H περιοδικότητα των ιδιοτήτων των ατόμων των στοιχείων-iοντικός Δεσμός. Εισαγωγική Χημεία

H περιοδικότητα των ιδιοτήτων των ατόμων των στοιχείων-iοντικός Δεσμός Εισαγωγική Χημεία 2013-14 1

Μέγεθος Ιόντων Κατιόντα: Η ακτίνα τους είναι πάντοτε μικρότερη από την αντίστοιχη των ουδέτερων ατόμων. Η απώλεια ηλεκτρονίων (για τον σχηματισμό κατιόντων) έχει ως αποτέλεσμα την έλξη ολιγότερων ηλεκτρονίων από τον ίδιο αριθμό πρωτονίων Ή.. Απώλεια όλης της εξωτερικής στάθμης όπως συμβαίνει στην περίπτωση της ομάδας 1A [Ne]3s 1 [Ne] για το νάτριο Ανιόντα: Η ακτίνα τους είναι πάντοτε μεγαλύτερη από των αντίστοιχων ουδέτερων ατόμων. Ο αυτός αριθμός πρωτονίων έλκει περισσότερα ηλεκτρόνια. Επίσης τα ηλεκτρόνια απωθούνται αμοιβαία. Slide 2

Ιοντικές ακτίνες Slide 3

Ισοηλεκτρονιακά άτομα και Ιόντα Τα ισοηλεκτρονικά άτομα και ιόντα έχουν την αυτή ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ο αυτός αριθμός ηλεκτρονίων στα αυτά τροχιακά Na +, Ne και F - είναι ισοηλεκτρονιακά: 1s 2 2s 2 2p 6 Για τα ισοηλεκτρονιακά άτομα και ιόντα, εκείνα τα οποία θα έχουν τον μεγαλύτερο αριθμό πρωτονίων θα είναι τα μικρότερα Μεγαλύτερη πυρηνική ελκτική δύναμη για τον αυτό αριθμό ηλεκτρονίων με αποτέλεσμα την έλξη των ηλεκτρονιακών σταθμών πλησιέστερα προς τον πυρήνα. Slide 4

Εισαγωγική Χημεία 2013-14 5

Εισαγωγική Χημεία 2013-14 6

Ενέργεια Ιοντισμού Πρώτη ενέργεια ιοντισμού: Η ενέργεια που χρειάζεται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα στοιχείο που βρίσκεται στην αέρια κατάσταση, έτσι ώστε να σχηματισθεί ένα κατιόν 1 η ενέργεια ιοντισμού του Mg: Mg Mg + E. I. = 738 J/mol [Ne]3s 2 [Ne]3s 1 2 η Ενέργεια ιοντισμού Mg Mg + Mg 2+ 1450 J/mol [Ne]3s 1 [Ne] Slide 7

Πρώτη ενέργεια ιοντισμού στον ΠΠ Η πρώτη ενέργεια ιοντισμού μειώνεται σε μια ομάδα του ΠΠ πηγαίνοντας από πάνω προς κάτω λόγω αύξησης της ατομικής ακτίνας (απόσταση εξωτερικών ηλεκτρονίων από τον πυρήνα) : Na > K > Cs Η πρώτη ενέργεια ιοντισμού αυξάνει από αριστερά προς τα δεξιά σε μια περίοδο (σειρά) του ΠΠ, όπου το μέγεθος των ατόμων μειώνεται αντίστοιχα : Li < F < Ne Για ένα στοιχείο, I 2 πάντοτε > I 1 λόγω του ότι ο ίδιος αριθμός των πρωτονίων συγκρατεί λιγότερα ηλεκτρόνια (μεγαλύτερη έλξη). Slide 8

Με τη βοήθεια της σχέσης του Bohr για την ενέργεια να υπολογισθεί η ενέργεια ιοντισμού του υδρογόνου σε ev 2 2 Z e 1 1 2 8h 0 0 ni n0 2 Επειδή κατά τον ιοντισμό του υδρογόνου το ηλεκτρόνιο από την τροχιά με n=1 απομακρύνεται τελείως από το άτομο, 15 1 3.28910 s δηλαδή n 0 = : (3.28910 15 s 1 1 ) 2 1 1 2 3.28910 Η ζητούμενη ενέργεια θα υπολογισθεί από τη σχέση I=hν = (6.63x10-34 Js)(3.289x10 15 s) = 21.8x10-19 J I=(21.8x10-19 J)/(1.60x10-19 J/eV)=13.6 ev Εισαγωγική Χημεία 2013-14 9 15 s 1

