Κεφάλαιο 8. Ηλεκτρονικές Διατάξεις και Περιοδικό Σύστημα

Κεφάλαιο 8 Ηλεκτρονικές Διατάξεις και Περιοδικό Σύστημα

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Η ηλεκτρονική (ή ηλεκτρονιακή) δομή ενός ατόμου είναι η κατανομή των ηλεκτρονίων στους υποφλοιούς (ο υποφλοιός αποτελείται από τροχιακά που έχουν ίδιο n, ίδιο l, αλλά διαφορετικό m l ). Κάθε τροχιακό χωράει το μέγιστο δύο ηλεκτρόνια. (Υπενθυμίζεται ότι τροχιακό είναι η περιοχή του χώρου που περιγράφεται από την κυματική συνάρτηση Ψ) Βασικοί κανόνες για τη δόμηση των ηλεκτρονίων με πολλά άτομα είναι οι ακόλουθοι: 1. H απαγορευτική αρχή του Pauli 2. Η αρχή της ελάχιστης ενέργειας 3. Ο κανόνας του Hund

Στο σχήμα παρουσιάζονται 3 τροχιακά που ανήκουν στον υποφλοιό 2p, έχουν ίδιο n, ίδιο l, αλλά έχουν διαφορετικό προσανατολισμό στο χώρο και συνεπώς έχουν διαφορετικό αριθμό m l m l = -1 m l = 0 m l = 1

Τροχιακά d Τα τροχιακά παριστούν τους χώρους γύρω από έναν ατομικό πυρήνα στο εσωτερικό των οποίων υπάρχει πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο. Υπάρχει αβεβαιότητα ως προς την ακριβή θέση των ηλεκτρονίων (Δεν υπάρχει σαφήνεια) // σε αντίθεση με τις τιμές ενέργειας (n.l κλπ) των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα άτομο Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 4

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων H απαγορευτική αρχή του Pauli «Είναι αδύνατο να υπάρχουν στο ίδιο άτομο δύο e με την ίδια ενεργειακή κατάσταση (δηλαδή ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών)» Με αυτήν την αρχή γίνεται υπολογισμός του μέγιστου αριθμού ηλεκτρονίων σε κάθε τροχιακό, υποστοιβάδα και στοιβάδα. Ένα τροχιακό μπορεί να χωρέσει το πολύ δύο ηλεκτρόνια, τα οποία πρέπει να έχουν αντίθετο spin

Spin (στροφορμή ιδιοπεριστροφής) και μαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin (δύο καταστάσεις, «spin άνω» και «spin κάτω) // μέσα σε μαγνητικό πεδίο Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 8

Πειραματική απόδειξη του διαχωρισμού του spin και του αριθμού m s (μαγνητικού αριθμού του spin) // Πείραμα Stern Gerlach Μια δέσμη ατόμων Υδρογόνου κατευθύνεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο ενός ειδικά σχεδιασμένου μαγνήτη. Η δέσμη των ατόμων Η χωρίζεται στα δύο (μισά προς επάνω και μισά προς κάτω). Αυτό γίνεται γιατί το ηλεκτρόνιο σε κάθε άτομο συμπεριφέρεται ως μαγνήτης με δύο μόνο δυνατούς προσανατολισμούς Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 9

Μαγνητικές ιδιότητες ουσιών 1. Το spin των ηλεκτρονίων εκφράζει τη στροφορμή λόγω ιδιοπεριστροφής (περιστροφή γύρω από άξονα που διέρχεται από το κέντρο του) που καθίστα το ηλεκτρόνιο ένα μικροσκοπικό μαγνήτη (σημείωση: το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από κινούμενα ηλεκτρικά φορτία). 2. Το spin των ηλεκτρονίων είναι υπεύθυνο για τις μαγνητικές ιδιότητες των ατόμων και των μορίων. 3. Υπάρχουν τρείς τύποι μαγνητικής συμπεριφοράς: ο διαμαγνητισμός, ο παραμαγνητισμός και ο σιδηρομαγνητισμός. 4. Οι διαμαγνητικές ουσίες απωθούνται ασθενώς από το μαγνητικό πεδίο, οι παραμαγνητικές και ακόμα περισσότερο οι σιδηρομαγνητικές έλκονται 5. Ένα χαρακτηριστικό μέγεθος των ηλεκτρονίων είναι η μαγνητική ροπή που εκφράζει τον προσανατολισμό των τροχιακών σε σχέση με ένα μαγνητικό πεδίο. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 10

