Κεφάλαιο 8.6. Περιοδικό Σύστημα και Περιοδικές Ιδιότητες των Στοιχείων

Κεφάλαιο 8.6 Περιοδικό Σύστημα και Περιοδικές Ιδιότητες των Στοιχείων

Ονομασία στοιχείων της 6d και 7p περιοχής του Περιοδικού Πίνακα 104 Rutherfordium, Rf 105 Dubnium, Db 106 Seaborgium, Sg 107 Bohrium, Bh 108 Hassium, Hs 109 Meitnerium, Mt 110 Darmstadtium, Ds 111 Roentgenium, Rg 112 Copernicium, Cn 113 Ununtrium, Uut* 114 Flerovium, Fl 115 Ununpentium, Uup* 116 Livermorium, Lv 117 Ununseptium, Uus* 118 Ununoctium, Uuo

ns 1 ns 2 Ground State Electron Configurations of the Elements ns 2 np 1 ns 2 np 2 ns 2 np 3 ns 2 np 4 ns 2 np 5 ns 2 np 6 d 1 d 5 d 10 4f 5f 8.2

Κορμός ευγενούς και ψευδογενούς αερίου και ηλεκτρόνια σθένους Στοιχεία της όμάδας VIIIA (π.χ. He, Ne, Ar, Kr) έχουν συμπληρωμένη την εξωτερική στιβάδα, είναι χημικά αδρανή και ονομάζονται ευγενή αέρια Στοιχεία της ομάδας IIA (αλκαλικές γαίες) έχουν κορμό ευγενούς αερίου συν δύο εξωτερικά ηλεκτρόνια με δομή ns π.χ. Be=1s 2 2s 2 =[He]2s 2, Mg=[Ne]3s 2 Στοιχεία της ομάδας IIIA έχουν κορμό ευγενούς αερίου μαζί με ηλεκτρόνια (n-1)d 10 αναφέρεται ως κορμός ψευδοευγενούς αερίου, π.χ. Ga=[Ar]3d 10 4s 2 4p 1 Ένα ηλεκτρόνιο ατόμου που βρίσκεται εκτός κορμού ευγενούς αερίου ή ψευδοευγενούς αερίου ονομάζεται ηλεκτρόνιο σθένους. Αυτά τα ηλεκτρόνια εμπλέκονται συνήθως σε χημικές αντιδράσεις. Οι ομοιότητες που παρουσιάζονται στις χημικές ιδιότητες των στοιχείων μιας ομάδας οφείλονται στις ομοιότητες που εμφανίζουν οι δομές των ηλεκτρονίων σθένους (δομές στιβάδων σθένους). Σθένος ενός στοιχείου είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που προσλαμβάνει ή αποδίδει το στοιχείο για τη συμπλήρωση του εξωτερικού του φλοιού Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 9

Ηλεκτρονιακή Δομή Ανιόντων και Κατιόντων Χαρακτηριστικών Στοιχείων Na [Ne]3s 1 Ca [Ar]4s 2 Al [Ne]3s 2 3p 1 Na + [Ne] Ca 2+ [Ar] Al 3+ [Ne] Τα άτομα χάνουν ηλεκτρόνια ώστε τα κατιόντα τους να έχουν ηλεκτρονιακή δομή εξώτατης στοιβάδας όμοια με ευγενούς αερίου. Τα άτομα παίρνουν ηλεκτρόνια ώστε τα ανιόντα τους να έχουν ηλεκτρονιακή δομή εξώτατης στοιβάδας όμοια με ευγενούς αερίου. H 1s 1 F 1s 2 2s 2 2p 5 O 1s 2 2s 2 2p 4 N 1s 2 2s 2 2p 3 H - 1s 2 or [He] F - 1s 2 2s 2 2p 6 or [Ne] O 2-1s 2 2s 2 2p 6 or [Ne] N 3-1s 2 2s 2 2p 6 or [Ne]

+1 +2 +3-3 -2-1 Κατιόντα και Ανιόντα των κυριοτέρων ομάδων στοιχείων

Ηλεκτρονιακή Δομή Κατιόντων των Μεταβατικών Στοιχείων Γενικά, για τον σχηματισμό κατιόντων τα μέταλλα των μεταβατικών στοιχείων χάνουν πρώτα τα ηλεκτρόνια ns 2 και κατόπιν τα (n-1)d ηλεκτρόνια μέχρι να αποκτήσουν το επιθυμητό φορτίο. Fe: [Ar]3d 6 4s 2 Fe 2+ : [Ar]3d 6 4s 0 or [Ar]3d 6 Fe 3+ : [Ar]3d 5 4s 0 or [Ar]3d 5 Cr: [Ar]3d 5 4s 1 Cr 3+ : [Ar]3d 3 4s 0 or [Ar]3d 3 Mn: [Ar]3d 5 4s 2 Mn 2+ : [Ar]3d 5 4s 0 or [Ar]3d 5 Cu: [Ar]3d 10 4s 1 Cu + : [Ar]3d 10 4s 0 or [Ar]3d 10 Cu 2+ : [Ar]3d 9 4s 0 or [Ar]3d 9

