A peri´odusos rendszer, periodikus tulajdons´agok
Szalai Istv´an ELTE K´ emiai Int´ ezet
1/45
Az el˝oad´as v´azlata
Ism´etl´es T¨ ort´eneti ´attekint´es Mengyelejev peri´ odusos rendszere Atomsug´ar, ionsug´ar Ioniz´aci´ os energia Elektronaffinit´as Elektronegativit´as K´emiai tulajdons´agok periodikus v´altoz´asa ¨ Osszefoglal´ as
2/45
Elektronszerkezet (ism´etl´es)
A mag k¨ or¨ ul olyan elektronokszerkezet alakul ki, amelyn´el az atom energi´aja a lehet˝ o legkisebb. Pauli-elv: Az atomon bel¨ ul nem lehet k´et olyan elektron, amelynek minden kvantumsz´ama megegyezne. Hund szab´aly: az alh´ejak olyan m´ odon t¨ olt˝ odnek fel, hogy min´el nagyobb legyen a p´aros´ıtatlan elektronok sz´ama. A legt¨ obb esetben a be´ep¨ ul´es n¨ ovekv˝ o (n + l) ´ert´ekek szerint megy v´egbe.
3/45
Dmitrij Mengyeljev (1837-1907)
1869-ben publik´alja elgondol´as´at a peri´ odusos rendszerr˝ol: ,,Az atoms´ ulyaik nagys´aga szerint elrendezett elemek j´ol ´erz´ekelhet˝oen periodikus tulajdons´agokat mutatnak.” ,,Az elemek atoms´ ulyok alapj´an rendezett csoportjai meghat´arozz´ak a vegy´ert´eket ´es bizonyos fokig a k´emiai jellemz˝ok k¨ ul¨onbs´egeit is. Ez a jelens´eg j´ ol ´erz´ekelhet˝o a Li, Be, B, C, N, O, F csoportban, ´es megism´etl˝ odik a t¨obbi csoportban.” ,,Arra kell sz´am´ıtanunk, hogy sok ismeretlen testet fedeznek
4/45
Dmitr´ıj Mengyeljev (1837-1907)
5/45
Hi´anyz´o elemek
Tulajdons´ag Atomt¨omeg S˝ ur˝ us´eg Oxidj´anak k´eplete Atomt¨omeg S˝ ur˝ us´eg Oxidj´anak k´eplete
Mengyelejev j´ oslata ekaaluminium 72 5,5 g/cm3 X 2 O3 ekaszilicium 68 6,0 g/cm3 XO2
M´ert tulajdons´agok gallium 72,6 5,35 g/cm3 Ga2 O3 germ´anium 69,72 5,9 g/cm3 GeO2
6/45
A peri´odusos rendszer fejl˝od´ese Moseley (1914): ¨osszef¨ ugg´es a rendsz´am ´es a r¨ ontgensug´arz´as √ (Kα ) hull´amhossza k¨oz¨ ott ( f = k1 (Z − k2 ))
7/45
A peri´odusos rendszer fejl˝od´ese Moseley (1914): ¨osszef¨ ugg´es a rendsz´am ´es a r¨ ontgensug´arz´as √ (Kα ) hull´amhossza k¨oz¨ ott ( f = k1 (Z − k2 ))
K¨ovetkezm´eny: helycser´ek: Co(Ar : 58, 9; Z = 27)-Ni(Ar : 58, 7; Z = 28), u ´j elemek Tc, Pm.
8/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012)
9/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012) Alk´alif´emek ns 1
10/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012) Alk´alif¨oldf´emek ns 2
11/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012) ´ Atmenetif´ emek ns 2 (n − 1)d 1−10
12/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012) B´orcsoport ns 2 np 1
13/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012) Sz´encsoport (ns 2 np 2 )
14/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012) Nitrog´encsoport (ns 2 np 3 )
15/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012) Oxig´encsoport (ns 2 np 4 )
16/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012) Halog´enek (ns 2 np 5 )
17/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012) Nemesg´azok (ns 2 np 6 , 1s 2 )
18/45
A peri´odusos rendszer (IUPAC 2012) Lantanoid´ak, aktinoid´ak ns 2 (n − 1)d 1 (n − 2)f 1−14
19/45
Atomsug´ar
20/45
P´aszt´az´o alag´utmikroszk´op
21/45
P´aszt´az´o alag´utmikroszk´op
Vas atomok r´ez fel¨ uleten 22/45
Atomsug´ar
Kovalens sug´ar: a homonukle´aris molekula k¨ ot´est´avols´ag´anak fele.
23/45
Atomsug´ar
Kovalens sug´ar: a homonukle´aris molekula k¨ ot´est´avols´ag´anak fele. Ionos sug´ar: az ionr´acs r´acs´alland´ oj´ab´ ol sz´am´ıthat´o (Pauling 2− szerint O 140 pm)
23/45
Atomsug´ar
Kovalens sug´ar: a homonukle´aris molekula k¨ ot´est´avols´ag´anak fele. Ionos sug´ar: az ionr´acs r´acs´alland´ oj´ab´ ol sz´am´ıthat´o (Pauling 2− szerint O 140 pm) F´emes sug´ar: f´emesr´acs r´acst´avols´ag´anak a fele (f¨ ugg a r´acst´ıpust´ol).