1. Διαμαγνητικά είναι τα υλικά που περιέχουν χημικά στοιχεία, που τα ηλεκτρόνια τους έχουν αντίθετα spin. Απωθούνται ελαφρά από μαγνητικό πεδίο. Διαμαγνητικά σώματα είναι ο ασβεστίτης, το ορυκτό άλας ή αλίτης NaCl, o χαλαζίας SiO 2, o αλβίτης NaAlSi 3 O 8, η γύψος CaSO 4 2H 2 O, ο απατίτης Ca 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl,OH), τα μέταλλα Au, Ag, Bi καθώς επίσης τα ορυκτά που οι κρύσταλλοί τους σχηματίζονται με δυνάμεις ομοιοπολικού δεσμού ή έχουν ιόντα με διαμόρφωση ίδια με εκείνη που έχουν τα ευγενή αέρια. 2. Παραμαγνητικά είναι τα υλικά που περιέχουν ιόντα με παράλληλα spin. Έλκονται ελαφρά από μαγνητικό πεδίο. Ως παραδείγματα παραμαγνητικών ορυκτών αναφέρονται ο αυγίτης (πυρόξενος) (Ca,Na)(Mg,Fe,Al)(Al,Si) 2 O 6, ο ολιβίνης (Fe,Mg) 2 SiO 4, ο βιοτίτης K(Mg,Fe) 3 (OH) 2 AlSi 3 O 10. 3. Τα περισσότερα μαγνητικά υλικά που κυκλοφορούν στο εμπόριο είναι παραμαγνητικά τα οποία έχουν υποβληθεί σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Τμήμα των μαγνητικών διπόλων ευθυγραμμίζεται με το μαγνητικό πεδίο και έτσι καθίστανται μαγνητικά. Μετά, όμως, την απομάκρυνση του μαγνητικού πεδίου χάνουν τον μαγνητισμό τους. 4. Σιδηρομαγνητικά: Σε αντίθεση με τα παραμαγνητικά, τα σιδηρομαγνητικά υλικά μαγνητίζονται έντονα όταν βρεθούν σε μαγνητικό πεδίο αλλά διατηρούν το μαγνητισμό τους και μετά την απομάκρυνσή του πεδίου 5. http://www.geo.auth.gr/106/theory/magnetism.htm. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 11

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Η αρχή της ελάχιστης ενέργειας «Κατά την ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ενός πολυηλεκτρονιακού ατόμου, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τροχιακά με τη μικρότερη ενέργεια, ώστε να αποκτήσουν τη μέγιστη σταθερότητα στη θεμελιώδη κατάσταση» Κανόνας 1 ος Ανάμεσα σε δύο υποστοιβάδες, τη χαμηλότερη ενέργεια έχει εκείνη η οποία έχει το μικρότερο άθροισμα των δύο πρώτων κβαντικών αριθμών n+l. Κανόνας 2 ος Ανάμεσα σε δύο υποστοιβάδες, με ίδιο άθροισμα, τη χαμηλότερη ενέργεια έχει εκείνη η οποία έχει το μικρότερο n. Να συγκριθούν οι ενέργειες των υποστοιβάδων: α) 3d και 4s γ) 5s και 4f β) 3d και 4p δ) 6d και 5f

Υπενθύμιση μεταβολής κβαντικών αριθμών. Υπενθυμίζεται ότι ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων ενός ατόμου μπορεί να είναι έως διπλάσιος από τον αριθμό των τροχιακών. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 14

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Ενέργειες υποστοιβάδων σύμφωνα με τον κανόνα (n + l)

