26.10.2009

1

ZGRADBA ATOMA IN

PERIODNI SISTEM

Kemijske lastnosti elementov se periodično spreminjajo znaraščajočo relativno atomsko maso oziroma kot vemo danes z naraščajočim vrstnim številom.

Dmitrij I. Mendeljejev, v letih 1869 do 1870

Mendeljejev je zelo natančno določil relativne atomske mase nekaterih elementov.

Zamenjal je tudi vrstni red določenih elementov v periodnem sistemu. Tako je postavil Co pred Ni in Te pred I,ne glede na njihovo relativno atomsko maso.

V periodnem sistemu je pustil tri prazna mesta, za še tri takratneodkrite elemente. Te elemente je poimenoval ekabor, ekaaluminij in ekasilicij. Eka v sanskritu pomeni števnik ena.

26.10.2009

2

Značilne lastnosti nekega elementa so pogojene z zgradbo elektronske ovojnice njegovih atomov.

Periodičnost v zgradbi elektronskih ovojnic lahko ponazorimos principom izgradnje (Aufbau princip), ki je v tem, da postopomadodajamo po en elektron in ugotavljamo, katere orbitaleoziroma energijske nivoje zasede.

Elektronska konfiguracija je zgradba elektronske ovojnice atoma.

Princip izgradnje ali zgradbo atomov z več elektroni uravnavajo tri pravila:

1) Paulijev princip

2) vrstni red orbital glede na naraščajočo energijo

3) Hundovo pravilo

26.10.2009

3

Princip izgradnje ali zgradbo atomov z več elektroni uravnavajo tri pravila:

1) Paulijev princip

2) vrstni red orbital glede na naraščajočo energijo

3) Hundovo pravilo

Princip izgradnje ali zgradbo atomov z več elektroni uravnavajo tri pravila:

1) Paulijev princip

2) vrstni red orbital glede na naraščajočo energijo

3) Hundovo pravilo

Princip izgradnje ali zgradbo atomov z več elektroni uravnavajo tri pravila:

1) Paulijev princip

2) vrstni red orbital glede na naraščajočo energijo

3) Hundovo pravilo

PAULIJEV PRINCIP

Dva elektrona v atomu ne moreta imeti enakih vseh štirih kvantnih števil.

26.10.2009

4

PAULIJEV PRINCIP

Dva elektrona v atomu ne moreta imeti enakih vseh štirih kvantnih števil.

V eni orbitali sta zato lahko samo dva elektrona, ki se ločita v spinskem kvantnem številu.

Eden od elektronov ima spin +1/2, drugi pa −1/2.

Pri vodikovem atomu je energija orbitale odvisna le od n.

Pri vodikovem atomu je energija orbitale odvisna le od n.

Pri vodikovem atomu je energija orbitale odvisna le od n. Za atome z več elektroni to ne velja. Energija orbital je odvisna od n in l.

26.10.2009

5

Elektroni iste lupine imajo primerljivo energijo. Elektroni iste lupine imajo primerljivo energijo.

Elektroni iz iste podlupine imajo enako energijo.

Z naraščajočim n se pri večelektronskih atomih razlika med energijskimi nivoji manjša.

26.10.2009

6

Vrstni red stabilnosti orbital lahko razložimo s prodiranjem(penetracijo) elektronov.

Primerjava radialnih delov za litijev atom za valovni funkciji2s in 2p pokaže, da so s orbitale mnogo bolj zgoščene ob jedru kot p orbitale. Pravimo, da elektron v 2s orbitali bolj prodira kot elektron v 2p orbitali.

Vrstni red stabilnosti orbital lahko razložimo s prodiranjem(penetracijo) elektronov.

Primerjava radialnih delov za litijev atom za valovni funkciji2s in 2p pokaže, da so s orbitale mnogo bolj zgoščene ob jedru kot p orbitale. Pravimo, da elektron v 2s orbitali bolj prodirakot elektron v 2p orbitali.

Intenzivnejše prodiranje ima za posledico nižjo energijo orbitale.

Prikaz radialnega dela valovne funkcije za kalijev atompokaže, da 4s elektron dosti bolje prodira celo od3d elektrona.

4s orbitala ima zato nižjo energijo od 3d orbitale.

vrstni red orbital po naraščajoči energiji

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p ...

26.10.2009

7

vrstni red orbital po naraščajoči energiji

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p ...

HUNDOVO PRAVILO

V osnovnem stanju zasedejo elektroni vselej maksimalno število praznih degeneriranih orbital.