23/45
Atomsug´ar
Kovalens sug´ar: a homonukle´aris molekula k¨ ot´est´avols´ag´anak fele. Ionos sug´ar: az ionr´acs r´acs´alland´ oj´ab´ ol sz´am´ıthat´o (Pauling 2− szerint O 140 pm) F´emes sug´ar: f´emesr´acs r´acst´avols´ag´anak a fele (f¨ ugg a r´acst´ıpust´ol). van der Waals sug´ar: az a t´avols´ag, amelyre megk¨ ozel´ıtheti egym´ast k´et azonos, de k¨ ot´esben nem l´ev˝ o atom g´az´allapotban.
23/45
Atomsug´ar
Kovalens sug´ar: a homonukle´aris molekula k¨ ot´est´avols´ag´anak fele. Ionos sug´ar: az ionr´acs r´acs´alland´ oj´ab´ ol sz´am´ıthat´o (Pauling 2− szerint O 140 pm) F´emes sug´ar: f´emesr´acs r´acst´avols´ag´anak a fele (f¨ ugg a r´acst´ıpust´ol). van der Waals sug´ar: az a t´avols´ag, amelyre megk¨ ozel´ıtheti egym´ast k´et azonos, de k¨ ot´esben nem l´ev˝ o atom g´az´allapotban.
23/45
Atomsug´ar
Elem
Kovalens sug´ar
van der Waals sug´ar
F´emes sug´ar
Magn´ezium Alumm´ınium Sz´en
130 pm 118 pm 77 pm
173 pm 184 pm 170 pm
160 pm 173 pm –
24/45
Atomsug´ar
25/45
Atomsug´ar Effekt´ıv magt¨olt´es: Zeff = Z − S
26/45
Atomsug´ar
Effekt´ıv magt¨olt´es: Zeff = Z − S l 0 1 2 3
... 1,0 1,0 1,0 1,0
ni−1 0,85 0,85 1,0 1,0
ni 0,3 0,35 0,35 0,35
Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Zeff = 11 − (2 × 1 + 8 × 0, 85) = 2, 2 Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 Zeff = 13 − (2 × 1 + 8 × 0, 85 + 2 × 0, 3) = 3, 6
27/45
Ionsug´ar
Izoelektronos sorozat (10e − ) sug´ar (nm)
Na+ 0,097
Mg2+ 0,066
Al3+ 0,051
28/45
Ioniz´aci´os energia
Az els˝o ioniz´aci´os energia: egy g´az´allapot´ u atomb´ ol a legk¨onnyebben leszak´ıthat´ o elektron elt´avol´ıt´as´ahoz sz¨ uks´eges energia. Be(g) → Be+ (g) + e − Be+ (g) → Be2+ (g) + e − Be2+ (g) → Be3+ (g) + e −
899 kJ/mol 1757 kJ/mol 14849 kJ/mol
IE1 < IE2 IE1 < IE2 IE3
29/45
Ioniz´aci´os energia
30/45
Ioniz´aci´os energia
31/45
Elektronaffinit´as
Egy g´az´allapot´ u atomb´ ol egyszeresen negat´ıv t¨ olt´es˝ u ion keletkez´es´et k´ıs´er˝o energia v´altoz´as. Cl(g) + e − → Cl− (g) O(g) + e − → O− (g) O− (g) + e − → O2− (g)
−349 kJ/mol −141 kJ/mol +744 kJ/mol
32/45
Elektronaffinit´as
33/45
Elektronaffinit´as
34/45
Elektronegativit´as A k¨ot´esben l´ev˝o atom elektronvonz´ o k´epess´ege. Pauling defin´ıci´oja
(L. Pauling: The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: An Introduction to Modern Structural Chemistry)
∆ = EAB −
EAA + EBB 2 35/45
Elektronegativit´as
(L. Pauling: The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: An Introduction to Modern Structural Chemistry)
36/45
Elektronegativit´as Geometriai k¨oz´ep´ert´ek: ∆0 = EAB −
√
EAA + EBB √ ENA − ENB ∼ ∆0
37/45
Elektronegativit´as
A k¨ot´esben l´ev˝o atom elektronvonz´ o k´epess´ege. Pauling defin´ıci´oja ∆0 = EAB −
p EAA + EBB √ ENA − ENB = 0.18 ∆0 ENF = 4.0
38/45
Elektronegativit´as
(L. Pauling: The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: An Introduction to Modern Structural Chemistry) 39/45
Elektronegativit´as Mulliken defin´ıci´oja EN =
IE + EA 130
(L. Pauling: The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: An Introduction to Modern Structural Chemistry) 40/45
Elektronegativit´as
Alfred ´es Rochow defin´ıci´ oja EN = 0, 359
Zeff + 0, 744 r2
41/45
Elektronegativit´as
42/45
Peri´odusos rendszer Relativisztikus effektusok: E= E=
p2 (klasszikus) 2m
p p 2 c 2 + m2 c 4 (relativisztikus)
pl. a p´aly´ak ¨osszeh´ uz´od´asa, stabiliz´al´ od´asa Hg (Top =-39) Cd (Top =321) a higanyt 6s p´aly´ainak ¨ osszeh´ uz´ od´asa inert´e ´es kev´esb´e polariz´alhat´ov´a teszi Au s´arga, Ag f´emes sz´ın˝ u az arany 6s p´aly´ainak ¨ osszeh´ uz´ od´asa n¨ oveli a 6s ´es 5d p´ayl´ak k¨oz¨otti energiak¨ ul¨ onbs´eget 43/45
¨ Osszefoglal´ as
A peri´ odusos rendszer (Mengyelejev, Moseley) Periodikus tulajdons´agok:
Atomsug´ar ↓← Ioniz´aci´ os energia ↑→ Elektronaffinit´as ↓← Elektronegativit´as ↑→ √ ENA − ENB = 0.102 ∆ k´emiai tulajdons´agok
44/45
