periodni sistem elemenata -...

Neorganska hemija 1 102A1

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


Zajednički timovi naučnika iz Rusije i Amerike objavili su dokaze o sintezielemenata 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).

Neorganska hemija 1 102A13/43


Kratka istorija modernog Peridnog sistema elemenata (PSE)

• Tokom XIX veka hemičari su počeli da kategorizuju elemente prema sličnostinjihovih 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 elementepoređali prema porastu atomskih masa.

Дмитрий Иванович Менделеев1834 - 1907

Lothar Meyer1830 - 1895



Mendeljejev je 1869. godine objavio svoj prvi periodni sistem elemenata u kome jeelemente svrstao po rastućim relativnim atomskim masama i sličnosti u fizičkim ihemijskim svojstvima, a 1871. objavljuje novi, poboljšani periodni sistem:

1. Relativna atomska masa određuje svojstva elementa2. Elementi poređani po porastu relativnih atomskih masa pokazuju periodičnost

fizičkih i hemijskih svojstava, odnosno posle izvesnog broja dolaze ponovoelementi sličnih fizičkih i hemijskih svojstava

3. Elementi koji nedostaju još nisu otkriveni (predvideo je fizička svojstva do tadatri nepoznata elemenata - Sc, Ga, Ge)

4. Relativne atomske mase elemenata moraju odgovarati položaju elementa utablici



• 1913. Henry Moseley je, radeći sa X-zracima, uveokoncept atomskih brojeva elemenata. Preuredio jeelemente prema porastu atomskog broja.

Henry Moseley 1887-1915

• Uvođenje koncepta atomskog broja razrešilo jeprobleme ranijih verzija PSE gde su elementi bilipoređani 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)

Mozlijev zakonKada se elementi poređaju prema porastu atomskog broja tada postoji periodični obrazac u njihovim fizičkim i hemijskim svojstvima.



Mozlijev eksperiment – katodni zraci bombarduju anodunapravljenu od elementa koji se ispituje. Anoda emitujezračenje određene talasne dužine i frekvencije. Talasnadužina (frekvencija) emitovanog karakterističnog zračenjazavisi 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.



Glenn T. Seaborg1912 -1999

• 1944. Glenn Seaborg je, nakon učešća u otkriću desetnovih elemenata, izmestio 14 elemenata u poseban redgde se i danas nalaze (zajedno sa aktinijumom).To je serija aktinoida.

• Siborg je jedina osoba po kojoj je hemijski elementnazvan za vreme njegovog života.


• 1960-tih. pretpostavio postojanje „ostrva stabilnosti”

Više o ovome:http://www.sciencedaily.com/releases/2014/05/140502081341.htmhttp://www.scientificamerican.com/article/superheavy-element-117-island-of-stability/

8/43

PERIODNI SISTEM ELEMENATA – IUPAC maj 2013.



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



STRUKTURA PERIODNOG SISTEMA 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 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.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.



Trend u metalnom/nemetalnom karakteru

Opadanje metalnog karaktera

Por

ast m

etal

nog

kara

kter

a


PERIODNI SISTEM ELEMENATA - Trendovi

Kratko obnavljanje - kvantni brojevi

Svaki elektron u atomu (koji se uvek nalazi u nekoj orbitali tog atoma) je potpunoopisan 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 kodvišeelektronskih atoma utiče na energiju elektrona (orbitale). Energijaelektrona je potpuno određena kvantnim brojevima n i l.l od 0 do (n ‒ 1) za svaku vrednost n

3. Magnetni kvantni broj (ml) definiše orijentaciju orbitale u prostoru. Ne određujeenergiju elektrona (orbitale).ml = ‒l, ... 0, ...+l

4. Spinski kvantni broj – definiše spin elektrona.Ima samo dve vrednosti (‒1/2, + 1/2)




Elektronska konfiguracija i PSE

15/43

Grupa 2

Grupa 13


Neorganska hemija 1102A


Svi pripadnici iste grupe imaju istu elektronsku konfiguraciju velentne ljuske,samo se glavni kvantni broj menja. Zato elementi koji pripadaju istoj grupi imajuveoma slična hemijska svojstva.

16/43



U periodnom sistemu postoji podela na s, p, d i f elemente u zavisnosti od togau kojem se podnivou nalaze valentni elektroni.




Elektronska konfiguracija i PSE - anomalije

18/43


Elektronska konfiguracija i PSE - anomalije

Kada su različiti podnivoi blizutada energija koja je potrebna zasparivanje spinova dvaelektrona u istoj orbitali može bitiveća od energetske razlike dvapodnivoa te dolazi do anomalijau elektronskoj konfiguracijielemenata.


