ÊÙÓÔÁÓ ÊÁËÁÌÁÔÉÁÍÏÓ

ÃÅÍÉÊÇ ×ÇÌÅÉÁ( ô Ëõêåßïõ ÈåôéêÞò Êáôåýèõíóçò)

È å ù ñ ß á - Ì å è ï ä ï ë ï ã ß á

4 0 0 Ë õ ì Ý í å ò Á ó ê Þ ó å é ò

Êþ

óôá

ò Ê

áë

áì

áôé

áíü

ò

ÃÅ

ÍÉÊ

Ç ×

ÇÌ

ÅÉÁ

( Ã

´ Ëõ

êåß

ïõ

Èåô

éêÞ

ò Ê

áôå

ýè

õíó

çò)

γ) Ο Cu είναι παραμαγνητικό στοιχείο γιατί έχει ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στο τροχιακό 4s δ) Ο Cu+ είναι διαμαγνητικό ιόν γιατί δεν έχει ασύζευκτο ηλεκτρόνιο(α). Το ηλεκτρόνιο που αποβάλλεται κατά την οξείδωση του Cu σε Cu+ είναι το ηλεκτρόνιο στο τροχιακό 4s που είναι και το τελευταίο (πιο απομακρυσμένο από τον πυρήνα). Στο τροχιακό 3d δεν υπάρχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Άσκηση - Παράδειγμα #1-32 Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές είναι η σωστή για το Ni+2 (28Ni): α) [Ar]4s23d8 β) [Ar]3d8 γ) [Ar]4s23d6 δ) [Ar]3d10 ε) [Ar]4s13d7 Λύση: Κατά τα γνωστά (Μεθοδολογία #2 και Μέθοδος Α στην σελίδα 50) προκύπτει: Ηλεκτρονιακή δομή Ni+2: [Ar]3d8 Άσκηση - Παράδειγμα #1-33 Στο ιόν 26Fe+2 o αριθμός των ηλεκτρονίων στην υποστιβάδα 3d και στην θεμελιώδη κατάσταση είναι: α) 2 β) 5 γ) 3 δ) 6 (Απολυτήριες Εξετάσεις Γ’ τάξης Ενιαίου Λυκείου 2003 – Xημεία Θετικής Κατεύθυνσης) Λύση: Κατά τα γνωστά (Μεθοδολογία #2 και Μέθοδος Α ) προκύπτει: Ηλεκτρονιακή δομή Fe+2: 1s22s22p63s23p63d6

Σωστή απάντηση είναι η (δ) δηλαδή η υποστιβάδα 3d έχει 6 ηλεκτρόνια στην θεμελιώδη κατάσταση.

87

111...222...111 ΠΠΠΕΕΕΡΡΡΙΙΙΟΟΟ∆∆∆ΙΙΙΚΚΚΟΟΟΣΣΣ ΠΠΠΙΙΙΝΝΝΑΑΑΚΚΚΑΑΑΣΣΣ ΚΚΚΑΑΑΙΙΙ ΑΑΑΤΤΤΟΟΟΜΜΜΙΙΙΚΚΚΗΗΗ ΑΑΑΚΚΚΤΤΤΙΙΙΝΝΝΑΑΑ ΤΤΤΩΩΩΝΝΝ ΣΣ ΣΤΤΤΟΟΟΙΙΙΧΧΧΕΕΕΙΙΙΩΩΩΝΝΝ Ο περιοδικός πίνακας παρέχει σημαντική βοήθεια στην πρόβλεψη θεμελιωδών χαρακτηριστικών των ατόμων όπως για παράδειγμα είναι η ατομική ακτίνα («μέγεθος» των ατόμων), η ενέργεια ιοντισμού και η ηλεκτρονιοσυγγένεια. H επεξήγηση για την μεταβολή σε αυτές τις χαρακτηριστικές ιδιότητες που παρατηρείται από στοιχείο σε στοιχείο στον περιοδικό πίνακα και παρουσιάζεται στις ενότητες 1.2.7 και 1.2.8, δίνεται με την βοήθεια του κβαντομηχανικού προτύπου του ατόμου, που αποδεικνύεται πολύ αποτελεσματικό για την επεξήγηση αυτών

