PERIODNI SISTEM ELEMENATA

PERIODNI SISTEM ELEMENATA 1/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA - Kratka istorija Otkriće elemenata do danas otktiveno još 11 elemenata 2011. IUPAC potvrdio otkriće 2 nova elementa: Flerovijum (Fl, Z = 114) i Livermorijum (Lv, Z = 116) 2/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA - Kratka istorija Zajednički timovi naučnika iz Rusije i Amerike objavili su dokaze o sintezi elemenata rednih brojeva 113 118. IUPAC je prihvatio otkrića elementa 114 (Flerovijum) i elementa 116 (Livermorijum), a još uvek nisu razmatrani dokazi o otkriću elementa 117 (ununseptium). Takođe, zahteva se jači dokaz pre nego što se potvrditi sinteza elemenata 113 (ununtrium), 115 (ununpentium) i elementa 118 (ununoctium). 3/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA - Kratka istorija Kratka istorija modernog Peridnog sistema elemenata (PSE) Tokom XIX veka hemičari su počeli da kategorizuju elemente prema sličnosti njihovih fizičkih i hemijskih svojstava. 1829. - Model trijada - Johann Dobereiner 1863. Zakon oktava - John Newlands 1869. Дмитрий Иванович Менделеев i Lothar Meyer su nezavisno došli do istog zaključka o tome kako bi trebalo grupisati elemente. Obojica su elemente poređali prema porastu atomskih masa. Дмитрий Иванович Менделеев 1834-1907 Lothar Meyer 1830-1895 4/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA - Kratka istorija Mendeljejev je 1869. godine objavio svoj prvi periodni sistem elemenata u kome je elemente svrstao po rastućim relativnim atomskim masama i sličnosti u fizičkim i hemijskim svojstvima, a 1871. objavljuje novi, poboljšani periodni sistem: 1. Relativna atomska masa određuje svojstva elementa 2. Elementi poređani po porastu relativnih atomskih masa pokazuju periodičnost fizičkih i hemijskih svojstava, odnosno posle izvesnog broja dolaze ponovo elementi sličnih fizičkih i hemijskih svojstava 3. Elementi koji nedostaju još nisu otkriveni (predvideo je fizička svojstva do tada tri nepoznata elemenata - Sc, Ga, Ge) 4. Relativne atomske mase elemenata moraju odgovarati položaju elementa u tablici 5/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA - Kratka istorija 1913. Henry Moseley je, radeći sa X-zracima, uveo koncept atomskih brojeva elemenata. Preuredio je elemente prema porastu atomskog broja. Uvođenje koncepta atomskog broja razrešilo je probleme ranijih verzija PSE gde su elementi bili poređani prema porastu atomskih masa. Primeri: argon (Ar = 39,948) je teži od kalijuma (Ar = 39,102) kobalt (Ar = 58,93) je teži od nikla (Ar = 58,71) telur (Ar = 127,60) je teži od joda (Ar = 126,91) Henry Moseley 1887-1915 Mozlijev zakon Kada se elementi poređaju prema porastu atomskog broja tada postoji periodični obrazac u njihovim fizičkim i hemijskim svojstvima. 6/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA - Kratka istorija Mozlijev eksperiment katodni zraci bombarduju anodu napravljenu od elementa koji se ispituje. Anoda emituje zračenje određene talasne dužine i frekvencije. Talasna dužina (frekvencija) emitovanog karakterističnog zračenja zavisi samo od atomskog broja materijala anode: ν = const. (Z 1) 2 U PSE elementi su poređani prema porastu atomskih brojeva (Z). Svojstva elemenata su periodična funkcija njihovih atomskih brojeva. 7/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA - Kratka istorija 1944. Glenn Seaborg je, nakon učešća u otkriću deset novih elemenata, izmestio 14 elemenata u poseban red gde se i danas nalaze (zajedno sa aktinijumom). To je serija aktinoida. Glenn T. Seaborg 1912-1999 Siborg je jedina osoba po kojoj je hemijski element nazvan za vreme njegovog života. 1960-tih. pretpostavio postojanje ostrva stabilnosti Više o ovome: http://www.sciencedaily.com/releases/2014/05/140502081341.htm http://www.scientificamerican.com/article/superheavy-element-117-island-of-stability/ 8/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA IUPAC maj 2013. 9/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA TRENDOVI U PERIODNOM SISTEMU ELEMENATA Metalni/nemetalni karakter Elektronska konfiguracija i PSE Efektivno naelektrisanje jezgra Veličina atoma i jona Energija jonizacije Afinitet prema elektronu Elektronegativnost Tačka topljenja Struktura i vezivanje 10/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA STRUKTURA PERIODNOG SISTEMA ELEMENATA 11/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA Metali vs nemetali vs metaloidi Svojstva metala: Sa nemetalima uglavnom daju jonska jedinjenja. Jedinjenja metala sa metalima se zovu legure. Većina oksida metala je bazna, reaguju sa vodom dajući baze. Reaguju sa kiselinama dajući soli. Grade katjone. Svojstva metaloida Imaju svojstva koja se nalaze između svojstva metala i nemetala. Na primer elementarni Si izgleda kao metal ali ne može da se kuje i loše provodi toplotu i elektricitet. Neki metaloidi (pogotovo Si) su poluprovodnici. Svojstva nemetala: Sa metalima daju uglavnom jonska jedinjenja (gradeći anjone). Sa drugim nemetalima daju isključivo kovalentna jedinjenja. Njihovi oksidi i hidridi su ili gasovi ili tečnosti ili čvrsta jedinjenja niske tačke topljenja. Oksidi nemetala su kiseli, sa vodom daju kiseline, sa bazama daju soli. 12/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA Trend u metalnom/nemetalnom karakteru Opadanje metalnog karaktera Porast metalnog karaktera 13/43