Στοιχεία μετάπτωσης ονομάζονται όλα τα χημικά στοιχεία που βρίσκονται μεταξύ των Ομάδων ΙΙ και ΙΙΙ και ανήκουν στον d τομέα του Περιοδικού Πίνακα. Πρόκειται για 24 μεταλλικά χημικά στοιχεία. Η ονομασία τους οφείλεται στο ότι τα άτομα των στοιχείων αυτών διαθέτουν ηλεκτρόνια σθένους σε περισσότερες από μία ενεργειακές στιβάδες (στάθμες). Παρότι ο όρος "μετάπτωση" στη Χημεία δεν έχει ιδιαίτερη σημασία, καθιερώθηκε η χρήση του μόνο και μόνο για τη διάκριση αυτής της ομάδας τα στοιχεία της οποίας παρουσιάζουν ιδιαίτερες ομοιότητες στις ηλεκτρονικές δομές των ατόμων τους. Στην πραγματικότητα τα στοιχεία μετάπτωσης καλύπτουν τις μεσαίες ομάδες, (Ib, IIIb, IVb, Vb, VIb, VIIb, και VIII), του ανεπτυγμένου περιοδικού συστήματος των χημικών στοιχείων. Τα στοιχεία των παραπάνω ομάδων διακρίνονται σε δύο επιμέρους βασικούς τύπους στην: "Ομάδα d", της οποίας τα άτομα των στοιχείων διαθέτουν ηλεκτρόνια σθένους (n-1) στη d ενεργειακή στάθμη, (n = κύριος κβαντικός αριθμός του ατόμου) και "Ομάδα f", της οποίας τα άτομα των στοιχείων διαθέτουν ηλεκτρόνια σθένους (n-2) στην f ενεργειακή στάθμη. Τα χημικά στοιχεία της ομάδας αυτής ταξινομήθηκαν σε τρεις χημικές ομάδες που λαμβάνουν ονομασία εκ του πρώτου στοιχείου εκάστης σειράς και που πρόκειται για τις λανθανίδες (από το Λανθάνιο), τις ακτινίδες ( από το ακτίνιο) καθώς και τα τεχνητά υπερουράνια στοιχεία που εξετάζονται χωριστά. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 13

Περιοδικές μεταβολές- περιοδικός νόμος Οι ηλεκτρονιακές δομές των ατόμων δείχνουν μια περιοδική μεταβολή όταν αυξάνεται ο ατομικός αριθμός (με το φορτίο του πυρήνα), με αποτέλεσμα τα χημικά στοιχεία να παρουσιάζουν περιοδικές μεταβολές στις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες. Περιοδικός νόμος: όταν τα στοιχεία κατατάσσονται κατ αύξοντα ατομικό αριθμό, οι φυσικές και χημικές τους ιδιότητες μεταβάλλονται περιοδικά Στη συνέχεια θα εξετασθούν μερικές φυσικές ιδιότητες των ατόμων: η ακτίνα, η ενέργεια ιοντισμού, η ηλεκτρονική συγγένεια Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 14

Συνάρτηση ακτινικής κατανομής ατομική ακτίνα Τα άτομα δεν έχουν αυστηρά καθορισμένο μέγεθος, γιατί η κατανομή των ηλεκτρονίων είναι στατιστική και δεν παύει απότομα. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται η κατανομή ηλεκτρονίων για το άτομο του αργού (Ar). Η συνάρτηση αυτή (ακτινικής κατανομής) παρουσιάζει κάποια μέγιστα, ένα για κάθε στιβάδα (φλοιό) του ατόμου και ελαττώνεται βαθμιαία (συνεχής πτώση) σε αμελητέες τιμές. Η ατομική ακτίνα ορίζεται ως το μέγιστο που εμφανίζει η συνάρτηση ακτινικής κατανομής για την εξωτερική στιβάδα του ατόμου Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 15