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων

Ηλεκτρονική δομή ατόμου και διάγραμμα τροχιακών Ηλεκτρονική δομή ενός ατόμου είναι η κατανομή των ηλεκτρονίων στους διαθέσιμους υποφλοιούς (υποστιβάδες). Κάθε υποφλοιός αποτελείται από ένα ή περισσότερα τροχιακά, που έχουν ίδιους κβαντικούς αριθμούς n και l, αλλά διαφορετικούς αριθμούς m l. Επομένως ο αριθμός των τροχιακών είναι 2l+1. Σε κάθε τροχιακό χωράνε δύο ηλεκτρόνια (με διαφορετικό αριθμό m s =+1/2 ή - 1/2). (αρχή Pauli). Επομένως ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε έναν υποφλοιό μπορεί να είναι 2(2l+1). Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 17

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Ο κανόνας του Hund «Όταν τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τροχιακά της ίδιας ενέργειας (ίδια υποστοιβάδα), έχουν κατά προτίμηση παράλληλα spin, ώστε τα ηλεκτρόνια να αποκτήσουν το μεγαλύτερο άθροισμα του κβαντικού αριθμού του spin, m s» π.χ N 1s 2 2s 2 2p 3 7 1s 2s 2p x 2p y 2p z

Κανόνας του Hund 1. Ηλεκτρόνια της ίδιας υποστιβάδας έχουν χαμηλότερη ενέργεια όταν βρίσκονται σε διαφορετικά τροχιακά (διαφορετικό ml) με παράλληλα spin παρά στο ίδιο τροχιακό με αντιπαράλληλα spin. 2. Σε κάθε φάση δομήσεως της υποστιβάδας πρέπει για το σύνολο των τοποθετημένων ηλεκτρονίων να ισχύει: Σm s = max. 1. Αυτό επιτυγχάνεται με τοποθέτηση των ηλεκτρονίων αρχικά στα διαφορετικά τροχιακά της ίδιας υποστιβάδας με παράλληλη ιδιοπεριστροφή και μετά την ημισυμπλήρωσή τους τοποθέτηση των επιπλέον ηλεκτρονίων με αντιπαράλληλη ιδιοπεριστροφή. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 20

Κανόνας Hund: η χαμηλότερη ενεργειακή διάταξη ενός υποφλοιού είναι εκείνη με τον μεγαλύτερο αριθμό παράλληλων spin Από τις τρείς διατάξεις του παρακάτω διαγράμματος τροχιακών η χαμηλότερη ενέργεια αντιστοιχεί στο πρώτο Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 21

Ενεργειακές στάθμες ατόμου με πολλά ηλεκτρόνια Παρουσιάζονται οι στιβάδες n, οι υποστιβάδες l και ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε κάθε υποστιβάδα Όταν ένα ηλεκτρόνιο μεταβαίνει από μια ανώτερη ενέργεια σε μια κατώτερη εκπέμπεται ένα φωτόνιο. Όταν ένα ηλεκτρόνιο μεταβαίνει από μια κατώτερη ενέργεια σε μια ανώτερη απορροφάται ένα φωτόνιο Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 23

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Εφαρμογή του κανόνα του Hund

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Εδώ ολοκληρώνεται η δεύτερη περίοδος του Περιοδικού Πίνακα. Με τον ίδιο ακριβώς τρόπο συμπληρώνεται και η επόμενη τρίτη περίοδος μέχρι το επόμενο ευγενές αέριο, 18 Ar [Ne]3s 2 3p 6

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων 3d 4s 4p m l = +2 +1 0-1 -2 0 +1 0-1 K [Ar] 4s 1 Συμπλήρωση της τέταρτης περιόδου του Περιοδικού Πίνακα μέχρι το επόμενο ευγενές αέριο, 36 Kr [Ar]3d 10 4s 2 4p 6 Ca [Ar] 4s 2 Sc [Ar] 3d 1 4s 2 Ti [Ar] 3d 2 4s 2 V [Ar] 3d 3 4s 2 Cr [Ar] 3d 5 4s 1 Mn [Ar] 3d 5 4s 2 Fe [Ar] 3d 6 4s 2 Co [Ar] 3d 7 4s 2 Ni [Ar] 3d 8 4s 2 Cu [Ar] 3d 10 4s 1 Zn [Ar] 3d 10 4s 2 Ga [Ar] 3d 10 4s 2 4p 1 Ge [Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 As [Ar] 3d 10 4s 2 4p 3 Se [Ar] 3d 10 4s 2 4p 4 Br [Ar] 3d 10 4s 2 4p 5 Kr [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6