88

των πειραματικών δεδομένων1. Συνοπτικά, τα βασικά σημεία των ενοτήτων 1.2.7 και 1.2.8 δίνονται για μία γρήγορη προεπισκόπηση σε μορφή διαγράμματος ροής, στην επόμενη σελίδα. Σκοπός λοιπόν σε αυτή την ενότητα είναι:

i. Να κατανοηθεί τι λέμε ατομική ακτίνα ii. Να παρουσιασθεί πώς ο περιοδικός πίνακας και η ηλεκτρονιακή δομή των στοιχείων

(κβαντομηχανικό πρότυπο) μας επιτρέπουν να προβλέπουμε την μεταβολή της ατομικής ακτίνας κατά μήκος μίας περιόδου ή ομάδας του περιοδικού πίνακα

iii. Να παρουσιασθεί η χρησιμότητα της ατομικής ακτίνας και η συσχέτισή της με φυσικές και χημικές ιδιότητες του ατόμου

Αρχίζοντας από το (i) παραπάνω μπορούμε να πούμε ότι στην σύγχρονη περιγραφή του ατόμου (κβαντομηχανικό πρότυπο) η πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους (πιθανότητα να βρεθούν ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα σε απόσταση r) μειώνεται με την αύξηση της απόστασης r από τον πυρήνα αλλά πουθενά δεν γίνεται ίση με μηδέν (Σχήμα 1-30).

Σχήμα 1-30: α) Απεικόνιση της πυκνότητας του ηλεκτρονιακού νέφους του ατόμου του υδρογόνου με πυκνότητα χρώματος (η πυκνότητα έχει μεγαλύτερη τιμή στο κέντρο (έντονο χρώμα) και ελαττώνεται προοδευτικά καθώς αυξάνει η απόσταση από τον πυρήνα β) Γραφική παράσταση της πυκνότητας του ηλεκτρονιακού νέφους προς την απόσταση από τον πυρήνα (r) (η πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους ελαττώνεται προοδευτικά με την απόσταση από τον πυρήνα αλλά δεν γίνεται ποτέ μηδέν (τείνει ασυμπτωτικά προς το μηδέν) Επομένως στο ελεύθερο άτομο δεν μπορεί να προσδιορισθεί ακριβής ακτίνα (r) όπου βρίσκονται τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας. Ως ατομική ακτίνα σε ένα ελεύθερο άτομο μπορούμε να θεωρήσουμε την απόσταση του πυρήνα από το χώρο όπου υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα να βρίσκονται τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας του ατόμου. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι ή μέτρηση της ατομικής ακτίνας δεν είναι εφικτή στο ελεύθερο άτομο. Είναι όμως δυνατό, να προσδιορισθεί πειραματικά η ατομική ακτίνα, σε άτομα του ίδιου στοιχείου που συνδέονται

1 Πειραματικά δεδομένα για την μεταβολή της ατομικής ακτίνας, μεταβολής στην ενέργεια ιοντισμού από στοιχείο σε στοιχείο καθώς μετακινούμαστε στον περιοδικό πίνακα.

Ενότητα 1.2.7 : Περιοδικός πίνακας και ατομική ακτίνα των στοιχείων

Περιοδική τάση των στοιχείων

Οι ιδιότητες των στοιχείων μεταβάλλονται

προοδευτικά στον περιοδικό πίνακα (π.π.)

ατομική ακτίνα ηλεκτρονιοσυγγένεια ενέργειαιοντισμού ηλεκτραρνητικότητα

φορτίο του πυρήνατων στοιχείων

τα e- τηςεξωτερικής

στιβάδας τωνστοιχείων

ομάδα του(π.π.)

ομάδα ή περίοδο του (π.π.)

περίοδο του(π.π.)

ομάδα του (π.π.)

περίοδο του(π.π.)

περίοδο του(π.π.)

ομάδα του(π.π.)

περίοδο του(π.π.)