Ατομική ακτίνα (Άλλος ορισμός: το μισό της απόστασης δύο γειτονικών πυρήνων του στοιχείου, όταν αυτό βρίσκεται σε στοιχειακή κατάσταση / στα μη μεταλλικά στοιχεία) Οι γενικές τάσεις (με εξαιρέσεις) για τις ατομικές ακτίνες καθορίζονται από τους παράγοντες που καθορίζουν το μέγεθος του εξωτερικού τροχιακού: Ο κύριος κβαντικός αριθμός, n Το δραστικό (ή ενεργό) πυρηνικό φορτίο Z eff (όταν αυξάνεται τα ηλεκτρόνια έλκονται ισχυρότερα προς τα μέσα και το μέγεθος του τροχιακού μειώνεται)

Μεταβολή της Ατομικής Ακτίνας με τον Ατομικό Αριθμό

Περιοδικές τάσεις των ακτίνων των ατόμων Μέσα σε μια περίοδο (οριζόντια γραμμή) η ατομική ακτίνα τείνει να ελαττώνεται με αυξανόμενο ατομικό αριθμό (πυρηνικό φορτίο). Το μεγαλύτερο άτομο σε μια περίοδο είναι το άτομο της Ομάδας ΙΑ και το μικρότερο είναι το άτομο του ευγενούς αερίου Μέσα σε μία ομάδα (στήλη) η ατομική ακτίνα αυξάνεται όταν αυξάνεται ο αριθμός της περιόδου Η ατομική ακτίνα αυξάνεται πολύ κατά τη μετάβαση από άτομο ευγενούς αερίου στο επόμενο άτομο της Ομάδας ΙΑ. Αυτό δίνει την πριονωτή μορφή στην καμπύλη του προηγούμενου σχήματος Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 19

Ατομικές Ακτίνες των Στοιχείων (Οι ατομικές ακτίνες εκφράζονται σε pm)

Δραστικό ή ενεργό πυρηνικό φορτίο Το δραστικό πυρηνικό φορτίο (Z eff ) είναι το θετικό φορτίο που δρα από πλευράς πυρήνα επάνω σε ένα ηλεκτρόνιο, μειωμένο όμως σε σχέση με το πραγματικό πυρηνικό φορτίο, λόγω της θωράκισης (ή προάσπισης) που δημιουργεί κάθε ηλεκτρόνιο που παρεμβάλλεται ανάμεσα στον πυρήνα και το θεωρούμενο ηλεκτρόνιο Μπορεί να θεωρηθεί και ως το καθαρό θετικό φορτίο του πυρήνα που «αισθάνεται» να δρα επάνω του ένα ηλεκτρόνιο. Χονδρικά κάθε ηλεκτρόνιο κορμού μειώνει το πυρηνικό φορτίο κατά 1e Σε μια περίοδο στοιχείων ο κύριος κβαντικός αριθμός παραμένει σταθερός. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων κορμού είναι επίσης σταθερός. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 21

Σταθερά θωράκισης ή προάσπισης Z eff = Z - s 0 < s < Z (s = σταθερά θωράκισης ή προάσπισης) s αριθμός εσωτερικών ηλεκτρονίων Z eff Z αριθμός εσωτερικών ηλεκτρονίων // κανονικά είναι qζeff=z,q-sq Z Εσωτερικά e Z eff Ακτίνα (pm) 11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 11 10 1 186 12Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 12 10 2 160 13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 13 10 3 143 14Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 14 10 4 132

Δραστικό (ενεργό) Πυρηνικό Φορτίο (Z eff ) Αυξανόμενο Z eff Αυξανόμενο Z eff

Αυξανόμενη ακτίνα Ατομική Ακτίνα Αυξανόμενη ακτίνα

Δραστικό (ενεργό) Πυρηνικό Φορτίο Για μια συγκεκριμένη περίοδο ο κύριος κβαντικός αριθμός n παραμένει σταθερός. Όμως το δραστικό πυρηνικό φορτίο αυξάνεται, αφού αυξάνεται το πυρηνικό φορτίο και ο αριθμός των ηλεκτρονίων κορμού παραμένει σταθερός. Για μια συγκεκριμένη ομάδα το δραστικό πυρηνικό φορτίο παραμένει περίπου σταθερό, αλλά αυξάνεται ο n και άρα αυξάνεται η ακτίνα Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 25

Ατομικές Ακτίνες των Στοιχείων των Κυρίων Ομάδων

Ιοντικές Ακτίνες Τα κατιόντα έχουν πάντα μικρότερη ακτίνα από τα αντίστοιχα ουδέτερα άτομα από τα οποία προέρχονται. Τα ανιόντα έχουν πάντα μεγαλύτερη ακτίνα από τα αντίστοιχα ουδέτερα άτομα από τα οποία προέρχονται.