Περιοδικός Πίνακας Mendeleyev 1869 & Moseley 1913 Ο Dimitri Mendeleyev ανέπτυξε γύρω στο 1870 τον Περιοδικό Πίνακα, στον οποίον τα στοιχεία τοποθετήθηκαν σύμφωνα με το ατομικό τους βάρος και αριθμήθηκαν συνεχόμενα. Η κατάταξη όμως αυτή των στοιχείων εμπεριείχε σειρά από ανωμαλίες. Καθοριστική λύση προέκυψε από τον H.G. Moseley ο οποίος κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι ιδιότητες των στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατομικού αριθμού τους. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 30

Ο Περιοδικός Πίνακας (Π.Π.) περιλαμβάνει την κατάταξη όλων των στοιχείων κατά αυξανόμενο ατομικό αριθμό Ζ με αποτέλεσμα οι φυσικές και χημικές τους ιδιότητες να μεταβάλλονται με περιοδικό τρόπο. Κάθε στοιχείο περιέχει ένα ηλεκτρόνιο περισσότερο από το ακριβώς προηγούμενό του στοιχείο. Τα στοιχεία στον Περιοδικό Πίνακα διατάσσονται σε οριζόντιες σειρές (τις περιόδους), κατακόρυφες στήλες (τις ομάδες) και μεγαλύτερα τμήματα (τους τομείς). Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 31

Περίοδοι Περιοδικού Πίνακα Περίοδος Π.Π. ορίζεται κάθε σειρά αυτού η οποία περιλαμβάνει στοιχεία των οποίων τα άτομα έχουν ίδια εξωτερική στιβάδα. Δεδομένου ότι συνολικώς υπάρχουν 7 ηλεκτρονικές στιβάδες υπάρχουν και 7 περίοδοι που συμβολίζονται με αραβικούς αριθμούς από το 1 έως το 7. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 33

Ομάδες Περιοδικού Πίνακα Ομάδα Π.Π. ορίζεται κάθε στήλη αυτού η οποία περιλαμβάνει στοιχεία των οποίων τα άτομα έχουν ίδιο πλήθος εξωτερικών ηλεκτρονίων. Οι ομάδες διακρίνονται σε οκτώ κύριες Α (ΙΑ έως VIIIA) και δέκα δευτερεύουσες Β οι οποίες περιλαμβάνουν τα στοιχεία μεταπτώσεως ή μεταβατικά στοιχεία (ΙΒ έως VIIIΒ). Συνολικά οι ομάδες σύμφωνα με την σειρά που αναγράφονται αριθμούνται και με αραβικούς αριθμούς από το 1 έως το 18. Στον πίνακα υπάρχουν ως παράρτημα δύο σειρές στοιχείων η σειρά των λανθανίδων και η σειρά των ακτινίδων, οι οποίες περιλαμβάνουν τα εσωτερικά μεταβατικά μέταλλα. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 34

αλκάλια Αλκαλικές γαίες αλογόνα Κύριες ομάδες Ευγενή αέρια Στοιχεία μεταπτώσεως Κύριες ομάδες Λανθανίδες και ακτινίδες

Τομείς Περιοδικού Πίνακα Τομέας Π.Π. περιλαμβάνει στοιχεία των οποίων τα άτομα διαθέτουν τα e υψηλότερης ενέργειας, σύμφωνα με την Α.Ε.Ε., σε υποστιβάδα s, p, d ή f με 2, 6, 10 και 14 στήλες, όσος είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που χωρούν αντίστοιχα οι υποστιβάδες s, p, d και f.