Με την βοήθεια των κανόνων του Slater να υπολογισθεί η πρώτη ενέργεια ιοντισμού για τα άτομα (α) του Κ και (β) του Rb Για την πρώτη ενέργεια ιοντισμού, Ι 1, ισχύει η ημιεμπειρική εξίσωση: 2 Z * I( H ) I1 2 n* 2 2 K :1s 2s 2 p 19 Z* n* 3.7 I Z* I 1 37 Rb :1s n* 4.0 1 ( K) Z s 19 (8 0.85) (101) (2.2) 2 ( Rb) 2s 2 2 2 p 3s 3s 3p 3p 4s 3d 4s 4 p 5s Z s 37 (8 0.85) (281) (2.2) (13.6eV) (3.7) 2 6 6 (13.6eV) Εισαγωγική Χημεία 2013-14 10 (4.0) I(H) 13.6eV 2 2 2 2 6 6 1 4.8eV 10 2 4.1eV 6 Z* 2.2 1 Z* 2.2

Πόση ενέργεια (σε joules) απαιτείται για να παραχθούν 3.5χ10-5 mol ιόντων Mg 2+ από άτομα Mg(g) O σχηματισμός των ιόντων Μg 2+ περιγράφεται από: Mg(g) Mg + (g) + e - Mg + (g) Mg 2+ (g) + e - I 1 =0.7377 MJ/mol I 1 =1.4507 MJ/mol Δηλαδή για την παραγωγή 1 mol ιόντων Mg 2+ απαιτούνται (0.7377+1,4507)ΜJ=2.1884 MJ = 2.18x10 6 J Οπότε, για την παραγωγή 3.5χ10-5 mol ιόντων Mg 2+ απαιτείται ενέργεια: Ε= (3.5χ10-5 mol )(2.18x10 6 J)=76,7 J Εισαγωγική Χημεία 2013-14 11

Πειραματικά δεδομένα και θεωρητικά συμπεράσματα Εξηγείστε τις δύο κλίσεις για τις ενέργειες ιοντισμού του άνθρακα

Απαιτείται ολοένα και μεγαλύτερη ενέργεια προκειμένου να αποσπασθεί ένα ηλεκτρόνιο από ένα θετικά φορτισμένο άτομο. Η πρώτη, μικρότερη κλίση οφείλεται στην απόσπαση ηλεκτρονιων από την στάθμη n = 2, ενώ η δεύτερη (μεγαλύτερη) στην απόσπαση ηλεκτρονίων από την στάθμη n = 1. 6 C +5 1s 1 2s 0 2p 0 6 C +4 1s 2 2s 0 2p 0 6 C +3 1s 2 2s 1 2p 0 6 C +2 1s 2 2s 2 2p 0 6 C +1 1s 2 2s 2 2p 1 6 C 1s 2 2s 2 2p 2

Εισαγωγική Χημεία

Ποιο στοιχείο έχει την υψηλότερη Πέμπτη ενέργεια ιονισμού: Ge ή As; ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ Κοιτάζουμε τις σχετικές θέσεις των στοιχείων στον ΠΠ το Γερμάνιο, στοιχείο στην 4A διαθέτει 4 ηλεκτρόνια στη στιβάδα σθένους και συνεπώς έχει τέσσερες τιμές ενέργειας ιονισμού σχετικά χαμηλές. Αντίθετα, το αρσενικό, στοιχείο της ομάδας 5A διαθέτει 5 ηλεκτρόνια σθένους και έχει πέντε τιμές ενέργειας ιονισμού, σχετικά χαμηλές. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Το Γερμάνιο θα έχει υψηλότερη πέμπτη ενέργεια ιονισμού από το αρσενικό. Εισαγωγική Χημεία

Πρώτη ενέργεια Ιονισμού, kj/mol Οι τιμές της πρώτης ενέργειας ιοντισμού στον ΠΠ Ατομικός αριθμός Slide 16

