Structura invelisului electronic al elementelor, Proprietatile generale ale elementelor

Structura invelisului electronic al elementelor, Proprietatile generale ale elementelor

Totalitatea electronilor care graviteaza in jururl nucleului unui atom formeaza invelisul electronic al atomului. Invelisul de electroni este format din staruri electronice , iar un strat poate avea mai multe substraturi. Straturile electronice sunt sunt notate cu numerele1, 2, 3, 7 sau cu literele K, L, M, N, O, P, Q.

In miscarea lor rapida in jurur nucleului, electronii nu urmeaza niste traiectorii precise, insa ei se pot gasi cu mare probabilitate in anumite regiuni ale spatiului din jurul nucleului, formand nori de electricitate negativa (nori electronici) numiti orbitali. Se cunosc mai multe tipuri de orbitali: s, p, d, f.

Distributia electronilor in straturi, substraturi si orbitali, care formeaza invelisul electronic al unui atom, se numeste configuratie electronica. Orbitalii, substraturile si straturile se ocupa cu electroni dupa urmatoarele reguli:

principiul minimului de energie: in atomii multielectronici, electronii se plaseaza pe substraturi in ordinea cresterii energiei (1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p< 5s<4d<5p< 6s<4f<5d<6p<7s<5f<6d). Intrepatrunderea nivelurilor energetice la acesti atomi se explica prin faptul ca electronii din orbitalii mai apropiati de nucleu sunt mai puternic atasati decit cei din din orbitalii mai indepartati.

principiul excluziunii al lui Pauli: 2 electroni ai aceluiasi atom nu pot avea cele 4 numere cuantice identice sau altfel spus un orbital poate fi ocupat cu maximum 2 electroni de spin opus.

regula lui Hund: completarea orbitalilor cu electroni in cadrul aceluiasi substrat se face astfel ca numarul electronilor necuplati sa fie maxim, deci intr-un substrat intai se ocupa cu cite un electron cu spin paralel fiecare orbital, dupa care se cupleaza ceilalti electroni.

Tabelul 1 prezinta configuratiile elecronice ale primelor 20 elemente din tabelul periodic al elementelor a lui Mendeleev.

Tabelul 1 Configuratiile electronice ale primelor 20 elemente din tabelul periodic al elementelor

Dupa completarea substratului 4s se completeaza substratul 3d si apoi 4p din stratul M. Toate elementele care-si completeaza cu electroni substraturile 4s, 3d si 4p fac parte din perioada a 4 a si sunt 18.

Completarea substraturilor electronice din perioada 5 se face in succesiunea 5s, 4d si 5p, perioada care cuprinde de asemenea 18 elemente.

La elementele din perioada 6 se completeaza substratul 6s apoi se plaseaza un singur electron in substratul 5d dupa care se completeaza substratul 4f cu 14 electroni (seria lantanide de la Z=57 pina la Z= 71) si din nou urmaza completarea substratului 5d pina la 10 electroni. In aceasta perioada sunt 32 de elemente.

Completarea straturilor electronice ale elementelor din perioada a 7a se face analog celor din perioada a 6 a: se completeaza intii substratul 7s, apoi se plaseaza un electron in substratul 6d, urmind completarea cu 14 electroni a substratului 5f (seria actinide de la Z= 89 la Z=103), si apoi se continua din nou cu substratul 6d care ramine incomplet.

Elementele care constituie o grupa au structura electronica identica pe ultimul strat si proprietati chimice asemanatoare. Elementele din aceeasi perioada difera cu cite un electron instratul exterior (electron distinctiv) si deci proprietatile lor chimice vor fi diferite. Numarul de ordine corespunde cu numarul total de electroni, nuamrul perioadei este egal cu nr. de straturi ocupate cu electroni, iar numarul grupei coincide cu numarul de electroni de pe ultimul strat.

Proprietatile generale ale elementelor

Corelatie intre structura si unele proprietati ale elementelor si substantelor

Stabilirea structurilor elementelor si substantelor chimice si corelarea diferentiata a acestor structuri cu proprietatile fizice si chimice generale permit sa se faca aprecieri previzibile referitoare la unele proprietati specifice ale diferitelor categorii de substante. Sistematizand proprietatile chimice si fizice ale elementelor sau substantelor si raportandu-le la structurile acestora se poate deduce existenta unor posibile corelatii intre unele structuri si proprietati, relatii de cauza si efect.

Proprietatile fizice ale substantelor pot fi grupate in proprietati intensive, cele independente de cantitatea de substanta cum ar fi: indicele de refractie, caldura specifica, densiatea, constanta dielectrica etc. si proprietati extensive proportionale cu cantitatea de substanta ca de exemplu: masa, volumul, capacitatea calorica.