το δραστικό πυρηνικό φορτίο

αναφέρεται στογεγονός ότι

οι οποίες εξαρτώνταικυρίως από

οι οποίες εξαρτώνταικυρίως από

οι κύριες ιδιότητες των στοιχείων που μεταβάλλονται είναι

αυξάνει απόεπάνω πρός τα κάτω σε

κάθε

μεταβάλλεται ελάχισταστα στοιχεία μετάπτωσης

σε κάθε

αυξάνει απόδεξιά πρός

τα αριστερά σεκάθε

αυξάνει απόεπάνω πρόςτα κάτω σε

κάθε

αυξάνει απόαριστερά πρόςτα δεξιά σε

κάθε

αυξάνει ελαφράαπό αριστερά πρός

τα δεξιά σε κάθε περίοδοστα στοιχεία μετάπτωσης

αυξάνει απόκάτω πρός τα επάνω

σε κάθε

που ελαττώνεται απότα e- των

εσωτερικών στιβάδωνκαι έχουμε

αυξάνει απο αριστεράπρός τα δεξιά σε κάθε

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΤΩΝ ΕΝΟΤΗΤΩΝ 1.2.7 και 1.2.8 - "ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΚΑΙ ΑΤΟΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΑ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ" ΚΑΙ "ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ"

μεταξύ τους με κάποιο χημικό δεσμό εάν κάνουμε την παραδοχή ότι η ατομική ακτίνα είναι ίση με το μισό της απόστασης μεταξύ των πυρήνων τους. Πώς ορίζεται επομένως η ατομική ακτίνα;

Η ατομική ακτίνα ορίζεται ως το μισό της απόστασης μεταξύ των πυρήνων δύο γειτονικών ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα του στοιχείου.

Σχήμα 1-31: Η ακτίνα στην περίπτωση του ατόμου αυτού του Σχήματος είναι d/2

Ας εξετάσουμε στο σημείο αυτό τον σκοπό (ii) της ενότητας και ποιο συγκεκριμένα:

• Πώς μεταβάλλεται η ατομική ακτίνα κατά μήκος μίας ομάδας ή περιόδου του περιοδικού πίνακα

• Πώς ερμηνεύεται αυτή η μεταβολή με την βοήθεια του περιοδικού πίνακα και κυρίως με βάση το κβαντομηχανικό πρότυπο (ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων)

• Πώς μπορεί να υπάρξει πρόβλεψη για την ατομική ακτίνα ενός ατόμου Mεταβολή της Ατομικής Ακτίνας κατά Μήκος μίας Ομάδας του Περιοδικού Πίνακα Καθώς μετακινούμαστε προς τα κάτω σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα δύο είναι οι παράμετροι σύμφωνα με το κβαντομηχανικό πρότυπο (ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων) που επιδρούν στην ατομική ακτίνα:2

Το δραστικό πυρηνικό φορτίο (δες ορισμό του δραστικού πυρηνικού φορτίου στην σελίδα 64) που ενεργεί στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας

Η ενεργειακή στάθμη που τοποθετούνται τα εξωτερικά ηλεκτρόνια (καθορίζεται από τον κύριο κβαντικό αριθμό).

Το δραστικό πυρηνικό φορτίο δεν μεταβάλλεται καθώς μετακινούμαστε προς τα κάτω σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα καθώς η αύξηση στο φορτίο του πυρήνα αντισταθμίζεται από αντίστοιχη αύξηση στο φορτίο των ενδιάμεσων ηλεκτρονίων (ηλεκτρονίων που βρίσκονται ανάμεσα στον πυρήνα και στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας). Για παράδειγμα ας εξετάσουμε το δραστικό πυρηνικό φορτίο στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας στο άτομο του 4Be και του 20Ca που ανήκουν στην ομάδα 2 του περιοδικού πίνακα (Σχήμα 1-32) Όπως φαίνεται παραστατικά και στο Σχήμα 1-32 το δραστικό πυρηνικό φορτίο είναι περίπου +2 και στις δύο περιπτώσεις και επομένως επηρεάζει το ίδιο τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας και επομένως την ατομική ακτίνα.

2 Οι παράμετροι που επιδρούν στην ατομική ακτίνα είναι: i) Δραστικό πυρηνικό φορτίο ii) Ενεργειακή στάθμη των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας (κύριος κβαντικός αριθμός στιβάδας).