Τομέας s 1. Περιλαμβάνει στοιχεία των οποίων τα άτομα διαθέτουν τα ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας (σύμφωνα με την Α.Ε.Ε.) στην υποστιβάδα s της εξωτερικής τους στιβάδας. 2. Δεδομένου ότι η υποστιβάδα s συμπληρώνεται με δύο ηλεκτρόνια, ο s τομέας περιέχει δύο ομάδες στοιχείων με 1 και 2 ηλεκτρόνια σθένους αντιστοίχως, την ΙΑ και την ΙΙΑ. 3. Ομάδα ΙΑ ή 1η ή ομάδα αλκαλίων με σύμβολο ns 1 4. Ομάδα ΙIΑ ή 2η ή ομάδα αλκαλικών γαιών με σύμβολο ns 2

Τομέας p 1. Περιλαμβάνει στοιχεία με άτομα που διαθέτουν τα ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας στην υποστιβάδα p της εξωτερικής τους στιβάδας. 2. Η υποστιβάδα p συμπληρώνεται με έξι ηλεκτρόνια, οπότε ο p τομέας περιέχει έξι ομάδες στοιχείων με 3 έως 8 ηλεκτρόνια σθένους αντιστοίχως (ΙΙΙΑ έως VIΙΙΑ). 3. Ομάδα ΙIIΑ ή 13η ή ομάδα βορίου (ns 2 np 1 ) 4. Ομάδα IVΑ ή 14η ή ομάδα άνθρακα (ns 2 np 2 ) 5. Ομάδα VΑ ή 15η ή ομάδα αζώτου (ns 2 np 3 ) 6. Ομάδα VΙΑ ή 16η ή ομάδα οξυγόνου (ns 2 np 4 ) 7. Ομάδα VΙΙΑ ή 17η ή ομάδα αλογόνων (ns 2 np 5 ) 8. Ομάδα VΙΙΙΑ ή 18η ή μηδενική ή ομάδα ευγενών αερίων (ns 2 np 6 )

Επισημάνσεις 1. Το άτομο του υδρογόνου (Η) με ηλεκτρονική δομή 1s 1 ανήκει μεν στον s τομέα αλλά δεν αποτελεί στοιχείο της ΙΑ ομάδας, εφ όσον είναι αμέταλλο. 2. Το άτομο του ηλίου (Ηe) με ηλεκτρονική δομή 1s 2 ανήκει μεν στον s τομέα αλλά εφ όσον είναι ευγενές αέριο αποτελεί το πρώτο στοιχείο της ομάδας VΙΙΙΑ, η οποία κατ εξαίρεση από τις υπόλοιπες ομάδες του p τομέα, περιλαμβάνοντας και το ήλιο, εκτείνεται από την 1η έως και την 7η περίοδο.

Τομέας d 1. Περιλαμβάνει στοιχεία των οποίων τα άτομα διαθέτουν τα ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας σύμφωνα με την Α.Ε.Ε. στην υποστιβάδα d της προτελευταίας στιβάδας τους. 1. Δεδομένου ότι η υποστιβάδα d συμπληρώνεται με δέκα ηλεκτρόνια, ο d τομέας περιέχει δέκα ομάδες στοιχείων, την ΙΒ έως και την VIΙΙΒ (τριπλή).

Τομέας d 1. Ομάδα ΙIIΒ ή 3η με σύμβολο (n-1)d 1 ns 2 2. Ομάδα IVΒ ή 4η με σύμβολο (n-1)d 2 ns 2 3. Ομάδα VΒ ή 5η με σύμβολο (n-1)d 3 ns 2 4. Ομάδα VIΒ ή 6η με σύμβολο (n-1)d 5 ns 1 5. Ομάδα VIIΒ ή 7η με σύμβολο (n-1)d 5 ns 2 6. Ομάδα VIIIΒ (τριπλή) 8η με σύμβολο (n-1)d 6 ns 2 9η με σύμβολο (n-1)d 7 ns 2 10η με σύμβολο (n-1)d 8 ns 2 1. Ομάδα IΒ ή 11η με σύμβολο (n-1)d 10 ns 1 2. Ομάδα IIΒ ή 12η με σύμβολο (n-1)d 10 ns 2 Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 48

Τομέας d 1. Κατά την δόμηση της υποστιβάδας d συμβαίνουν δύο ανωμαλίες όπου δεν τηρείται η Α.Ε.Ε. 2. Η d υποστιβάδα παρουσιάζει ιδιαίτερη σταθερότητα όταν ημισυμπληρώνεται με 5e- και μέγιστη σταθερότητα όταν συμπληρώνεται με 10e-. 3. Έτσι οι δομές (n-1)d 5 ns 1 και (n-1)d 10 ns 1 είναι σταθερότερες των (n-1)d 4 ns 2 και (n-1)d 9 ns 2, όπου η d υποστιβάδα τείνει να ημισυμπληρωθεί και να συμπληρωθεί αντιστοίχως. 4. Τα στοιχεία του d τομέα χαρακτηρίζονται ως μεταβατικά μέταλλα ή στοιχεία μεταπτώσεως. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 51