Kratko obnavljanje - kvantni brojevi Svaki elektron u atomu (koji se uvek nalazi u nekoj orbitali tog atoma) je potpuno opisan sa četiri kvantna broja: 1. Glavni kvantni broj (n) govori o veličini orbitale i energiji elektrona u toj orbitali. n = 1, 2, 3,... 2. Azimutalni (sporedni) kvantni broj (l) definiše oblik orbitale i kod višeelektronskih atoma utiče na energiju elektrona (orbitale). Energija elektrona je potpuno određena kvantnim brojevima n i l. l od 0 do (n 1) za svaku vrednost n 3. Magnetni kvantni broj (m l ) definiše orijentaciju orbitale u prostoru. Ne određuje energiju elektrona (orbitale). m l = l,... 0,...+l 4. Spinski kvantni broj definiše spin elektrona. Ima samo dve vrednosti ( 1 / 2, + 1 / 2 ) 14/43

Elektronska konfiguracija i PSE 15/43

Elektronska konfiguracija i PSE Svi pripadnici iste grupe imaju istu elektronsku konfiguraciju velentne ljuske, samo se glavni kvantni broj menja. Zato elementi koji pripadaju istoj grupi imaju veoma slična hemijska svojstva. Grupa 2 Grupa 13 Neorganska hemija 1102A 16/43

Elektronska konfiguracija i PSE U periodnom sistemu postoji podela na s, p, d i f elemente u zavisnosti od toga u kojem se podnivou nalaze valentni elektroni. 17/43

Elektronska konfiguracija i PSE - anomalije 18/43

Elektronska konfiguracija i PSE - anomalije Aufbau princip Hundovo pravilo Paulijev princip isključenja Kada su različiti podnivoi blizu tada energija koja je potrebna za sparivanje spinova dva elektrona u istoj orbitali može biti veća od energetske razlike dva podnivoa te dolazi do anomalija u elektronskoj konfiguraciji elemenata. 19/43

Efektivno naelektrisanje jezgra Koliku privlačnu silu jezgra oseća svaki elektron? Za atom vodonika odgovor je prilično jasan elektron oseća privlačnu silu (1+) jezgra koja zavisi samo od rastojanja između elektrona i jezgra. Kakva je situacija kod višeelektronskih atoma? Osim jezgro-elektron privlačnih sila postoje i elektron-elektron odbojne sile. Da bi odredili koliko je jako svaki elektron vezan za jezgro moramo uzeti u obzir i ove odbojne sile. Za precizna izračunavanja potrebna su nam elektron-elektron rastojanja! Mg Valentni (3s 2 ) elektroni Unutrašnji [Ne] elektroni (10 ) Kombinovani efekat Efektivna nuklearna šarža koju osećaju valentni elektroni Mg Radijalna elektronska gustina Rastojanje od jezgra Pojednostavljen kombinovani efekat potcenjuje vrednost efektivnog naelektrisanja jezgra stoga što postoji verovatnoća prodiranja valentnih elektrona ka jezgru. Detaljniji proračuni su pokazali da efektivno naelektrisanje jezgra koje osećaju valentni elektroni Mg iznosi 3,3+. 20/43