Σύγκριση ακτίνων Ατόμων - Ιόντων

Ενέργεια Ιονισμού Ιονισμός (ή ιοντισμός) είναι η απόσπαση ηλεκτρονίου από ένα άτομο. Ενέργεια Ιοντισμού είναι η ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να απομακρυνθεί ένα ηλεκτρόνιο από ένα ουδέτερο άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση και σε αέρια φάση Μ 0 + Ι Μ + +e - Μ: άτομο, Ι είναι η ενέργεια ιονισμού - I (520 kj/mol) + Οι τιμές της ενέργειας ιοντισμού δίνονται συνήθως για ένα mol ατόμων (6,022x10 23 άτομα)

Ενέργεια Ιονισμού Πρώτη Ενέργεια Ιονισμού είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του ηλεκτρονίου με τη μέγιστη ενέργεια (εξώτερο ηλεκτρόνιο) από ένα άτομο (για υλικό σε αέρια κατάσταση). Δεύτερη Ενέργεια Ιονισμού είναι η ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα ιόν (με φορτίο +1). Συνήθεις μονάδες μέτρησης είναι το ev (electron volt) και το kcal/mol ή το kj/mol Η Ενέργεια Ιονισμού είναι συνάρτηση του ατομικού αριθμού (και χαρακτηρίζεται από μια περιοδικότητα)(σχήμα). Σε μια περίοδο οι τιμές της ενέργειας ιοντισμού τείνουν να αυξάνονται με αυξανόμενο ατομικό αριθμό. Οι χαμηλότερες τιμές βρίσκονται στα στοιχεία ΙΑ (αλκαλιμέταλλα). Είναι χαρακτηριστικό των δραστικών μετάλλων (π.χ. αλκαλιμέταλλα) να χάνουν εύκολα ηλεκτρόνια. Οι υψηλότερες ενέργειες ιοντισμού απαντώνται στα ευγενή αέρια

Μεταβολή της 1 ης Ενέργειας Ιοντισμού με τον Ατομικό Αριθμό Συμπληρωμένη στοιβάδα n=1 Συμπληρωμένη στοιβάδα n=2 Συμπληρωμένη στοιβάδα n=3 Συμπληρωμένη στοιβάδα n=4 Συμπληρωμένη στοιβάδα n=5

Ενέργεια ιοντισμού είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του ηλεκτρονίου με την υψηλότερη ενέργεια (δηλαδή του εξώτερου ηλεκτρονίου) από το ουδέτερο άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση και σε αέρια φάση. I 1 + X (g) X + (g) + e - I 1 ενέργεια πρώτου ιοντισμού I 2 + X + (g) X 2 +(g) + e - I 2 ενέργεια δεύτερου ιοντισμού I 3 + X 2+ (g) X 3 +(g) + e - I 3 ενέργεια τρίτου ιοντισμού I 1 < I 2 < I 3

Ενέργεια ιοντισμού Παράγοντες που επηρεάζουν το μέγεθος της ενέργειας ιοντισμού: το φορτίο του πυρήνα η ατομική ακτίνα ηλεκτρονική προστασία το τροχιακό στο οποίο βρίσκεται το ηλεκτρόνιο ενέργεια e: s<p<d<f ενέργεια ιονισμού: f<d<p<s

Αυξανόμενη 1 η Ενέργεια Ιοντισμού Γενική τάση της 1 ης Ενέργειας Ιοντισμού Αυξανόμενη 1 η Ενέργεια Ιοντισμού

Ενέργεια Ιοντισμού Η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται κατά μήκος μιας περιόδου (σειράς) από αριστερά προς τα δεξιά. Αυτό οφείλεται ότι το φορτίο του πυρήνα (και ο ατομικός αριθμός) αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά κατά μήκος μιας περιόδου (χωρίς να αυξάνεται η προστασία των εσωτερικών ηλεκτρονίων). Η ενέργεια ιοντισμού των στοιχείων στον περιοδικό πίνακα ελαττώνεται από επάνω προς τα κάτω μέσα σε μια ομάδα (στήλη). Αυτό είναι αναμενόμενο διότι: α) Τα ηλεκτρόνια μεγαλύτερης ενέργειας βρίσκονται γενικά πιο κοντά στον πυρήνα απ ότι τα ηλεκτρόνια χαμηλότερης ενέργειας, (β) Τα ηλεκτρόνια των εσωτερικών στιβάδων προστατεύουν τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας από την επίδραση του πυρήνα (που είναι θετικά φορτισμένος). Οι ενέργειες ιοντισμού αναφέρονται σε ένα άτομο με όλη την ηλεκτρονική του διαμόρφωση (συνολικά). Το ίδιο ισχύει και όταν πρόκειται για ιόν (δηλαδή με ένα ηλεκτρόνιο λιγότερο). Είναι ενέργειες που δεν σχετίζονται με τροχιακά. Υπάρχουν όμως ενέργειες ιοντισμού που σχετίζονται με τροχιακά και ονομάζονται Δυναμικά Ιοντισμού Τροχιακών Σθένους Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 38