90

Αντίθετα η ενεργειακή στάθμη στην οποία τοποθετούνται τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας (n=2 στο Be και n=4 στο Ca) καθορίζει την ατομική ακτίνα3 κατά μήκος μίας ομάδας του περιοδικού πίνακα. Στην συγκεκριμένη περίπτωση η ατομική ακτίνα του Ca αναμένεται να είναι μεγαλύτερη από του Be καθώς τα ηλεκτρόνια στη περίπτωση του Ca τοποθετούνται σε ενεργειακή στάθμη με υψηλότερη ενέργεια. Τα πειραματικά δεδομένα επαληθεύουν την παραπάνω πρόβλεψη (επεξήγηση) που δίνεται με την βοήθεια του κβαντομηχανικού προτύπου (ηλεκτρονιακές δομές των ατόμων). Η ατομική ακτίνα του Be έχει προσδιορισθεί πειραματικά ότι είναι 1,11 Å ενώ του Ca 1,97 Å4. Αντίστοιχα και στις άλλες ομάδες του περιοδικού πίνακα παρατηρείται ότι η ατομική ακτίνα αυξάνει καθώς μετακινούμαστε από επάνω προς τα κάτω (Σχήμα 1-33). Επομένως με βάση τα παραπάνω:

Όσο περισσότερες στιβάδες υπάρχουν σε ένα άτομο τόσο μεγαλύτερο είναι το άτομο. Σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα η ατομική ακτίνα αυξάνει καθώς μετακινούμαστε από επάνω προς τα κάτω.

Σχήμα 1-32: Δραστικό πυρηνικό φορτίο στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας στην περίπτωση του 4Βe και του 20Ca (ομάδα 2 του περιοδικού πίνακα). Είναι φανερό ότι το δραστικό πυρηνικό φορτίο στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας είναι +2 και στις δύο περιπτώσεις. Mεταβολή της Ατομικής Ακτίνας κατά Μήκος μίας Περιόδου του Περιοδικού Πίνακα Καθώς μετακινούμαστε σε μία περίοδο του περιοδικού πίνακα από αριστερά προς τα δεξιά η παράμετρος που επιδρά στην ατομική ακτίνα των στοιχείων είναι:

3 Παράγοντας που τελικά καθορίζει την ατομική ακτίνα κατά μήκος μίας ομάδας του περιοδικού πίνακα: Η ενεργειακή στάθμη των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας (κύριος κβαντικός αριθμός στιβάδας) 4 1 Å = 10-10 m

91

Το δραστικό πυρηνικό φορτίο που ενεργεί στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας

Ας εξετάσουμε για παράδειγμα τα στοιχεία της τρίτης περιόδου του περιοδικού πίνακα. Καθώς μετακινούμαστε από το 11Na προς τα υπόλοιπα στοιχεία της τρίτης περιόδου προστίθεται σε κάθε επόμενο στοιχείο ένα πρωτόνιο στον πυρήνα του ατόμου και ένα ηλεκτρόνιο στην εξωτερική στιβάδα αλλά ο αριθμός των ενδιάμεσων ηλεκτρονίων παραμένει σταθερός. Επομένως το δραστικό πυρηνικό φορτίο αυξάνει (Πίνακας 1-10 και Σχήμα 1-34). Το αποτέλεσμα της αύξησης του δραστικού πυρηνικού φορτίου που ενεργεί στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας καθώς μετακινούμαστε από το 11Na προς το 17Cl (από περίπου +1 έως περίπου +5) έχει ως αποτέλεσμα την ισχυρότερη έλξη των εξωτερικών ηλεκτρονίων από τον πυρήνα και συνεπώς την ελάττωση της ατομικής ακτίνας.

Σχήμα 1-33: Ατομική ακτίνα των στοιχείων της υποομάδας Α του περιοδικού πίνακα σε Αngstrom (Å). Η ατομική ακτίνα μεταβάλλεται περιοδικά σε συνάρτηση με τον ατομικό

αριθμό του στοιχείου. Τα πειραματικά δεδομένα επαληθεύουν την παραπάνω πρόβλεψη (επεξήγηση) που δίνεται με την βοήθεια του κβαντομηχανικού προτύπου (ηλεκτρονιακές δομές των ατόμων). Η ατομική ακτίνα του Na έχει προσδιορισθεί πειραματικά ότι είναι 1,86 Å ενώ του Cl 0,99 Å. Αντίστοιχα και στις άλλες περιόδους του περιοδικού πίνακα παρατηρείται ότι η ατομική ακτίνα αυξάνει καθώς μετακινούμαστε από δεξιά προς τα αριστερά (Σχήμα 1-33) Επομένως με βάση τα παραπάνω:

Κατά μήκος μίας περιόδου του περιοδικού πίνακα η ατομική ακτίνα αυξάνει από τα δεξιά προς τα αριστερά.

