Raggio atomico ed energia di ionizzazione nella tavola periodica

VGVS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TORINO

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CAPITOLO 5

LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

start@unitoLA TAVOLA PERIODICA Scienziati come Mendeleev e Meyer avevano osservato che le proprietà chimiche degli elementi si ripetevano in modo periodico. Tutto ciò ha convinto a ordinare gli elementi secondo quella che viene chiamata TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI. Nella formulazione moderna, gli elementi sono stati ordinati, secondo numeri atomici crescenti, lungo 7 file orizzontali, chiamate periodi, e lungo 18 colonne verticali, chiamate gruppi (o famiglie).

H He Li Be B C 0 F Ne Na Mg Al Si P S CI Ar K Ca SC Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo TC Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te 1 Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fi MC LV TS 0g Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm BK Cf Es Fm Md No Lr

Gruppi e Periodi

start@unitoGruppi Periodi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA 1 2 1 H He 2 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 0 9 F 10 Ne 3 11 Na 12 Mg IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB 13 AL 14 Si 15 P 16 S 17 CL 18 Ar 4 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 5 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 6 55 Cs 56 Ba 57 La 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 TL 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 7 87 Fr 88 Ra 89 Ac 104 Rf Db Sg Bh | Hs | Mt | Ds 111 Rg Cn Nh 112||113:114||115||116: i Lv Fi Mc 117 Ts 118 0g 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am I 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es :100 Fm Md : No Lr metalli alcalini metalli alcalino-terrosi non metalli metalli di transizione metalloidi alogeni altri metalli lantanidi e attinidi gas nobili

CONFIGURAZIONI ELETTRONICHE E PROPRIETA CHIMICHE

start@ unito 101||102||103: IA IIACONFIGURAZIONI ELETTRONICHE E PROPRIETA CHIMICHE Gli elementi chimici che presentano analoga configurazione elettronica (lo stesso numero di elettroni nel livello elettronico più esterno, detto livello di valenza) hanno anche analoghe proprietà chimiche (aspetto delle sostanze allo stato elementare, reattività, capacità di dare composti con determinati elementi) Quando due o più atomi reagiscono fra loro si ha un'interazione tra gli elettroni più esterni (di valenza). Il numero di elettroni e la loro distribuzione negli orbitali atomici determina il tipo e il numero di legami che un atomo può formare con altri atomi

1 H 2 He 3 Li Li Na 1s2 2s1 1s2 2s2 2p6 3s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 Hanno tutti configurazione esterna ns1 (n numero quantico principale) cioè 1 solo elettrone nel livello più esterno

10 Ne 11 Na 18 Ar 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 36 Kr 37 Rb 54 Xe 55 Cs 86 Rn r 1118! 1 Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut : Fi Uup]] Lv U ¡ UUo I

Configurazione Elettronica dei Gas Nobili

starts rt@ unito La configurazione elettronica degli elementi dell'ottavo gruppo cioè i gas nobili è ns2 np6 (He 1s2 non ci sono funzioni p per n = 1 ... ). Tutti i sottolivelli s e p sono completamente occupati. Gli elettroni dei livelli pieni non prendono parte alle reazioni chimiche quindi questi elementi sono inerti

87 Fr KCONCETTO DI CARICA NUCLEARE EFFETTIVA Z eff La carica nucleare effettiva (o efficace), Zeff, è la carica di cui realmente risente un elettrone del livello di valenza in un atomo polielettronico. Si dice "effettiva" perché, a causa dell'effetto di schermo degli elettroni degli strati più interni (in inglese elettroni di core), gli elettroni dell'ultimo strato (elettroni di valenza) non risentono totalmente della carica nucleare. Zeff è pari alla carica nucleare Z sottratta della carica degli elettroni interni:

IA VIIIA 1 H 2 He IIA IIIA IVA VA VIA VIIA 3 Li 4 Be 5 B 6 7 N 8 0 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg 13 AL 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar

Calcolo della Carica Nucleare Effettiva

Li (Z = 3, Conf. = 1s2, 2s1) Zeff = Z - 2 = 3 - 2 = 1 Na (Z = 11, Conf. = 1s2, 2s2, 2p6, 3s1) Zeff = Z - 10 = 11 - 10 = 1 B (Z = 5, Conf. = 1s2, 2s2, 2p1) Zeff = Z - 2 = 5 - 2 = 3 P (Z = 15, Conf. = 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p3) Zeff = Z - 2 = 15 - 10 = 5

PROPRIETÁ PERIODICHE

start@ unito CPROPRIETÁ PERIODICHE Ci sono delle grandezze caratteristiche di ogni atomo i cui valori variano in modo regolare (periodico) lungo i periodi e i gruppi della tavola periodica:

• raggio atomico ra
• · energia di ionizzazione EI
• · affinità elettronica AE
• · elettronegatività EN

Raggio Atomico

start@ unito· Raggio atomico ra Gli atomi non possiedono confini ben definiti, a causa del principio di indeterminazione di Heisemberg; tuttavia, quando gli atomi si impacchettano a costituire i solidi o le molecole, i loro nuclei si collocano a una distanza ben definita l'uno dall'altro Il raggio atomico di un elemento si definisce come la metà della distanza che separa i nuclei di due atomi contigui di quell'elemento 2r