De asemenea proprietatile fizice se mai pot grupa in proprietati constitutive care depind de natura si aranjarea atomilor in molecule, ioni, cristale ( de ex. spectrul, culoarea), proprietati aditive care se exprima ca suma a proprietatilor componente ale unuei molecule (ex. refractie moleculara) si proprietati coligative care nu depind de natura substantelor ci de concentratia acestora ( ex. presiunea osmotica). Combinand in expresiimatematice proprietatile intensive cu cele extensive ale unei substante se deduc marimi caracteristice ale acestora numite functiuni moleculare cum ar fi volumul molar, refractia moleculara, polarizarea moleculara.

Se disting 2 categorii de proprietati ale elementelor chimice: aperiodice si periodice.

Proprietatile aperiodice variaza continuu, marindu-se treptat de la primul element al tabelului spre ultimul si sunt determinate de nucleele atomice, ex. masa atomica A, numarul atomic Z, adica pozitia elementului in tabelul periodic.

Proprietatile periodice (chimice si fizice) sunt determinate de structura electronica si se repeta pentru fiecare perioada a sistemului.

Propietatile periodice chimice sunt valenta, numarul de oxidare, electronegativitatea si electropozitivitatea, caracterul acido-bazic al oxizilor;

Proprietati periodice fizice – volum atomic, densitate, raze atomice, ionice, potential de ionizare, spectrele atomilor.

Periodicitatea proprietatilor fizice

Densitatea (raportul intre masa si volum) reprezinta nr. de atomi /cmc, variaza cu numarul atomic. In ce priveste metalele, densitatea acestora creste in grupe de sus in jos, in perioade de la extremitati spre mijloc. Li are densitatea cea mai mica (0,53) iar osmiu cea mai mare. Metalele usoare au densitatea sub 5 iar cele grele 5.

Volumul atomic (raportul intre masa atomica si densitate) este volumul ocupat de un atom gram si este functie periodica de Z. Cele mai mari volume atomice le au metalele alcaline iar cele mai mici elementele tranzitionale si halogenii. In cadrul unei grupe, volumul atomic creste de sus in jos, deoarece se adauga noi straturi electronice.

Spectrele optice sunt determinate de invelisul electronic al atomilor si sunt spectre de linii. Doarece in grupe invelisul electronic este analog spectrele optice sunt asemanatoare.

Potentialul de ionizare (energia de ionizare) reprezinta tensiunea in V aplicata unui tub de raze catodice incit sa se indeparteze un electron dintr-un atom si este functie periodica de numarul de ordine Z. Gazele rare au cel mai mare potential de ionizare, explicat prin configuratie electronica stabila pe ultimul strat si deci capacitate de reactie redusa. Metalele alcaline au cel mai mic potential de ionizare, explicat prin actiunea lor reducatoare si tendinta de a trece in cationi monovalenti. In perioada energia de ionizare creste de la stinga la dreapta, la fel ca electronegativitatea.

Razele atomice cresc in grupa de sus in jos corespunzator numarului de straturi electronice si scad in perioada de la stinga la dreapta corespunzator cresterii sarcinii nucleare.

Razele ionice cresc in perioada de la dreapta la stinga si in grupe de sus in jos. Raza ionului pozitiv este mai mica decit a atomului din care provine. Raza ionului negativ este mai mare decit raza atomului din care provine.

Punctul de topire si cel de fierbere variaza periodic cu nr atomic Z dupa un grafic in zig-zag.

Punctul de topire reprezinta temperatura minima la care o substanta trece din stare solida in stare lichida. La unele metale p.t. variaza in limite foarte largi, astfel pentru Hg p.t.= -38,84 C iar pentru W p.t. = 3410 C.

Temperatura de topire variaza invers variatiei volumului atomic la metalele din grupele I si II principale. La metalele tranzitionale, p. T. Creste in grupa cu masa atomica, iar in perioada de la extremitati la mijloc.

Punctul de topire al metalelor este in stransa legatura cu structura cristalina si taria legaturii metalice. Aceasta proprietate reprezinta un interes practic in procesul de turnare al metalelor.

Punctul de fierbere reprezinta temperatura la care o substanta trece din starea lichida in stare de vapori la presiunea de 760 mmHg si variaza in general cu temperatura de topire.

Duritatea exprima rezistenta opusa de un material in stare solida la zgarierea sau la patrunderea in acesta a unui alt corp, masurata prin deformatia permanenta produsa. Pentru aprecierea duritatii se poate folosi scara Mohs de la 1 la 10 sau unitati Brinell, Rockwell, Wickers.

Cu putine exceptii, duritatea scade in grupa de sus in jos si in perioada de la dreapta la stanga, elementul cu duritatea cea mai mica fiind Cs. Ca metale dure se remarca Re, Os, Ru (ruteniu), Ir (iridiu), V (vanadiu), Ta (taliu), iar metale cu duritate redusa Hg, Cu, Ag, Au.

