλευράς του πυρήνα πάνω σε ένα ηλεκτρόνιο, μειωμένο όμως σε σχέση με το πραγματικό πυρηνικό φορτίο, λόγω της θωράκισης που δημιουργεί κάθε ηλεκτρόνιο το οποίο παρεμβάλλεται ανάμεσα στον πυρήνα και το θεωρούμενο ηλεκτρόνιο. Η ηλεκτρική θωράκιση προέρχεται κυρίως από ηλεκτρόνια τα οποία ανήκουν σε στοιβάδες με n μικρότερο της εξώτερου στοιβάδας. Κατά μήκος μιας περιόδου το δραστικό πυρηνικό φορτίο είναι περίπου το ίδιο όμως το θετικό φορτίο του πυρήνα αυξάνει Τα ηλεκτρόνια της εξώτερου στοιβάδας έλκονται πιο πολύ μείωση της ατομικής ακτίνας του ατόμου.
ΑΤΟΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ Άτομα της ίδιας ομάδας Ατομικός ακτίνα (pm) Ατομικός αριθμός (Ζ)
AΤΟΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΑ ΑΝΙΟΝΤΩΝ-ΚΑΤΙΟΝΤΩΝ Τα Κατιόντα έχουν μικρότερη ατομική ακτίνα από τα αντίστοιχα ουδέτερα άτομα Τα Ανιόντα έχουν μεγαλύτερη ατομική ακτίνα από τα αντίστοιχα ουδέτερα άτομα Όσο μεγαλώνει η ατομική ακτίνα του ουδέτερου ατόμου τόσο μικραίνει και η διαφορά μεταξύ ατομικής ακτίνας του ουδέτερου και του φορτισμένου ατόμου.
(δ) Ca > Ca 2+ > N > O Τα κατιόντα έχουν πάντοτε μικρότερη ατομική ακτίνα από τα αντίστοιχα ουδέτερα άτομα. Εισαγωγή στη Χημεία για Βιολόγους και Φυσικούς ΑΣΚΗΣΗ Αύξηση ατομικής ακτίνας Αύξηση ατομικής ακτίνας Τοποθετήστε τα άτομα, ανιόντα και κατιόντα κατά σειρά μείωσης της ατομικής τους ακτίνας (α) Ca, Mg, Sr (β) K, Ga, Ca (γ) Br -, Br, F, Cl (δ) N, O, Ca, Ca 2+ Λύση: (α) Sr > Ca > Mg H ατομική ακτίνα μειώνεται από κάτω προς τα πάνω κατά μήκος μιας ομάδας (β) Κ > Ca > Ga H ατομική ακτίνα μειώνεται από αριστερά προς δεξιά κατά μήκος μιας περιόδου (γ) Br - > Br > Cl > F Τα ανιόντα έχουν πάντοτε μεγαλύτερη ατομική ακτίνα από τα αντίστοιχα ουδέτερα άτομα.
ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ Αύξηση ενέργειας ιοντισμού Αύξηση ενέργειας ιοντισμού Η πρώτη ενέργεια ιοντισμού ενός ατόμου είναι η ελάχιστη ενέργεια η οποία απαιτείται για να αφαιρέσουμε ένα ηλεκτρόνιο από την εξωτερική στιβάδα ενός ατόμου το οποίο βρίσκεται στην θεμελιώδη του κατάσταση και στην αέρια φάση. Θεμελιώδης κατάσταση σημαίνει ότι το άτομο είναι στην χαμηλότερη του ενεργειακή κατάσταση. Η χημική αδράνεια των ευγενών αερίων σε αντιδράσεις (π.χ. Οξειδοαναγωγικές) οφείλεται στην μεγάλη ενέργεια ιοντισμού τους. Τα ηλεκτρόνια κορμού (core electrons) έχουν ηλεκτρονικές δομές ευγενών αερίων μεγάλες ενέργειες ιοντισμού δεν συμμετέχουν σε χημικές αντιδράσεις μόνο τα ηλεκτρόνια σθένους (εξώτερου τροχιακού) συμμετέχουν. Άτομα με χαμηλή ενέργεια ιοντισμού τείνουν να σχηματίσουν κατιόντα ενώ άτομα με υψηλή ενέργεια ιοντισμού τείνουν να σχηματίσουν ανιόντα κατά την διάρκεια χημικών αντιδράσεων. πάνω προς κάτω: αύξηση του n αύξηση του μεγέθους του εξώτερου τροχιακού αύξηση της απόστασης πυρήναηλεκτρoνίου Μείωση ενέργειας ιοντισμού. δεξία προς αριστερά: μείωση του δραστικού πυρηνικού φορτίου αύξηση ακτίνας του εξώτερου τροχιακού μείωση της ηλεκτροστατικής έλξης (έλξη Coulomb) Μείωση ενέργειας ιοντισμού.