Πρώτη Ενέργεια Ιοντισμού Οι χαμηλότερες τιμές της I 1 αντιστοιχούν στα στοιχεία που βρίσκονται στην κάτω αριστερή γωνία του ΠΠ (Fr και Cs) Ανωμαλίες στις σειρές τιμών της I 1 οφείλονται σε ειδικές περιπτώσεις ηλεκτρονιακής διαμόρφωσης. Ημι-συμπληρωμένες υποστάθμες είναι εξαιρετικά σταθερές : Κάθε τροχιακό έχει ένα ηλεκτρόνιο. I 1 του Β < I 1 του Βe επειδή το πρώτο του ηλεκτρόνιο απομακρύνεται από υποστάθμη p που είναι πιο μακριά από τον πυρήνα σε σχέση με το πρώτο ηλεκτρόνιο που απομακρύνεται από το Be Slide 17

Το Ο έχει τιμή I 1 χαμηλότερη της αντίστοιχης του Ν επειδή χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για την διαταραχή της ημι-συμπληρωμένης ηλεκτρονιακής διαμόρφωσης του Ν Εισαγωγική Χημεία

Από τα παρακάτω στοιχεία ποιο σχηματίζει δυσκολότερα θετικό ιόν Χ + ; Ποιο ευκολότερα; F, P, Cl, S Όσο μεγαλύτερη η Ι 1 τόσο δυσκολότερος ο σχηματισμός του Χ + Χ(g) X + (g) + e - I 1 Αντίθετα, όσο μικρότερη η Ι 1 τόσο πιο εύκολα σχηματίζεται το ιόν Χ + Για τα άτομα P,S,Cl (ίδια περίοδος) θα περιμέναμε να ισχύει: I 1 (P)<I 1 (S)<I 1 (Cl) Λόγω όμως της αυξημένης σταθερότητας της ημισυμπληρωμένης υποστιβάδας 3p του Ρ, έχουμε: I 1 (S)<I 1 (P)<I 1 (Cl) Εισαγωγική Χημεία 2013-14 19

Για τα F, Cl (ίδια ομάδα) είναι: I 1 (F)>I 1 (Cl) Και συνολικά θα έχουμε I 1 (S)<I 1 (P)<I 1 (Cl)< I 1 (F) Εισαγωγική Χημεία 2013-14 20

Εισαγωγική Χημεία 2013-14 21

Ταυτοποίηση στοιχείου από τις διαδοχικές τιμές της ενέργειας ιοντισμού ΕΡΩΤΗΜΑ: Ποιο είναι το στοιχείο της 3 ης περιόδου το οποίο έχει τις παρακάτω τιμές ενέργειας ιοντισμού (σε kj/mol) και δώστε την ηλεκτρονιακή του διαμόρφωση ΜΕΘΟΔΟΣ: ΑΠΑΝΤΗΣΗ: IE 1 IE 2 IE 3 IE 4 IE 5 IE 6 1012 1903 2910 4956 6278 22,230 Κοιτάζουμε να δούμε αν υπάρχουν μεγάλες μεταβολές στην ενέργεια, πράγμα που υποδηλώνει απομάκρυνση των ηλεκτρονίων σθένους. Η μεγαλύτερη αύξηση γίνεται μετά την IE 5, δηλαδή μετά την απομάκρυνση του 5 ου ηλεκτρονίου σθένους. Πέντε ηλεκτρόνια, θα σήμαινε διαμόρφωση: 3s 2 3p 3 οπότε το στοιχείο πρέπει να είναι ο Φωσφόρος, P (Z = 15). Η πλήρης ηλεκτρονιακή του διαμόρφωση είναι: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3.

Ηλεκτρονιακή συγγένεια Η μεταβολή της ενέργειας κατά την πρόσληψη ενός ηλεκτρονίου από ένα στοιχείο στην αέρια φάση προκειμένου να μετατραπεί στο αντίστοιχο ανιόν. Cl (g) + e- Cl (g) EA = 349 kj/mol Όσο πιο αρνητική η τιμή της EA, τόσο μεγαλύτερη είναι η συγγένεια ενός στοιχείου για ηλεκτρόνια! Οι τιμές της ΕΑ έχουν την τάση να παίρνουν περισσότερο αρνητικές τιμές από αριστερά προς τα δεξιά σε μια περίοδο και λιγότερο αρνητικές από πάνω προς τα κάτω σε μια ομάδα του ΠΠ Η EA έχει τις μικρότερες αρνητικές τιμές για τα στοιχεία των αλκαλίων, αλκαλικών γαιών και για τα ευγενή αέρια : Έχουν συμπληρωμένα ή ημι-συμπληρωμένα s- ή p-τροχιακά και θα απαιτείτο υψηλή ενέργεια για την προσθήκη ηλεκτρονίων σε τέτοιες στάθμες Slide 23