Andamento del Raggio Atomico

start@ unitoIl raggio atomico aumenta generalmente discendendo lungo un gruppo e diminuisce procedendo da sinistra verso destra lungo il periodo Diminuzione Aumento - Raggio atomico Fattori che determinano questo andamento: 1) Numero quantico principale n (invariato lungo il periodo, aumenta lungo un gruppo) 2) Effetto schermante la carica positiva del nucleo, da parte degli elettroni presenti nei livelli interni. 3) Aumento del numero atomico e quindi della carica nucleare Scendendo lungo un gruppo: 1) Gli elettroni esterni vanno ad occupare spazi via via più lontani dal nucleo (n aumenta) 2) Gli elettroni esterni risentono sempre meno dell'attrazione da parte del nucleo sia per la distanza che per l'effetto schermante degli elettroni interni Procedendo da sinistra verso destra lungo un periodo 3) Aumenta il numero atomico e quindi la carica nucleare ma la schermatura rimane costante perchè non variano gli elettroni di core -> aumenta l'attrazione che il nucleo esercita sugli elettroni (ogni elettrone risente in modo indipendente dagli altri dell'attrazione da parte del nucleo)

Raggio Atomico degli Ioni

start@ unito· Raggio atomico degli IONI Be Bé 2+ r = 1.12 Å r = 0,59 Å Gli ioni positivi sono sempre più piccoli dei corrispondenti atomi: questo perché spesso si eliminano tutti gli elettroni del guscio di valenza 2 + Mg Mg r = 1.60 Å r = 0,85 Å FC F r = 0,72 Å r = 1,19 Å CI CÍ r = 1.00 Å r = 1,67 Å Gli ioni negativi hanno la stessa carica nucleare dell'atomo neutro, ma aumenta la repulsione tra gli elettroni con aumento delle dimensioni.

Energia di Ionizzazione

start@ unito· Energia di ionizzazione EI L'energia di ionizzazione è l'energia richiesta per allontanare un elettrone da un atomo e portarlo a distanza infinita A ‘gas + E A+ gas + e- Energia che si deve fornire (è tra i reagenti!) Tale processo non è spontaneo (richiede energia) e tutte le energie di ionizzazione hanno segno positivo Oltre all'energia di prima ionizzazione, si possono definire in modo analogo le energie di seconda e terza ionizzazione: energia di seconda ionizzazione A + gas + E > A2+ gas + e- energia di terza ionizzazione A2+ gas + E > A3+ gas + e-

Confronto tra Energie di Ionizzazione

start@unitoL'energia di seconda ionizzazione di un elemento è sempre maggiore della corrispondente energia di prima ionizzazione. Occorre maggiore energia per allontanare un elettrone da uno ione carico positivamente che da un atomo neutro. Allo stesso modo l'energia di terza ionizzazione è sempre maggiore della corrispondente energia di seconda ionizzazione. Per gli elementi del gruppo 1 l'energia di seconda ionizzazione è considerevolmente superiore a quella di prima ionizzazione mentre nel gruppo 2 le due energie sono comparabili. Gli elementi del gruppo 1 hanno configurazione elettronica dello strato di valenza ns1; l'allontanamento del primo elettrone richiede poca energia, mentre il secondo elettrone deve allontanarsi dal core tipo del gas nobile che precede l'elemento. Gli elettroni di core hanno numero quantico principale inferiore e sono molto più vicini al nucleo: ne sono attratti e per allontanarli è necessaria molta energia. Un ragionamento analogo vale per l'energia di terza ionizzazione passando dal secondo al terzo gruppo.

Andamento dell'Energia di Ionizzazione

start@ unitoEI diminuisce scendendo lungo un gruppo: gli elettroni sono meno attratti dal nucleo perchè a parità di Zeff, essi occupano livelli energetici a n più elevato e quindi più lontani dal nucleo (raggio atomico maggiore) EI aumenta da sx a dx lungo un periodo: gli elettroni sono più attratti dal nucleo perche aumenta da carica nucleare effettiva Zeff che agisce sugli elettroni esterni (aumenta la carica del nucleo ma non la schermatura) e diminuisce la distanza dal nucleo (raggio atomico minore) Aumento Diminuzione Energia di Ionizzazione

Affinità Elettronica

start@ unitoAffinità Elettronica AE L'affinità elettronica è l'energia che viene liberata quando un elettrone viene aggiunto ad un atomo A "gas + e- > A- + E e Energia che viene liberata (è tra i prodotti!) In linea di massima, AE aumenta da sx a dx lungo un periodo a causa dell'aumento della carica nucleare effettiva Zeff che agisce sugli elettroni esterni e della diminuzione del raggio atomico AE diminuisce scendendo dall'alto in basso in un gruppo perchè gli elettroni sono meno attratti dal nucleo (a parità di Zeff, essi occupano livelli energetici a n più elevato e quindi più lontani) Un'affinità elettronica elevata (valori molto negativi) significa che la cattura di un e- da parte dell'atomo libera una grande quantità di energia quindi è favorita Gli elementi con valori di affinità elettronica elevati acquistano facilmente elettroni per formare ioni negativi (anioni) Aumento Diminuzione Affinità Elettronica

Elettronegatività

start@ unitoElettronegatività EN L'elettronegatività è una misura relativa della capacità di un atomo elettroni di un altro atomo con cui è legato chimicamente (in una molecola) di attirare gli acido fluoridrico: H-F 8- 8+ H F La carica nucleare effettiva Zeff del F (7) è maggiore della Zeff di H (1) così gli elettroni di legame sono attratti maggiormente dal F (è più probabile trovare gli e- vicino a F che non vicino a H) Lo sbilanciamento della carica elettronica genera un dipolo elettrico (due poli, uno positivo, 8+, e uno negativo, 8-)