92

Πίνακας 1-10: Yπολογισμός του δραστικού πυρηνικού φορτίου5 στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας του 11Na, 12Mg, 17Cl και συσχέτιση με το μέγεθος της ατομικής ακτίνας (Å).

Στοιχείο

Ηλεκτρονιακή

δομή

Αριθμός ηλεκτρ. εξωτ.

στιβάδας

Αριθμός

ενδιάμεσων ηλεκτρονίων

Δραστικό

πυρηνικό φορτίο (ΖΔ)

ΖΔ = Ζ – (συνολικό φορτίο ενδιάμεσων ηλεκτρονίων)

Ατομική ακτίνα (Å)

11Na

1s22s22p63s1

1

10

+11-10 = +1

1,86

12Mg

1s22s22p63s2

2

10

+12-10 = +2

1,60

17Cl

1s22s22p63s23p5

7

12

+17-12 = +5

0,99

Σχήμα 1-34: Δραστικό πυρηνικό φορτίο στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας στην περίπτωση του 11Na και του 17Cl (περίοδος 3 του περιοδικού πίνακα). Tο δραστικό πυρηνικό φορτίο στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας του Na είναι περίπου +1 [ΖΔ ≈ Ζ – (συνολικό φορτίο ενδιάμεσων ηλεκτρονίων) = +11-10 = +1] ενώ στην περίπτωση του Cl είναι πε- ρίπου ίσο με +5 (ΖΔ ≈ Ζ – (συνολικό φορτίο ενδιάμεσων ηλεκτρονίων) = +17-12 = +5).

5 Δες σχετικά με το δραστικό πυρηνικό φορτίο στην ενότητα 1.1.4

93

Mεταβολή της Ατομικής Ακτίνας στα Στοιχεία Μετάπτωσης 6 Στα στοιχεία μετάπτωσης (στις περιόδους 4, 5, και 6 του περιοδικού πίνακα) παρατηρούμε ότι η ατομική ακτίνα μεταβάλλεται ελάχιστα καθώς μετακινούμαστε από τα αριστερά προς τα δεξιά (από το Sc προς τον Zn στην περίοδο 4 η ατομική ακτίνα ελαττώνεται από 1,62 σε 1,34 Å (Σχήμα 1-35) ενώ από το Κ προς το Βr στην ίδια περίοδο από 2,31 σε 1,14 Å) (Σχήμα 1-33). Η μικρή μεταβολή στην ατομική ακτίνα στα στοιχεία μετάπτωσης μπορεί να ερμηνευθεί με βάση την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων (κβαντομηχανικό πρότυπο) και το δραστικό πυρηνικό φορτίο που ενεργεί στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας τους. Ας εξετάσουμε για παράδειγμα τα στοιχεία μετάπτωσης της τετάρτης περιόδου. Καθώς μετακινούμαστε από το Sc προς τον Zn προστίθεται σε κάθε επόμενο στοιχείο στην σειρά ένα πρωτόνιο στο πυρήνα του και ένα ηλεκτρόνιο σε εσωτερική στιβάδα (θυμηθείτε ότι η αρχικά εξωτερική 3d στιβάδα σταθεροποιείται ενεργειακά καθώς συμπληρώνεται με ηλεκτρόνια και αποκτά χαμηλότερη ενέργεια από την γειτονική υποστιβάδα 4s). Στην περίπτωση επομένως αυτή η μεταβολή στο δραστικό πυρηνικό φορτίο που ενεργεί στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας 4s είναι πολύ μικρή (το δραστικό πυρηνικό φορτίο παραμένει σχεδόν σταθερό) με αποτέλεσμα την μικρή μεταβολή της ατομικής ακτίνας (Πίνακας 1-11).