Τομέας f 1. Περιλαμβάνει στοιχεία των οποίων τα άτομα διαθέτουν τα ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας στην υποστιβάδα f της προ-προτελευταίας στιβάδας τους. 2. Δεδομένου ότι η υποστιβάδα f συμπληρώνεται με δεκατέσσερα ηλεκτρόνια, ο f τομέας περιέχει δεκατέσσερις ομάδες στοιχείων. 3. Ο τομέας f περιλαμβάνει τα εσωτερικά μεταβατικά μέταλλα δηλαδή τις λανθανίδες που ανήκουν στην 6η περίοδο και τις ακτινίδες στην 7η περίοδο.

1. Ο τομέας s εκτείνεται από την 1η έως και την 7η περίοδο, διότι η πρώτη s υποστιβάδα που δομείται είναι η 1s. 2. Ο τομέας p εκτείνεται από την 2η έως και την 7η περίοδο, διότι η πρώτη p υποστιβάδα που δομείται είναι η 2p. 3. Ο τομέας d εκτείνεται από την 4η έως και την 7η περίοδο, διότι η πρώτη d υποστιβάδα που δομείται είναι η 3d η οποία για να αρχίσει να δομείται πρέπει πρώτα να έχει συμπληρωθεί η 4s. 4. Ο τομέας f εκτείνεται στην 6η και την 7η περίοδο, διότι η πρώτη f υποστιβάδα που δομείται είναι η 4f η οποία για να αρχίσει να δομείται πρέπει πρώτα να έχει συμπληρωθεί η 6s. Copyright Houghton Mifflin Company. All rights reserved. 7 53

Αριθμός στοιχείων σε κάθε περίοδο Περίοδος Κύριος Ενεργειακή Μέγιστος Αριθμός κβαντικός σειρά αριθμός στοιχείων αριθμός, n τροχιακών ηλεκτρονίων 1η Περίοδος 1 1s 2 2 2η Περίοδος 2 2s 2p 8 8 3η Περίοδος 3 3s 3p 8 8 4η Περίοδος 4 4s 3d 4p 18 18 5η Περίοδος 5 5s 4d 5p 18 18 6η Περίοδος 6 6s 4f 5d 6p 32 32 7η Περίοδος 7 7s 5f 6d 7p 32 32

Μέταλλα, αμέταλλα, ημιαγώγιμα στοιχεία 1. Στα μέταλλα ανήκουν τα στοιχεία των κύριων ομάδων ΙΑ και ΙΙΑ, τα στοιχεία μετάπτωσης και μερικά από τα στοιχεία του p τομέα. Χαρακτηριστικές ιδιότητες αυτών είναι η ικανότητά να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα και τη θερμότητα, η μεταλλική τους λάμψη, κλπ. 2. Τα επτά ημιαγώγιμα στοιχεία ή μεταλλοειδή (βόριο, πυρίτιο, γερμάνιο, αρσενικό, σελήνιο, αντιμόνιο και τελλούριο) ανήκουν στον p τομέα και ενώ έχουν εμφάνιση μετάλλου έχουν χημική συμπεριφορά αμετάλλου. 3. Τα αμέταλλα βρίσκονται στη δεξιά μεριά του περιοδικού πίνακα ανήκουν στον p τομέα και δεν διαθέτουν ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Ηλεκτρονικές δομές ιόντων Στοιχεία κύριων ομάδων του περιοδικού πίνακα. Κανόνας της δομής του ευγενούς αερίου. «Τα στοιχεία θα δώσουν ή θα προσλάβουν αριθμό ηλεκτρονίων, ώστε να αποκτήσουν τη δομή ευγενούς αερίου». 1. Από τα μεταλλικά στοιχεία των ομάδων ΙΑ έως ΙΙΙΑ αφαιρούνται ηλεκτρόνια ίσα με τον αριθμό της ομάδας τους. Τα φορτία των θετικών ιόντων που προκύπτουν ισούνται με τον αριθμό της ομάδας του αντίστοιχου ατόμου. 2. Στα στοιχεία των ομάδων VA έως VIIA προστίθενται ηλεκτρόνια ίσα με το οκτώ μείον τον αριθμό της ομάδας τους. Τα φορτία των αρνητικών ιόντων που προκύπτουν ισούνται με τον αριθμό της ομάδας του αντίστοιχου ατόμου μείον οκτώ.