Če imajo elektroni na razpolago večje število praznih energijskoenakovrednih orbital, jih zasedejo posamič, tako, da imajoenaka spinska kvantna števila. Takšno stanje je namreč stabilnejše.

Elektroni se zaradi naboja izogibajo drug drugemu.

IZJEME

Elektronske konfiguracije nekaterih elementov so drugačne odtistih, ki bi jih dobili z upoštevanjem gornjih pravil.

Cr [Ar] 4s1 3d5 in ne Cr [Ar] 4s2 3d4

Cu [Ar] 4s1 3d10 in ne Cu [Ar] 4s2 3d9

26.10.2009

8

IZJEME

Elektronske konfiguracije nekaterih elementov so drugačne odtistih, ki bi jih dobili z upoštevanjem gornjih pravil.

Cr [Ar] 4s1 3d5 in ne Cr [Ar] 4s2 3d4

Cu [Ar] 4s1 3d10 in ne Cu [Ar] 4s2 3d9

Razlog je v tem, da so konfiguracije s po enim ali dvema elektronoma v vseh orbitalah določene podlupine stabilnejše.

Stanje s polovično ali polno zasedenimi orbitalami je stabilnejše.

kovine prehoda

žlahtni plini

lantanoidi in aktinoidi

glavna skupina

glavna skupina

Položaj vodika v periodnem sistemu je nekoliko nenavaden.

Vodikova elektronska konfiguracija je 1s1.

Na osnovi elektronske konfiguracije ga uvrščamo v I. skupino,čeprav je nekovina.

V nekaterih periodnih sistemih je položaj vodika ločenod ostalih elementov.

Prehodni elementi imajo v vseh oksidacijskih stanjih le delno zasedene d orbitale.

26.10.2009

9

Prehodni elementi imajo v vseh oksidacijskih stanjih le delno zasedene d orbitale.

Če atomi prehodnih elementov oddajo elektrone, se najprej praznijo s orbitale, nato šele d orbitale.

Cr [Ar] 4s1 3d5 Cr2+ [Ar] 3d4

Au [Xe] 6s1 4f14 5d10 Au3+ [Xe] 4f14 5d8

Prehodni elementi imajo v vseh oksidacijskih stanjih le delno zasedene d orbitale.

Če atomi prehodnih elementov oddajo elektrone, se najprej praznijo s orbitale, nato šele d orbitale.

Cr [Ar] 4s1 3d5 Cr2+ [Ar] 3d4

Au [Xe] 6s1 4f14 5d10 Au3+ [Xe] 4f14 5d8

Elementi Zn, Cd in Hg ne sodijo med prehodne elemente, kerimajo vedno polno zasedene d orbitale.

Prehodni elementi imajo v vseh oksidacijskih stanjih le delno zasedene d orbitale.

Če atomi prehodnih elementov oddajo elektrone, se najprej praznijo s orbitale, nato šele d orbitale.

Cr [Ar] 4s1 3d5 Cr2+ [Ar] 3d4

Au [Xe] 6s1 4f14 5d10 Au3+ [Xe] 4f14 5d8

Elementi Zn, Cd in Hg ne sodijo med prehodne elemente, kerimajo vedno polno zasedene d orbitale.

Zn [Ar] 4s2 3d10 Zn2+ [Ar] 3d10

Cd [Kr] 5s2 4d10 Cd2+ [Kr] 4d10

Hg [Xe] 6s2 5d10 Hg2+ [Xe] 5d10

Elektronsko konfiguracijo odčitamo iz periodnega sistema.

26.10.2009

10

Elektronsko konfiguracijo odčitamo iz periodnega sistema.

Kemijske lastnosti elementa so določene z elektronsko konfiguracijo zadnje lupine.

Elektronsko konfiguracijo odčitamo iz periodnega sistema.

Kemijske lastnosti elementa so določene z elektronsko konfiguracijo zadnje lupine.

Elementi v isti skupini periodnega sistema imajo enako številoelektronov na zunanji lupini.

Elektronsko konfiguracijo odčitamo iz periodnega sistema.

Kemijske lastnosti elementa so določene z elektronsko konfiguracijo zadnje lupine.

Elementi v isti skupini periodnega sistema imajo enako številoelektronov na zunanji lupini.

Elektroni na zunanji lupini se imenujejo valenčni elektroni.

Elektronsko konfiguracijo odčitamo iz periodnega sistema.