Aufbau principHundovo praviloPaulijev princip isključenja

19/43


Koliku privlačnu silu jezgra oseća svaki elektron?

Pojednostavljen kombinovani efekat potcenjuje vrednost efektivnog naelektrisanja jezgra stoga što postojiverovatnoća prodiranja valentnih elektrona ka jezgru. Detaljniji proračuni su pokazali da efektivnonaelektrisanje jezgra koje osećaju valentni elektroni Mg iznosi 3,3+.

Rastojanje od jezgra

Rad

ijaln

a el

ektro

nska

gus

tina

Valentni (3s2) elektroni

Unutrašnji [Ne] elektroni (10–) Kombinovani efekat

Efektivna nuklearna šarža koju osećaju valentni

elektroni Mg

Mg

Efektivno naelektrisanje jezgra

Za atom vodonika odgovor je prilično jasan – elektron oseća privlačnu silu (1+)jezgra koja zavisi samo od rastojanja između elektrona i jezgra.

Osim jezgro-elektron privlačnih sila postoje i elektron-elektron odbojne sile. Da biodredili koliko je jako svaki elektron vezan za jezgro moramo uzeti u obzir i oveodbojne sile. Za precizna izračunavanja potrebna su nam elektron-elektronrastojanja!

Kakva je situacija kod višeelektronskih atoma?



Efektivno naelektrisanje jezgra - Zeff

Naelektrisanje jezgra koje osećaju valentni elektroni Zeff. - se može proceniti primenom veoma jednostavnih Slaterovih pravila.

Zeff = Z − SZ – 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: (1s2)(2s22p5)S= 6 x 0,35 + 2 x 0,85 = 3,8 Zeff = 9 - 3,8 = +5,2




Slaterova pravila su korisna za grubu procenu energije jonizacije, jonskihradijusa i elektronegativnosti.

Preciznije vrednosti Zeff dobijaju se proračunima uz korišćenje tzv. Self-consistentfield metoda (Clementi i Riamondi) koje daju znatno veće vrednosti Zeff, pogotovoza d elektrone.



Efektivno naelektrisanje jezgraEf

ektiv

nona

elek

tris

anje

jezg

ra




Veličina atomaVeličina atoma se najlakše izražava atomskim poluprečnikom.

Kovalentni atomski poluprečnik = ½ d

van der Waalsov (nevezivni) atomski poluprečnik


Postoje različite vrste atomskih poluprečnika:

• Nevezivni (van der Waalsovi) poluprečnici – rastojanje do koga se atomi mogupribližiti jedan drugome dok elektronski oblaci ne počnu da im se odbijaju.

• Vezivni (kovalentni) poluprečnici – polovina rastojanja između jezgarakovalentno vezanih atoma. Upotrebljavaju se sa opisivanje veličine atomanemetala.

• Metalni poluprečnici - polovina rastojanja između jezgara u kristalnoj rešetkimetala. Upotrebljavaju se za opisivanje veličine atoma metala.

25/43


Veličina atoma


Kristalna stuktura I2 – jedinična ćelija

2,68 Å

rkov(I) = 2,68 Å / 2 = 1,34 Å

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

Porast atomskog poluprečnika

Poluprečnik (Å)


Veličina atoma

Veličina atomskog poluprečnika zavisi od:• Privlačnih sila između jezgra i elektrona• Zaklanjanja valentnih elektrona od strane unutrašnjih elektrona



Periodični trendovi atomskih poluprečnika

Atomski broj →

Pol

upre

čnik

(pm

)

• PERIODA: Atomski poluprečnici opadaju sa leva nadesno u istoj periodi.Ovo se najlakše objašnjava preko povećanja efektivnog nelektrisanja jezgrakoje osećaju valentni elektroni

• GRUPA: Atomski poluprečnici rastu odozgo nadole u grupi.Ovo se objašava povećanjem glavnog kvantnog broja valentnih elektrona. Štoje veći glavni kvantni broj elektron provodi više vremena na većem rastojanjuod jezgra, a time je i atomski poluprečnik veći.