Μεταβολή της 1 ης Ενέργειας Ιοντισμού με τον Ατομικό Αριθμό Συμπληρωμένη στοιβάδα n=1 Συμπληρωμένη στοιβάδα n=2 Συμπληρωμένη στοιβάδα n=3 Συμπληρωμένη στοιβάδα n=4 Συμπληρωμένη στοιβάδα n=5

Διαδοχικές Ενέργειες Ιοντισμού των 10 πρώτων στοιχείων (kj/mol)

Ηλεκτροσυγγένεια Υπάρχει δυνατότητα σχηματισμού αρνητικών ιόντων με προσθήκη ηλεκτρονίων σε (ουδέτερα) άτομα Ηλεκτρονιοσυγγένεια (electron affinity -EA): Είναι η ενέργεια που εκλύεται κατά την πρόσληψη ενός ηλεκτρονίου (e - ) από μεμονωμένο άτομο, προς σχηματισμό αρνητικού ιόντος (σε αέρια φάση και θεμελιώδη κατάσταση) Ζ 0 + e - Z - + EA Cl([Ne]3s 2 3p 5 ) + e - Cl - ([Ne]3s 2 3p 6 ), ΔΕ=- 349 kj/mol (EA) Μεγάλη απόλυτη τιμή ΕΑ σημαίνει ότι ένα ουδέτερο άτομο έχει ισχυρή συγγένεια προς ένα ηλεκτρόνιο, δηλαδή προσλαμβάνει εύκολα ηλεκτρόνιο

Ηλεκτρονική Συγγένεια Όταν ένα ουδέτερο άτομο στην αέρια φάση προσλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει ένα σταθερό αρνητικό ιόν, εκλύεται ενέργεια. X (g) + e - X - (g) F (g) + e - F - (g) DH = -328 kj/mol O (g) + e - O - (g) DH = -141 kj/mol Ηλεκτρονική Συγγένεια (δεύτερος ορισμός) είναι η μεταβολή της ενέργειας που λαμβάνει χώρα κατά την προσθήκη ενός ηλεκτρονίου σε ένα ουδέτερο άτομο που βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση και σε αέρια φάση για να σχηματισθεί ένα αρνητικό ιόν.

Ηλεκτρονικές συγγένειες των στοιχείων των κύριων ομάδων (kj/mol) Εάν η ενέργεια που εκλύεται έχει μεγάλη αρνητική τιμή τότε το αρνητικό ιόν που θα σχηματισθεί θα είναι σταθερό ιόν. Μικρές αρνητικές τιμές δείχνουν ότι το σχηματιζόμενο ιόν είναι λιγότερο σταθερό.

Ηλεκτραρνητικότητα Μέτρο της ικανότητας ενός ατόμου που βρίσκεται σε μόριο να έλκει προς το μέρος του δεσμικά ηλεκτρόνια. Προτάθηκε από τον Linus Pauling Γενικά, η ηλεκτραρνητικότητα αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά κατά μήκος μιας περιόδου και από κάτω προς τα επάνω κατά μήκος μιας ομάδας του περιοδικού πίνακα. Η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ δυο στοιχείων καθορίζει το είδος του δεσμού που θα δημιουργήσουν όταν ενωθούν χημικά.

Μεταβολή της ηλεκτραρνητικότητας με τον ατομικό αριθμό

Περιοδικός Πίνακας Μέταλλα, Αμέταλλα και Μεταλλοειδή Μέταλλα Μικρή ενέργεια πρώτου ιοντισμού Μεγάλη ατομική ακτίνα Αναγωγική ικανότητα Μικρή ηλεκτραρνητικότητα Λίγα ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους Αμέταλλα Μεγάλη ενέργεια πρώτου ιοντισμού Μικρή ατομική ακτίνα Οξειδωτική ικανότητα Μεγάλη ηλεκτραρνητικότητα Πολλά ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους Μεταλλοειδή Ενδιάμεσες ιδιότητες