Kemijske lastnosti elementa so določene z elektronsko konfiguracijo zadnje lupine.

Elementi v isti skupini periodnega sistema imajo enako številoelektronov na zunanji lupini.

Elektroni na zunanji lupini se imenujejo valenčni elektroni.

Zaradi periodične elektronske zgradbe se spreminjajo periodično tudi nekatere fizikalne lastnosti elementov.

26.10.2009

11

Fizikalne lastnosti elementov, ki se periodično spreminjajo:

1) atomski radiji

2) ionizacijska energija

3) elektronska afiniteta

Fizikalne lastnosti elementov, ki se periodično spreminjajo:

1) atomski radiji

2) ionizacijska energija

3) elektronska afiniteta

Fizikalne lastnosti elementov, ki se periodično spreminjajo:

1) atomski radiji

2) ionizacijska energija

3) elektronska afiniteta

Fizikalne lastnosti elementov, ki se periodično spreminjajo:

1) atomski radiji

2) ionizacijska energija

3) elektronska afiniteta

26.10.2009

12

Radialni del valovne funkcije R(r)inradialna porazdelitev verjetnosti nahajanja elektrona 4πr2[R(r)]2

se z večanjem radija asimptotično približujejo nič.

Zato je z matematičnega stališča je nemogoče določiti velikost atoma oziroma njegov radij.

Dejansko pa atomi le malokdaj nastopajo posamič, običajnoso povezani v molekule ali kristale.

Radij atoma je tako mogoče definirati kot polovično razdaljo med dvema istovrstnima atomoma v molekuliali kristalu.

Določitev otežuje dejstvo, da so radiji odvisni od vrste vezi, kot tudi od števila atomov, s katerimi se veže določen atom.

Radij atomov po skupini periodnega sistema navzdol narašča.

26.10.2009

13

Radij atomov po skupini periodnega sistema navzdol narašča. Radij atomov po skupini periodnega sistema navzdol narašča. Npr. v I. skupini radij narašča od Li do Cs

Zunanji elektron je namreč ob naraščanju glavnega kvantnega števila v vse večji orbitali, 2s pri Li oz. 6s pri Cs. Prav tako je zunanji elektron zasenčen pred vplivom jedra z notranjimi elektroni.

Atomski radiji se v določeni periodi zmanjšujejo od leve protidesni.

26.10.2009

14

Atomski radiji se v določeni periodi zmanjšujejo od leve protidesni.

Atomski radiji se v določeni periodi zmanjšujejo od leve protidesni. Npr. perioda od Li do F ali Na do Cl

Razlog je v tem, da se zunanji elektroni med seboj zelo slabo senčijo, naboj jedra pa narašča od elementa do elementa. Jedro tako vse močneje privlači zunanje elektrone.

Spreminjanje radijev med prehodnimi elementi

Radiji se le malo spreminjajo.

Polnijo se notranje 3d in 4d orbitale, zunanja orbitala 4s ali5s pa je polna. Privlak jedra je tako za vse elemente približnoenak.

Radiji se zmanjšujejo, ker elektroni v d orbitalah le malo senčijo zunanje elektrone pred vplivom jedra.

26.10.2009

15

Podobno razložimo zmanjševanje radija med lantanoidi. Pojav se imenuje lantanoidna kontrakcija.

Radij se po periodi zmanjšuje. Ker je v periodi 14 elementov, je radij zadnjega elementa Lu že bistvenomanjši od radija Ce.

Zato imajo 5d elementi, ti namreč sledijo 4f elementom, približno enake radije kot 4d elementi.

Posledica so zelo podobne lastnosti 4d in 5d elementov, npr. Zr in Hf ali Nb in Ta.

IONSKI RADIJI

Radij kationa je precej manjši od radija atoma.

IONSKI RADIJI

Radij kationa je precej manjši od radija atoma.

IONSKI RADIJI

Radij aniona je precej večji od radija atoma.

26.10.2009

16

IONSKI RADIJI

Radij aniona je precej večji od radija atoma.

IONSKI RADIJI

Preglednica. Radiji ionov [Å] z enakim številom elektronov

C4− N3− O2− F− Na+ Mg2+ Al3+ Si4+

2,60 1,71 1,40 1,36 0,95 0,65 0,50 0,41

IONIZACIJSKA ENERGIJA

Je energija, ki je potrebna, da izoliranemu atomu v osnovnem stanju odstranimo elektron.

Ta proces je vedno endotermen.

Podajamo jo v kJ/mol ali v eV.