Σχήμα 1-35: Ατομική ακτίνα των στοιχείων μετάπτωσης του περιοδικού πίνακα σε pm ( 1 Αngstrom (Å) = 102 pm). Η ατομική ακτίνα μεταβάλλεται περιοδικά αλλά ελάχιστα σε συνάρτηση με τον ατομικό αριθμό του στοιχείου. Τα πειραματικά δεδομένα επαληθεύουν την παραπάνω πρόβλεψη (επεξήγηση) που δίνεται με την βοήθεια του κβαντομηχανικού προτύπου (ηλεκτρονιακές δομές των ατόμων). Η ατομική ακτίνα μεταβάλλεται ελάχιστα καθώς μετακινούμαστε στα στοιχεία της υποομάδας Β από τα αριστερά προς τα δεξιά (Σχήμα 1-35). Στο σημείο αυτό αξίζει να εξηγήσουμε ενδεικτικά μερικές από τις εφαρμογές της ατομικής ακτίνας (μεγέθους των ατόμων) στην μελέτη των χημικών ενώσεων και των ιδιοτήτων τους (σκοπός iii στην ενότητα 1.2.7 στην σελίδα 88) χωρίς να χρειάζεται να απομνημονευθούν για τα δεδομένα των εξετάσεων:

• Οι ατομικές ακτίνες μας επιτρέπουν να υπολογίσουμε θεωρητικά και με σχετική ακρίβεια το μήκος του χημικού δεσμού μεταξύ δύο ατόμων σε μία χημική ένωση (απόσταση μεταξύ των ατόμων) κάνοντας την παραδοχή ότι το μήκος του δεσμού είναι ίσο με το άθροισμα των ατομικών ακτίνων των στοιχείων που ενώνονται. Για παράδειγμα στην χημική ένωση AsI3 το μήκος του δεσμού As-I έχει βρεθεί πειραματικά ότι είναι 2,55 Å. Με βάση τις ατομικές ακτίνες των στοιχείων As και I

6 Ερμηνεία της μεταβολής της ατομικής ακτίνας με βάση την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων

94

(Σχήμα 1-33) και εφαρμόζοντας τα παραπάνω μπορούμε να υπολογίσουμε το μήκος του χημικού δεσμού:

Πίνακας 1-11: Yπολογισμός του δραστικού πυρηνικού φορτίου7 στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας του 21Sc, 22Ti, και 30Zn και συσχέτιση με το μέγεθος της ατομικής ακτίνας (Å).

Στοιχείο

Ηλεκτρονιακή δομή

Αριθμός ηλεκτρ. εξωτ.

στιβάδας

Αριθμός

ενδιάμεσων ηλεκτρονίων

Δραστικό πυρηνικό φορτίο (ΖΔ) ΖΔ ≈ Ζ –

(συνολικό φορτίο

ενδιάμεσων ηλεκτρον.)

Ατομ.

ακτίνα (Å)

21Sc

1s22s22p63s23p63d14s2

2

19

+21-19 =

+2

1,62

22Ti

1s22s22p63s23p63d24s2

2

20

+22-20 =

+2

1,47

30Zn

1s22s22p63s23p63d104s2

2

28

+30-28 =

+2

1,34

Θεωρητικός υπολογισμός μήκους δεσμού As-I = Ατομική ακτίνα As + Ατομική ακτίνα Ι = 1,21 Å + 1,33 Å = 2,54 Å Παρατηρούμε ότι ο θεωρητικός υπολογισμός του μήκους του δεσμού προσεγγίζει την πειραματική τιμή.

• Πολλές σημαντικές ιδιότητες των μορίων αλλά ακόμη και η δραστικότητα τους

εξαρτώνται από τις αποστάσεις των ατόμων που τα αποτελούν και επομένως από τις ατομικές ακτίνες τους.

• Το μέγεθος των ιόντων των στοιχείων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο σε βιοχημικές αντιδράσεις καθώς και στο γεγονός ότι ένα ιόν μετάλλου έχει σημαντική βιολογική σημασία ενώ ενός άλλου όχι.

• Το μέγεθος των ιόντων των στοιχείων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην διάταξή τους και ως επακόλουθο στην δομή (Σχήμα 1-36) και στην ενεργειακή σταθερότητα των στερεών που δημιουργούνται από τα ιόντα αυτά.