Ενθαλπία πρόσληψης ηλεκτρονίου, ΔH ea Η μεταβολή της ενθαλπίας κατά την πρόσληψη e, E (g) + e - E - (g) Ηλεκτρονιακή συγγένεια: EA = -ΔH ea + 5/2 RT EA = -ΔH ea Cl (g) + e - Cl - (g) ΔH ea = -349 kj/mol O (g) + e - O - (g) O - (g) + e - O 2- (g) O (g) + 2e - O 2- (g) ΔH ea = -142 kj/mol Η πρόσληψη του πρώτου ηλεκτρονίου συνήθως είναι αρνητική. ΔH ea = 844 kj/mol για το δεύτερο θετική, ενδόθερμη ΔH ea = 702 kj/mol Άλλοι παράγοντες ευνοούν την παρουσία του O 2- όταν βρίσικεται σε μόρια και ιοντικά στερεά.

Ηλεκτρονιακή συγγένεια (kj/mol) Ηλεκτρονιακή συγγένεια και Ατομικός Αριθμός Ατομικός αριθμός (Ζ)

Γιατί το άζωτο έχει μικρότερη ηλεκτρονιακή συγγένεια (πιο θετική) σε σχέση με τα δύο γειτονικά του άτομα (ένθεν και ένθεν) C και O; ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΚΑΙ ΑΠΑΝΤΗΣΗ Το μέγεθος της ηλεκτρονιακής συγγένειας ενός ατόμου, εξαρτάται από την ηλεκτρονιακή του διαμόρφωση στη στιβάδα σθένους. Οι ηλεκτρονιακές διαμορφώσεις των N, C,και O είναι: Εισαγωγική Χημεία

Συνήθη ιόντα Τα θετικά ιόντα είναι Κατιόντα και τα Αρνητικά ιόντα, Ανιόντα Τα μέταλλα τα οποία διαθέτουν d ηλεκτρόνια συνήθως σχηματίζουν περισσότερα του ενός ιόντα. 27

Ιοντικοί δεσμοί Ιοντικοί δεσμοί σχηματίζονται εφόσον μεταφέρονται ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια από ένα μέταλλο σε ένα αμέταλλο.. Li. + : F : Li + + : F : : : : Για την απομάκρυνση ηλεκτρονίων από ένα μέταλλο χρειάζεται προσφορά ενέργειας (Ενέργεια ιοντισμού>0). Κατά κανόνα, η ενέργεια αυτή δεν αντισταθμίζεται από την ενέργεια η οποία εκλύεται κατά την προσθήκη ηλεκτρονίου σε ένα στοιχείο (EA). Και πώς σχηματίζονται οι ιοντικές ενώσεις;;

Ενέργεια πλέγματος Σημειώστε ότι, IE και EA αντιστοιχούν στην ενέργεια απομάκρυσνσης/προσθήκης ηλεκτρονίου από/σε ένα άτομο στην αέρια κατάσταση. Οι ιοντικές ενώσεις είναι κατά κανόνα στερεά. Η ενέργεια η οποία αποδίδεται κατά τον σχηματισμό των στερεών αυτών, η οποία ονομάζεται ενέργεια πλέγματος είναι η κινούσα δύναμη για τον σχηματισμό ιοντικών ενώσεων. Λόγω των υψηλών τιμών ενέργειας πλέγματος, τα ιοντικά στερεά είναι σκληρά και έχουν υψηλά ΣΤ. Είναι μονωτές στη στερεά κατάσταση, λόγω του εντοπισμού των ηλεκτρονίων στα ιόντα, αλλά είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος σε κατάσταση τήγματος ή στα διαλύματά τους, λόγω ροής ιόντων (όχι ηλεκτρονίων). Οι ενέργειες πλέγματος μπορούν να υπολογισθούν βάσει του νόμου του Hess, με τη βοήθεια ενός κύκλου Born-Haber.