1 eV je kinetična energija elektrona, ki se pospešiv električnem polju 1 V.

1 eV = 96,47 kJ/mol

Bolj kot jedro privlači elektron, težje je atomu odvzeti ta elektron.

26.10.2009

17

Bolj kot jedro privlači elektron, težje je atomu odvzeti ta elektron.

Po skupini periodnega sistema navzdol se ionizacijske energijezmanjšujejo, saj je elektron ob približno enakem privlaku jedra vse bolj oddaljen od jedra atoma.

Bolj kot jedro privlači elektron, težje je atomu odvzeti ta elektron.

Po skupini periodnega sistema navzdol se ionizacijske energijezmanjšujejo, saj je elektron ob približno enakem privlaku jedra vse bolj oddaljen od jedra atoma.

Po periodah, od leve proti desni, ionizacijske energije naraščajo,saj efektivni naboj jedra narašča.

Bolj kot jedro privlači elektron, težje je atomu odvzeti ta elektron.

Po skupini periodnega sistema navzdol se ionizacijske energijezmanjšujejo, saj je elektron ob približno enakem privlaku jedra vse bolj oddaljen od jedra atoma.

Po periodah, od leve proti desni, ionizacijske energije naraščajo,saj efektivni naboj jedra narašča.

Alkalijske kovine, elementi od Li do Cs, imajo v splošnem majhnevrednosti ionizacijskih energij.

Bolj kot jedro privlači elektron, težje je atomu odvzeti ta elektron.

Po skupini periodnega sistema navzdol se ionizacijske energijezmanjšujejo, saj je elektron ob približno enakem privlaku jedra vse bolj oddaljen od jedra atoma.

Po periodah, od leve proti desni, ionizacijske energije naraščajo,saj efektivni naboj jedra narašča.

Alkalijske kovine, elementi od Li do Cs, imajo v splošnem majhnevrednosti ionizacijskih energij.

Najvišje ionizacijske energije srečamo pri žlahtnih plinih.

26.10.2009

18

Energija, ki je potrebna, da atomu odvzamemo prvi elektron, je manjša od energije, ki je potrebna za odvzem drugega innadaljnih elektronov.

Z odstranjevanjem elektronov se naboj veča in jedro vse boljprivlači preostale elektrone.

IE1 (Li) = 5,4 eVIE2 (Li) = 75,6 eV

IE1 (Na) = 5,1 eVIE2 (Na) = 47,1 eV

26.10.2009

19

IE(Al) < IE(Mg) IE(S) < IE(P)

ELEKTRONSKA AFINITETA

Je energija, ki se sprosti ali porablja, če atom v plinastem stanju sprejme en elektron.

ELEKTRONSKA AFINITETA

Je energija, ki se sprosti ali porablja, če atom v plinastem stanju sprejme en elektron.

F(g) + e− → F−(g) EA = −322,2 kJ/mol

ELEKTRONSKA AFINITETA

Je energija, ki se sprosti ali porablja, če atom v plinastem stanju sprejme en elektron.

F(g) + e− → F−(g) EA = −322,2 kJ/mol

F [He] 2s2 2p5 → F− [He] 2s2 2p6 ali [Ne]

Fluoridni ion ima stabilnejšo elektronsko konfiguracijood atoma fluora, zato je proces eksotermen.

26.10.2009

20

EA za sprejem prvega elektrona so večinoma eksotermne, ker pride elektron pod vpliv električnega polja jedra.

EA za sprejem prvega elektrona so večinoma eksotermne, ker pride elektron pod vpliv električnega polja jedra.

EA za sprejem drugega elektrona pa je vedno endotermna, ker le-tega sprejme ion, ki je negativno nabit.

O(g) + e− → O−(g) EA = −142 kJ/mol

O−(g) + e− → O2−(g) EA = +801 kJ/mol

O(g) + e− → O2−(g) EA = +659 kJ/mol

EA za sprejem prvega elektrona so večinoma eksotermne, ker pride elektron pod vpliv električnega polja jedra.

EA za sprejem drugega elektrona pa je vedno endotermna, ker le-tega sprejme ion, ki je negativno nabit.

O(g) + e− → O−(g) EA = −142 kJ/mol

O−(g) + e− → O2−(g) EA = +801 kJ/mol

O(g) + e− → O2−(g) EA = +659 kJ/mol

26.10.2009

21

Elektronskih afinitet se ne da izmeriti.

Določijo se računsko, npr. iz Haber-Bornovega cikla.