ΑΣΚΗΣΗ Αύξηση ενέργειας ιοντισμού Αύξηση ενέργειας ιοντισμού Τοποθετήστε τα άτομα κατά σειρά μείωσης της πρώτης ενέργειας ιοντισμού τους: (α) Κr, He, Ar (β) Sb, Te, Sn (γ) K, Ca, Rb (δ) I, Xe, Cs Λύση: (α) He > Ar > Kr H ενέργεια ιοντισμού μειώνεται από πάνω προς τα κάτω κατά μήκος μιας ομάδας (β) Τe > Sb > Sn H ενέργεια ιοντισμού μειώνεται από δεξιά προς αριστερά κατά μήκος μιας περιόδου (γ) Ca > K > Rb (δ) Xe> I > Cs
ΗΛΕΚΤΡΟΣΥΓΓΕΝΕΙΑ Αύξηση Hλεκτροσυγγένιας Ηλεκτοσυγγένεια (ή ηλεκτρική συγγένεια, Electron affinity) είναι η μεταβολή της ενέργειας η οποία λαμβάνει χώρα κατά την διαδικασία προσθήκης ενός ηλεκτρονίου σε ένα ουδέτερο άτομο το οποίο βρίσκεται στην θεμελιώδη του κατάσταση και στην αέρια φάση με συνέπεια την δημιουργία ενός ανιόντος. αριστερά προς δεξιά: τα άτομα θέλουν να αποκτήσουν ηλεκτρονική δομή ευγενούς αερίου πιο αρνητικές ηλεκτροσυγγένιες σχηματίζονται πιο σταθερά ανιόντα Εξαίρεση είναι οι ομάδες ΙΙΑ (αλκαλικές γαίες) και VIIA (ευγενή αέρια) οι οποίες έχουν συμπληρωμένες τις υποστοιβάδες και δεν θέλουν να πάρουν άλλα ηλεκτρόνια. Αυτέςοιομάδεςέχουνθετικές ηλεκτροσυγγένιες, δηλαδή απαιτούν ενέργεια για να δημιουργηθούν τα ανιόντα τα οποία δεν είναι πολύ σταθερά.
ΗΛΕΚΤΡΟΑΡΝΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Αύξηση ηλεκτροαρνητικότητας Αύξηση ηλεκτροαρνητικότητας Ηλεκτροαρνητικότητα είναι ένα εμπειρικό μέτρο της τάσης ενός στοιχείου να έλκει ηλεκτρόνια. Όταν μιλάμε για χημικούς δεσμούς, η ηλεκτροαρνητικότητα είναι το μέτρο της έλξης την οποία ασκεί ένα άτομο στα δεσμικά ηλεκτρόνια. Δεσμικά ηλεκτρόνια είναι τα ηλεκτρόνια το οποία λαμβάνουν μέρος στον χημικό δεσμό Ο Linus Pauling όρισε την ηλεκτροαρνητικότητα ως την διαφορά της ενέργειας διάσπασης ενός ετεροπυρηνικού δεσμού (D AB ) και του μέσου όρου των αντίστοιχων ομοπυρηνικών δεσμών (D AA, D BB ) Δ = D AB -(D AA D BB ) 1/2 Τα ευγενή αέρια εκτός από το Χe έχουν μηδενική ηλκετροαρνητικότητα, δηλαδή δεν είναι καθόλου ηλεκτροαρνητικά.
ΔΙΑΓΩΝΙΕΣ ΣΥΣΧΕΤΙΣΕΙΣ Οι διαγώνιες συσχετίσεις μας δείχνουν άτομα του περιοδικού πίνακα τα οποία βρίσκονται σε διαγώνιες θέσεις και έχουν παρόμοιες χημικές ιδιότητες. Οι συσχετίσεις αυτές ισχύουν καλύτερα για τα ζεύγη Li/Mg, Be/Al και Β/Si και μπορεί να μην ισχύουν για μεγάλο αριθμό άλλων στοιχείων, όμως για τις ασκήσεις που σας δίνονται μπορείτε να θεωρείτε ότι ισχύουν για όλα τα άτομα του περιοδικού πίνακα.
ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟΥ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 44-53, 56-57, 60, 62-64, 66-76, 78-84, 86, 88, 90-92, 95-97, 101-104, 107-117, 125 Το σετ ασκήσεων μαζί με τις λύσεις για το μάθημα μπορείτε να το «κατεβάσετε» από την ιστοσελίδα του μαθήματος: http://www.ucy.ac.cy/~zeinalip/courses/chem021/index.html
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΦΑΝΕΙΩΝ 1. Γενική Χημεία, Darell D. Ebbin and Steven D. Gammon, 6 η έκδοση, Μεταφρασμένο στα Ελληνικά από τον Καθηγητή Νικόλαο Κλούρα, Εκδόσεις Τραυλός, 1999. 2. Εφαρμοσμένη Ανόργανη Χημεία, Στυλιανός Λιοδάκης, Επιστημονικές εκδόσεις Παρισιανού Α.Ε., 2003. 3. Αρχές Χημείας, Νικόλαου Δ. Χατζηλιάδη, 1992, Μακεδονικές εκδόσεις, Εκδόσεις ΙΩΝ,1992. 4. Chemistry, The Molecular Nature of Matter and Change, Martin S. Silberberg, 3 rd edition, Mc Graw Hill, 2003. 5. General Chemistry, The Essential Concepts, Raymond Chang, Annotated Instructor s Edition, 4 th edition, Mc Graw Hill, 2006. 6. Introductory Chemistry, Steve Russo and Mike Silver, 3 rd edition, Pearson, 2007. 7. General, Organic and Biological Chemistry, Structures of Life, Karen C. Timberlake, Platinum edition, Pearson, 2004. 8. Chemistry, Matter and Its Changes, James E. Brady and Fred Senese, 4 th edition, Wiley, 2004. 9. The Practice of Chemistry, Donald J. Wink, Sharon Fetzer-Gislason, Sheila D. McNicholas, W.H. Freeman and Company, 2004. 10. Chemistry in your Life, Colin Baird, 2 nd edition, W.H. Freeman and Company, 2006. 11. Physical Chemistry for the Life Sciences, Peter Atkins and Julio de Paula, Oxford University Press and W.H. Freeman and Company, 2006. 12. General Chemistry, Linus Pauling, Dover Publications Inc., 1970.