Efektivno naelektrisanje jezgra - Z eff Naelektrisanje jezgra koje osećaju valentni elektroni Z eff. - se može proceniti primenom veoma jednostavnih Slaterovih pravila. Z eff = Z S Z atomski (redni) broj; S Slaterova konstanta (konstanta zaklanjanja) Prvo se elektroni grupišu i svaka grupa odvoji zagradama (1s)(2s2p)(3s3p)(3d)(4s4p)(4d)(4f)(5s5p)... 1. Svi elektroni nadesno od posmatrane grupe ne smanjuju naelektrisanje jezgra. 2. Elektroni iz iste grupe smanjuju naelektrisanje jezgra za 0,35. 3. Svaki elektron iz n-1 nivoa smanjuje naelektrisanje jezgra za s i p elektrone za vrednost 0,85. 4. Svaki elektron iz nivoa n-2 smanjuje nelektrisanje jezgra za 1. 5. Za f i d elektrone svaki elektron koji je levo od njih smanjuje naelektrisanje jezgra za 1. Primer: F: (1s 2 )(2s 2 2p 5 ) S= 6 x 0,35 + 2 x 0,85 = 3,8 Z eff = 9-3,8 = +5,2 21/43

Efektivno naelektrisanje jezgra 22/43

Efektivno naelektrisanje jezgra Slaterova pravila su korisna za grubu procenu energije jonizacije, jonskih radijusa i elektronegativnosti. Preciznije vrednosti Z eff dobijaju se proračunima uz korišćenje tzv. Self-consistent field metoda (Clementi i Riamondi) koje daju znatno veće vrednosti Z eff, pogotovo za d elektrone. 23/43

Efektivno naelektrisanje jezgra Efektivno naelektrisanje jezgra Efektivno naelektrisanje jezgra 24/43

Veličina atoma Veličina atoma se najlakše izražava atomskim poluprečnikom. Postoje različite vrste atomskih poluprečnika: Nevezivni (van der Waalsovi) poluprečnici rastojanje do koga se atomi mogu približiti jedan drugome dok elektronski oblaci ne počnu da im se odbijaju. Vezivni (kovalentni) poluprečnici polovina rastojanja između jezgara kovalentno vezanih atoma. Upotrebljavaju se sa opisivanje veličine atoma nemetala. Metalni poluprečnici - polovina rastojanja između jezgara u kristalnoj rešetki metala. Upotrebljavaju se za opisivanje veličine atoma metala. van der Waalsov (nevezivni) atomski poluprečnik Kovalentni atomski poluprečnik = ½ d 25/43

Veličina atoma 2,68 Å r kov (I) = 2,68 Å / 2 = 1,34 Å Kristalna stuktura I 2 jedinična ćelija Angstrem (1 Å = 10 10 m) je uobičajena metrička jedinica za dužinu na atomskoj skali. Nije SI jedinica! Uobičajena SI jedinica za dužinu na atomskoj skali je pikometar (1 pm = 10 12 m; 1 Å = 100 pm). 26/43

Veličina atoma Porast atomskog poluprečnika Poluprečnik (Å) Veličina atomskog poluprečnika zavisi od: Privlačnih sila između jezgra i elektrona Zaklanjanja valentnih elektrona od strane unutrašnjih elektrona 27/43

Periodični trendovi atomskih poluprečnika Poluprečnik (pm) Atomski broj PERIODA: Atomski poluprečnici opadaju sa leva nadesno u istoj periodi. Ovo se najlakše objašnjava preko povećanja efektivnog nelektrisanja jezgra koje osećaju valentni elektroni GRUPA: Atomski poluprečnici rastu odozgo nadole u grupi. Ovo se objašava povećanjem glavnog kvantnog broja valentnih elektrona. Što je veći glavni kvantni broj elektron provodi više vremena na većem rastojanju od jezgra, a time je i atomski poluprečnik veći. 28/43

Periodični trendovi atomskih poluprečnika Varijacije atomskih poluprečnika prvih 20 elemenata PSE Atomski poluprečnik (nm) Atomski broj Oštar pad atomskih poluprečnika na početku periode praćen postepenim opadanjem atomskih poluprečnika ka kraju periode Na početku svake periode dominantan je efekat porasta Z eff što je praćeno većom kontrakcijom. Dalji dodatak elektrona u istu ljusku dovodi do povećanja efekta međuelektronskog odbijanja. Z eff ima mali porast za elemente pri kraju periode što je praćeno postepenim opadanjem atomskih poluprečnika. 29/43