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Ηλεκτρονικές δομές ιόντων Στοιχεία κύριων ομάδων του περιοδικού πίνακα. Κανόνας της πλήρους υποστοιβάδας ns 2. Από τα μεταλλικά στοιχεία των ομάδων ΙΙΙΑ έως VΑ αφαιρούνται ηλεκτρόνια ίσα με τον αριθμό της ομάδας τους μείον δύο. Τα φορτία των θετικών ιόντων που προκύπτουν ισούνται με τον αριθμό της ομάδας του αντίστοιχου ατόμου μείον δύο. Παραδείγματα είναι τα Tl +, Sn 2+, Pb 2+, και Bi 3+. Στοιχεία μεταβατικών μετάλλων. Τα περισσότερα μεταβατικά στοιχεία σχηματίζουν πάνω από ένα κατιόντα με διαφορετικά φορτία. Παράδειγμα Fe 2+, Fe 3+, Mn 2+, Mn 4+, Mn 7+. Κανένα από αυτά δεν έχει δομή ευγενούς αερίου. Κάτι τέτοιο θα απαιτούσε την απομάκρυνση οκτώ ηλεκτρονίων από το ουδέτερο άτομο, το οποίο είναι ενεργειακά αδύνατο. Γενικά, για σχηματισμό ιόντων χάνουν πρώτα τα ηλεκτρόνια ns 2 και κατόπιν τα (n-1)d ηλεκτρόνια μέχρι να αποκτήσουν το επιθυμητό φορτίο.

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Ηλεκτρονικές δομές ιόντων Στοιχεία κύριων ομάδων του περιοδικού πίνακα. Κατανομή των ηλεκτρονίων στο ιόν που προκύπτει: Για κατιόντα των στοιχείων των ομάδων ΙΑ έως ΙΙΙΑ, αφαιρούμε τόσα ηλεκτρόνια όσα και το φορτίο του από τη μεγαλύτερη ενεργειακά υποστοιβάδα. Για ανιόντα των στοιχείων των ομάδων VΑ έως VΙΙΑ, προσθέτουμε τόσα ηλεκτρόνια όσα και το φορτίο του στη μεγαλύτερη ενεργειακά υποστοιβάδα. Για τα ιόντα των στοιχείων των ομάδων ΙΙΙΑ έως VΑ αφαιρούμε ηλεκτρόνια από τη μεγαλύτερη ενεργειακά υποστοιβάδα μέχρι να προκύψει εξώτατη υποστοιβάδα ns 2.

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Ηλεκτρονικές δομές ιόντων Στοιχεία κύριων ομάδων του περιοδικού πίνακα. Για παράδειγμα ας πάρουμε τα στοιχεία της 5ης περιόδου του περιοδικού πίνακα. Ομάδα Στοιχείο Δομή Ιόν Δομή IA 37Rb [Kr]3s 1 Rb + [Kr] IIA 38Sr [Kr]3s 2 Sr 2+ [Kr] IIIA 49In [Kr] 6s 2 6p 1 In 3+ [Kr] IVA 50Sn [Kr] 6s 2 6p 2 Sn 2+ [Kr] 6s 2 VA 51Sb [Kr] 6s 2 6p 3 --- --- VIA 52Te [Kr] 6s 2 6p 4 Te 2 [Kr] 6s 2 6p 6 = [Xe] VIIA 53I [Kr] 6s 2 6p 5 I [Kr] 6s 2 6p 6 = [Xe] VIIIA 54Xe [Kr] 6s 2 6p 6 --- [Kr] 6s 2 6p 6 = [Xe]

Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων Ηλεκτρονικές δομές ιόντων Στοιχεία μεταβατικών μετάλλων. Για παράδειγμα ας πάρουμε τα πιο κοινά στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Ομάδα Στοιχείο Δομή Ιόν Δομή IA 24Cr [Ar]3d 5 4s 1 Cr 3+ [Ar]3d 3 IIA 25Mn [Ar]3d 5 4s 2 Mn 2+ [Ar]3d 5 IIIA 26Fe [Ar]3d 6 4s 2 Fe 3+ [Ar]3d 5 IVA 27Co [Ar]3d 7 4s 2 Co 2+ [Ar]3d 7 VA 28Ni [Ar]3d 8 4s 2 Ni 2+ [Ar]3d 8 VIA 29Cu [Ar]3d 10 4s 1 Cu 2+ [Ar]3d 9 VIIA 30Zn [Ar]3d 10 4s 2 Zn 2+ [Ar]3d 10 VIIIA 47Ag [Kr] 4d 10 5s 1 Ag + [Kr] 4d 10

Ασκήσεις α) Ποια από τα παρακάτω άτομα και ιόντα είναι ισοηλεκτρονικά; (έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων και την ίδια ηλεκτρονική δομή) O 2, F, Ne, Be 2+, Na +, Cl, Ca 2+, Sc 3+, S 2, Rb +, Kr, Al 3+. β)για τρία άτομα στη θεμελιώδη τους κατάσταση, οι ηλεκτρονικές δομές των εξώτερων φλοιών είναι οι ακόλουθες: (1) 3d 10 4s 2 4p 5 (2) 4d 5 5s 2 (3) 4f 14 5d 4 6s 2 (4) 3d 10 4s 2 4p 3 (5) 3d 5 4s 1 Με βάση αυτές τις ηλεκτρονικές δομές και μόνο, βρείτε σε ποιον τομέα (block), σε ποια περίοδο και σε ποια ομάδα του Περιοδικού Πίνακα ανήκει καθένα από τα άτομα.

Ένα από τα ακόλουθα μεταλλικά ιόντα έχει 5 ηλεκτρόνια στον υποφλοιό 3d. Ποιο είναι αυτό; (α) V 3+ (β) Cr 3+ (γ) Ga 3+ (δ) Fe 3+ (ε) Mn 3+ Η ηλεκτρονική δομή του στοιχείου Α είναι: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2. Σε ποια ομάδα και σε ποια περίοδο του περιοδικού πίνακα ανήκει το στοιχείο αυτό; Γράψτε την τετράδα των κβαντικών αριθμών που χαρακτηρίζει τα ακόλουθα ηλεκτρόνια: (α) Το εξώτατο ηλεκτρόνιο του ατόμου Rb. (β) Το ηλεκτρόνιο που κερδίζει το ιόν S όταν γίνεται S 2. (γ) Το d ηλεκτρόνιο του σκανδίου. (δ) Το ηλεκτρόνιο που χάνει το ιόν Fe 2+ όταν οξειδώνεται προς Fe 3+.

Δίνονται τα ακόλουθα μονατομικά ιόντα και οι ηλεκτρονικές τους δομές στη θεμελιώδη κατάσταση. (α) Α 3 [Ne] 3s 2 3p 6 (β) D 2+ [Ar] 3d 6 (γ) E 3+ [Kr] 4d 10 5s 2 (δ) X 2 [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6 Από τα δεδομένα βρείτε σε ποια περίοδο και ποια ομάδα βρίσκονται τα στοιχεία αυτά; Δίνονται οι παρακάτω ηλεκτρονικές δομές: (α) 3 Li : 1s 2 2p 1 (β) 16S : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 (γ) 1H : 1s 2 (δ) 6C : 1s 2 2s 2 2p 1 2d 1 (ε) 2He :1p 1 (στ) 10Ne : 1s 2 2s 1 2p 7 (ζ) 7N : 1s 2 2s 1 2p 3 (η) 21Sc : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 (θ) 8 O : 1s 2 2s 2 2p 3 (ι) 9F : 1s 2 2s 2 2p 5 3s 1 Ποιες από αυτές τις δομές: (i) αντιστοιχούν σε ουδέτερο άτομο, θετικό ή αρνητικό ιόν; (ii) είναι αδύνατες;