Periodični trendovi atomskih poluprečnika

• Oštar pad atomskih poluprečnika na početku periode praćenpostepenim opadanjem atomskih poluprečnika ka kraju periode

Ato

msk

i pol

upre

čnik

(nm

)

Atomski broj

Varijacije atomskih poluprečnika prvih 20 elemenata PSE

Na početku svake periode dominantan je efekat porasta Zeff što je praćenovećom kontrakcijom. Dalji dodatak elektrona u istu ljusku dovodi do povećanjaefekta međuelektronskog odbijanja. Zeff ima mali porast za elemente pri krajuperiode što je praćeno postepenim opadanjem atomskih poluprečnika.



Trendovi u jonskim poluprečnicimaSvi jonski poluprečnici su eksperimentalno određeni na osnovu rastojanjaizmeđu jona u kristalnim rešetkama jonskih jedinjenja.


1 2 13 16 17

30/43


Trendovi u jonskim poluprečnicimaJonski poluprečnici zavise od Zeff , broja elektrona i orbitale u koju su smeštenivalentni elektroni.

• Veličina katjona je manja od veličineodgovarajućeg atoma.

• Uklanjanjem elektrona iz neutralnog atomasmanjuju se odbojne interakcije međuelektronima tj. raste Zeff..

• Što je katjon više naelektrisan jonskipoluprečnik će biti manji.

• Veličina anjona je veća odveličine odgovarajućeg atoma.

• Dodatkom elektrona povećavajuse odbojne interakcije međuelektronima tj. smanjuje se Zeff.

• Što je anjon više naelektrisanjonski poluprečnik će biti veći.


Katjoni Anjoni

31/43


Trendovi u jonskim poluprečnicima

Izoelektronski joniKod serije izoelektronskih jona jonski poluprečnik opada sa porastom Zeff.


su oni joni koji imaju isti broj elektrona.


Trendovi u energiji jonizacije• Šta je energija jonizacije?• Kako se menja energija jonizacije sukcesivnim uklanjanjem elektrona iz istog

atoma?

Prv

a en

ergi

ja jo

niza

cije

(I1,

kJ/m

ol)

Atomski broj

• U okviru iste periode I1 uglavnomraste sa porastom atomskogbroja.

• U okviru iste grupe I1 uglavnomopada sa porastom atomskogbroja.

• Ovakavi trendovi su potpuno uskladu sa podacima o atomskimpoluprečnicima – što je atommanji elektron je jače vezan iteže se jonizuje.



Trendovi u energiji jonizacije

Prv

a en

ergi

ja jo

niza

cije

(I1,

kJ/m

ol)

Atomski broj

Odstupanja

I 1(k

J/m

ol)

Pomoću elektronskih konfiguracija OBJASNITE odstupanja u I1 za date atome!


Odgovor obavezno dostaviti na terminu teorijskih vežbi!

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?A

finite

t pre

ma

elek

tronu

( kJ

/mol

)

Atomski broj

Afinitet prema elektronu raste (postaje negativniji) u periodi (s leva na desno), ablago opada u grupi (odozgo nadole).



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!



Trendovi u elektronegativnosti• Šta je elektronegativnost?• Koje skale elektronegativnosti postoje?

Elektronegativnost raste u periodi, a opada u grupi.



Trendovi u tačkama topljenja• Šta je tačka topljenja?• Od čega zavisi tačka topljenja?

Jedinica:

Tt raste Tt raste

T tra

ste

T top

ada

Tačke topljenja (Tt) prvih 20 elemenata PSE



Trendovi u tačkama topljenja

Atomski broj

Tačk

a to

plje

nja

• Metalna veza – jača je što je veći broj valentnih elektrona• Kovalentne struktutre (B, C, Si)• Slabe van der Waalsove interakcije• S8 vs P4



Struktura i veze



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



Sumiranje trendovaNemetalni karakter

Energija jonizacije

Afinitet prema elektronu i elektronegativnost E

nergija jonizacije

Efe

ktiv

no n

aele

ktris

anje

jezg

ra

Ato

msk

i pol

upre

čnik


Atomski poluprečnik

Met

alni

kar

akte

r


OPŠTE KARAKTERISTIKE s- i p- ELEMENATA

Maksimalna oksidaciona stanja s- i p-elemenata

Analiza energetskih odnosa s- i p- orbitala različitih kvantnih nivoa

Dijagonalna sličnost

s-elementi – varijacije u hemijskim svojstvima

s-elementi – entalpija hidratacije

s-elementi – varijacije u tačkama topljenja

s-elementi – varijacije energije jonizacije

s-elementi – varijacije atomskih/jonskih poluprečnika


NAREDNO PREDAVANJE

43/43

periodni sistem elemenata -...

Documents