Conductibilitatea termica se refera la proprietatea unor corpuri de a transmite caldura sub actiunea unei diferente de temperatura. Transmiterea caldurii in materiale are loc fara deplasare de masa, prin vibratia atomilor, in cazul solidelor cu proprietati conductibile scazute si a electronilor din benzile de conductibilitate, in cazul metalelor. Conductibilitatea termica absoluta se determina masurand cantitatea de caldura care se propaga intr-o secunda printr-un cm³ de metal la incalzirea cu 1 C si se exprima in cal/ cm³ s. Dintre metale cea mai buna conductibilitate termica ( in ordine descrescatoare) o au Au, Cu, W, Al, Mg iar metalele cu cea mai scazuta conductibilate sunt: Mn, Bi, Sb.

Periodicitatea proprietatilor chimice

Valenta este un numar intreg care caracterizeaza capacitatea de combinare a unui atom cu alti atomi.

Atomi ajung la configuratia stabila de dublet sau octet caracteristica gazului inert care incheie fiecare perioada, prin transferul electronilor de pe ultimul strat, numiti si electroni de valenta in timpul proceselor chimice

Atomii pot ajunge la configuratii stabile in 2 feluri:

Prin cedare de electroni si transformare in ioni pozitivi (Na-e^-→ Na⁺, valenta este 1 si starea de oxidare este 1+; Ca-2 e^-→ Ca ²⁺, valenta este 2 si starea de oxidare este 2+) sau prin primire de electroni si transformare in ioni negativi (Cl + e^-→ Cl^-, valenta este 1 si starea de oxidare este 1-;

O +2 e^-→ O ^2-, valenta este 2 iar stare de oxidare este 2-)

Prin punere in comun de electroni de 2 atomi, covalenta fiind numarul de de electroni pe care un atom ii pune in comun cu alt atom (pentru O₂ covalenta este 2 iar pentru N₂ covalenta este 3).

Definitia mai generala a valentei pentru a include atit electrovalenta (pozitiva si negativa) cit si covalenta se face prin notiunea de numar sau stare de oxidare care este o masura a numarului de electroni pe care un atom ii poate ceda, primi sau pune in comun pentru a se lega de alti atomi identici sau diferiti.

Hidrogenul este monovalent, poate avea electrovalenta 1- sau 1+ , covalenta 1 iar N.O. +1 sau -1.

Oxigenul este bivalent iar N.O. este -2.

Valentele celorlalte elemente se pot exprima prin numerele lor de oxidare calculate in raport cu hidrogenul sau cu oxigenul. De ex. S are N.O. -2 in raport cu hidrogenul si N.O. +4 si +6 in raport cu oxigenul. Clorul are N.O. -1 in raport cu hidrogenul si +1, +3, +5, +7 in raport cu oxigenul.

Elementele din grupele principale IA, IIA, III A au electrovalenta pozitiva si N.O. pozitiv, egal cu numarul grupei.

Elementele din grupele principale VA-VIIA au electrovalenta negativa si N.O. negativ egal cu diferenta dintre 8 si nr. grupei.

Electropozitivitatea si electronegativitatea

Elementele care isi realizeaza configuratia stabila prin primire de electroni se numesc electronegative iar cele care cedeaza electroni se numesc electropozitive.

Energia eliberata de un atom, aflat in stare gazoasa, la captarea unui electron, se numeste afinitate pentru electron. Cu cit tendinta de a forma ioni negativi este mai mare cu atit energia eliberata este mai mare. Variatia afinitatii pentru electroni creste in perioada de la stinga la dreapta si in grupa de jos in sus (idem electronegativitate).

Un atom are tendinta de a forma un ion pozitiv daca se caracterizeaza prin energie de ionizare mica si prin afinitate mica pentru electroni. Dimpotriva are tendinta de a forma un ion negativ daca se caracterizeaza prin energie de ionizare mare si afinitate mare pentru electroni. Capacitatea unui atom de a atrage electroni se numeste electronegativitate: ea creste in tabelul periodic de la stinga la dreapta in perioada si de jos in sus in grupa, elementele cele mai electronegative fiind situate in grupa a VII-a (F fiind cel mai electronegativ). In sens invers variaza electropozitivitatea.

Caracterul acido-bazic al oxizilor

Elementele electronegative (nemetale sau metaloizi) formeaza oxizi cu caracter acid (genereaza cu apa acizi) iar cele electropozitive (metale) formeaza oxizi cu caracter bazic (genereaza cu apa baze). Trecerea de la metale( partea stinga a tabelului) la nemetale (partea dreapta a tabelului) se face lent prin intermediul semimetalelor (B, Si, Ge, As, Sb, etc), scade caracterul metalic si creste cel nemetalic.