Trendovi u jonskim poluprečnicima Svi jonski poluprečnici su eksperimentalno određeni na osnovu rastojanja između jona u kristalnim rešetkama jonskih jedinjenja. 1 2 13 16 17 30/43

Trendovi u jonskim poluprečnicima Jonski poluprečnici zavise od Z eff, broja elektrona i orbitale u koju su smešteni valentni elektroni. Katjoni Anjoni Veličina katjona je manja od veličine odgovarajućeg atoma. Uklanjanjem elektrona iz neutralnog atoma smanjuju se odbojne interakcije među elektronima tj. raste Z eff.. Što je katjon više naelektrisan jonski poluprečnik će biti manji. Veličina anjona je veća od veličine odgovarajućeg atoma. Dodatkom elektrona povećavaju se odbojne interakcije među elektronima tj. smanjuje se Z eff. Što je anjon više naelektrisan jonski poluprečnik će biti veći. 31/43

Trendovi u jonskim poluprečnicima Izoelektronski joni su oni joni koji imaju isti broj elektrona. Kod serije izoelektronskih jona jonski poluprečnik opada sa porastom Z eff. 32/43

Trendovi u energiji jonizacije Šta je energija jonizacije? Kako se menja energija jonizacije sukcesivnim uklanjanjem elektrona iz istog atoma? Prva energija jonizacije (I 1, kj/mol) U okviru iste periode I 1 uglavnom raste sa porastom atomskog broja. U okviru iste grupe I 1 uglavnom opada sa porastom atomskog broja. Ovakavi trendovi su potpuno u skladu sa podacima o atomskim poluprečnicima što je atom manji elektron je jače vezan i teže se jonizuje. Atomski broj 33/43

Trendovi u energiji jonizacije Odstupanja Pomoću elektronskih konfiguracija OBJASNITE odstupanja u I 1 za date atome! Odgovor obavezno dostaviti na terminu teorijskih vežbi! I 1 (kj/mol) Prva energija jonizacije (I 1, kj/mol) Atomski broj 34/43

Trendovi u afinitetu prema elektronu Šta je afinitet prema elektronu? Kada afinitet prema elektronu ima pozitivnu, a kada negativnu vrednost prema TD konvenciji? Afinitet prema elektronu ( kj/mol) Atomski broj Afinitet prema elektronu raste (postaje negativniji) u periodi (s leva na desno), a blago opada u grupi (odozgo nadole). 35/43

Trendovi u afinitetu prema elektronu PITANJA Zašto je vrednost afiniteta prema elektronu kod svih plemenitih gasova veća od nule? Zašto je vrednost afiniteta prema elektronu kod azota takođe veća od nule? Zašto je vrednost afiniteta prema elektronu za Cl veća (negativnija) od vrednosti za F? Odgovore obavezno dostaviti na terminu teorijskih vežbi! 36/43

Trendovi u elektronegativnosti Šta je elektronegativnost? Koje skale elektronegativnosti postoje? Elektronegativnost raste u periodi, a opada u grupi. 37/43

Trendovi u tačkama topljenja Šta je tačka topljenja? Od čega zavisi tačka topljenja? T t raste T t raste T t opada Jedinica: T t raste Tačke topljenja (T t ) prvih 20 elemenata PSE 38/43

Trendovi u tačkama topljenja Tačka topljenja Atomski broj Metalna veza jača je što je veći broj valentnih elektrona Kovalentne struktutre (B, C, Si) Slabe van der Waalsove interakcije S 8 vs P 4 39/43

Struktura i veze 40/43

Struktura i veze U svakoj periodi struktura se menja od: metalne strukture preko kovalentnih mreža do jednostavih molekulskih struktura S leva na desno u periodi: Vezivanje atoma elemenata se menja na periodičan način Od metalne veze ka kovalentnoj vezi 41/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA Sumiranje trendova Nemetalni karakter Energija jonizacije Metalni karakter Atomski poluprečnik Efektivno naelektrisanje jezgra Afinitet prema elektronu i elektronegativnost Energija jonizacije Efektivno naelektrisanje jezgra Atomski poluprečnik 42/43

NAREDNO PREDAVANJE OPŠTE KARAKTERISTIKE s- i p- ELEMENATA s-elementi varijacije atomskih/jonskih poluprečnika s-elementi varijacije energije jonizacije s-elementi varijacije u tačkama topljenja s-elementi entalpija hidratacije s-elementi varijacije u hemijskim svojstvima Dijagonalna sličnost Maksimalna oksidaciona stanja s- i p-elemenata Analiza energetskih odnosa s- i p- orbitala različitih kvantnih nivoa 43/43