Για παράδειγμα παρατηρείστε το Σχήμα 1-36 όπου διακρίνεται η διαφορετική διάταξη των ιόντων του Na+ στον κρύσταλλο του NaCl (μοβ σφαίρες) σε σχέση με την διάταξη του περίπου διπλάσιου σε μέγεθος Cs+ (κίτρινη σφαίρα) στον κρύσταλλο του CsCl. Το διαφορετικό μέγεθος των ιόντων του Na+ και του Cs+ (ακτίνα Na+ = 0,95 Å, ακτίνα Cs+ = 1,69 Å) έχει επίδραση στις ηλεκτροστατικές δυνάμεις με τις οποίες έλκονται τα ιόντα Na+ και Cl- και Cs+ και Cl- στις ενώσεις NaCl και CsCl αντίστοιχα. Η ελκτική δύναμη μεταξύ Na+ και Cl- είναι μεγαλύτερη (σε σχέση με την ελκτική δύναμη μεταξύ του Cs+ και Cl-). Αυτό μπορεί να εξηγηθεί καθώς τα ιόντα μπορούν να θεωρηθούν ως σφαίρες με το φορτίο στα κέντρα τους (Σχήμα 1-37) και την μεταξύ τους απόσταση να είναι μικρότερη στην περίπτωση του NaCl και άρα τις ελκτικές δυνάμεις να είναι ισχυρότερες8.

7 Δες σχετικά με το δραστικό πυρηνικό φορτίο στην ενότητα 1.1.4 8 Θυμηθείτε το νόμο του Coulomb F=k.(Q1.Q2/d) και την δύναμη μεταξύ δύο φορτίων Q1 και Q2 σε απόσταση d

95

Πειραματικά αποδεικνύεται ότι πραγματικά απαιτείται υψηλότερη ενέργεια για την διάσπαση του στερεού NaCl σε ιόντα Na+ και Cl- σε αέρια φάση από ότι για την διάσπαση του CsCl σε ιόντα Cs+ και Cl- σε αέρια φάση.

Σχήμα 1-36: Διαφορετική διάταξη των ιόντων του Na+ στον κρύσταλλο του NaCl (μοβ σφαίρες) σε σχέση με την διάταξη του περίπου διπλάσιου σε μέγεθος Cs+ (κίτρινες σφαίρες) στον κρύσταλλο του CsCl.

Σχήμα 1-37: Η ελκτική δύναμη μεταξύ των ιόντων του Na+ και του Cl- στο NaCl είναι μεγαλύτερη από την ελκτική δύναμη μεταξύ του Cs+ και του Cl- στο CsCl λόγω της μικρότερης απόστασης των κέντρων των ιόντων στο NaCl, εξαιτίας του μικρότερου μεγέθους του Na+ σε σχέση με το Cs+ (στο κέντρο των ιόντων θεωρούμε ότι υπάρχει συγκεντρωμένο το φορτίο). Η ελκτική δύναμη είναι ηλεκτροστατική και μπορεί να υπολογισθεί από τον τύπο F=k.(Q1.Q2/d) (νόμος του Coulomb). Tα πειραματικά δεδομένα επιβεβαιώνουν ότι απαιτείται υψηλότερη ενέργεια για την διάσπαση του στερεού NaCl στα ιόντα από τα οποία αποτελείται σε αέρια φάση από την ενέργεια που απαιτείται στην περίπτωση του CsCl. Η αντικατάσταση του Na+ με το μεγαλύτερo σε μέγεθος Cs+ στον κρύσταλλο αλλάζει τόσο την διάταξη όσο και την ενεργειακή σταθερότητα των χημικών ουσιών NaCl και CsCl.

96

Μεθοδολογία #4:

Σύγκριση και ταξινόμηση στοιχείων ως προς την ατομική τους ακτίνα

Για να συγκρίνουμε και ταξινομήσουμε στοιχεία ως προς την ατομική τους ακτίνα εάν τα στοιχεία βρίσκονται στην ίδια περίοδο ή ομάδα του περιοδικού πίνακα ακολουθούμε την Μέθοδο Α: Μέθοδος Α Εάν τα στοιχεία που συγκρίνονται ως προς την ατομική τους ακτίνα βρίσκονται στην ίδια περίοδο ή ομάδα του περιοδικού πίνακα τότε: Βήμα Ι: Εφαρμογή του Σχήματος 1-38 που παραστατικά δείχνει τις κατευθύνσεις αύξησης της ατομικής ακτίνας των στοιχείων στον περιοδικό πίνακα μέσα σε μία περίοδο ή ομάδα:

Σχήμα 1-38: Η ατομική ακτίνα αυξάνει κατά μήκος μίας ομάδας του περιοδικού πίνακα καθώς και σε κάθε περίοδο από δεξιά προς τα αριστερά. Βήμα ΙΙ: Εάν ζητείτε επεξήγηση για την ταξινόμηση των στοιχείων:

97