VARIATIA PROPRIETATILOR ELEMENTELOR CHIMICE IN TABELUL PERIODIC

VARIATIA PROPRIETATILOR ELEMENTELOR CHIMICE IN TABELUL PERIODIC

1. INTRODUCERE

Elementele dintr-o grupa a tabelului periodic au aceeasi configuratie electronica a stratului de valenta si deci proprietati chimice asemanatoare.

Elementele din aceeasi perioada difera unul de vecinul sau prin electronul distinctiv, acest lucru avand drept consecinta proprietati chimice diferite.

Numarul atomic corespunde numarului total de electroni. In anul 1913, fizicianul englez Henry G.J. Moseley a reformulat legea periodicitatii elementelor chimice, astfel:

Proprietatile elementelor chimice sunt functii periodice ale numarului atomic .

Sensul fizic al legii periodicitatii consta in aceea ca se revine periodic la distributii electronice identice pe ultimul strat numit strat de valenta.

Proprietatile elementelor sunt determinate de configuratiile lor electronice si pot fi clasificate ca in schema de mai jos:

2. PROPRIETATI NEPERIODICE

Proprietatile neperiodice ale elementelor chimice sunt determinate de nucleele atomilor prin valoarea numarului atomic si prin valoarea numarului de masa .

2.1. NUMARUL ATOMIC

Numarul atomic, notat , reprezinta numarul protonilor din nucleu, numarul electronilor din invelisul electronic si casuta (numarul de ordine) din tabelul periodic al elementelor chimice, .

Numarul atomic creste continuu in tabel de la 1 la 112.

2.2. NUMARUL DE MASA

Numarul de masa, notat , reprezinta suma dintre numarul de protoni si numarul de neutroni din nucleu: , adica , unde reprezinta numarul de neutroni.

OBSERVATIE: Pentru orice specie de atomi, numarul de masa , fiind o suma de particule, este un numar intreg. Pentru aplicatii numarul de masa se va stabili rotunjind partea zecimala a masei atomice relative, prin adaus atunci cand aceasta este mai mare decat 0,5 si prin lipsa atunci cand aceasta este mai mica decat 0,5.

Izotopii, (lb. greaca: isos = acelasi si topos = loc) sau nuclizi, notati , sunt atomii aceluiasi element chimic , cu acelasi numar de protoni (acelasi numar atomic ), dar cu numar diferit de neutroni (numar de masa diferit).

De exemplu, hidrogenul are 3 izotopi: - protiu (un proton si zero neutroni) ; - deuteriu (un proton si un neutron); - tritiu (un proton si doi neutroni).

Izotopii unui element chimic ocupa acelasi loc in tabelul periodic al elementelor. Elementele chimice cu numarul atomic impar pot avea maxim 2 izotopi, iar cele cu numarul atomic par pot avea mai mult de 2 izotopi.

In cazul carbonului au fost identificati 12 izotopi. Dintre acestia, cel mai stabil este izotopul (contine in nucleu 6 protoni si 6 neutroni), fapt pentru care a fost ales ca izotop de referinta.

Separarea izotopilor se realizeaza doar prin metode speciale deoarece difera putin prin proprietatile lor.

3. PROPRIETATILE PERIODICE

Proprietatile periodice ale elementelor chimice sun determinate de invelisul electronic.

3.1. PROPRIETATILE FIZICE PERIODICE

3.1. RAZA ATOMICA SI VOLUMUL ATOMIC

Raza atomica este o marime care caracterizeaza atomul si este egala cu jumatate din distanta dintre nucleele a doi atomi vecini dintr-un esantion de material in care atomii nu sunt ionizati.

Raza atomica este de ordinul si, in grupele principale, creste de sus in jos, o data cu cresterea numarului de straturi.

In perioada, la elementele din grupele principale, raza atomica scade de la stanga la dreapta, o data cu cresterea numarului atomic , deoarece electronii nou intrati se aseaza in acelasi substrat situat la aceeasi distanta de nucleu, in timp ce sarcina nucleara creste.

Marimea razelor atomice influenteaza puternic caracterul electrochimic al elementelor si unele proprietati fizice.

Volumul atomic reprezinta raportul dintre masa atomica si densitatea unui element. Volumul atomic, in perioada descreste de la stanga la dreapta, iar in grupe creste de sus in jos datorita cresterii numarului de straturi.

2.2. RAZA IONICA

Raza ionica este o marime care caracterizeaza dimensiunea relativa a unui ion intr-un cristal ionic.

Atomii elementelor au tendinta de a-si realiza, pe ultimul strat, configuratii electronice stabile de dublet si de octet, asemanatoare gazului rar cel mai apropiat:

- prin punerea in comun a electronilor de pe ultimul strat cu electronii altor atomi identici sau diferiti, realizand astfel legaturi covalente;

- prin cedare sau acceptare de electroni si formarea de ioni.

Ionul este atomul incarcat cu sarcina electrica pozitiva sau negativa datorita numarului diferit de electroni de pe ultimul strat in comparatie cu cel al protonilor din nucleu.

Procesul de formare a ionilor se numeste ionizare.

Prin cedare de electroni, atomul unui element se transforma in ion pozitiv numit cation, iar prin acceptare de electroni, atomul elementului chimic se transforma in ion negativ, numit anion.

In grupa, razele ionilor pozitivi si negativi cresc de sus in jos, o data cu cresterea numarul de straturi, in acelasi sens cu razele atomice.

In perioada, razele ionilor pozitivi si negativi scad de la stanga la dreapta, o data cu cresterea numarului atomic .

Intre razele atomice si cele ionice exista relatia:

Fie ionii:

Se observa ca un numar egal de electroni este atras de un numar din ce in ce mai mare de protoni. Acest lucru explica micsorarea razei ionice in perioada de la stanga la dreapta.

2.3. ENERGIA DE IONIZARE

Energia de ionizare, notata si masurata in sau in electronvolti , reprezinta cantitatea de energie absorbita in procesul de indepartare a unuia sau a mai multor electroni dintr-un atom in faza gazoasa (energia consumata in procesul de formare a ionilor pozitivi):

Energia de ionizare poate fi primara (pentru indepartarea unui singur electron), secundara (pentru indepartarea celui de-al doilea electron de pe stratul de valenta) etc.

Cu cat ionizarea este mai avansata, este necesara o energie mai mare pentru a indeparta inca un electron:

In perioada, energia de ionizare este cu atat mai mare cu cat numarul electronilor de valenta este mai mare, adica ea creste de la stanga la dreapta, o data cu cresterea numarului atomic .

In grupele principale, energia de ionizare scade de sus in jos, o data cu cresterea numarului de straturi.

Cu cat energia de ionizare este mai mica cu atat elementul este mai electropozitiv.

Potentialul de ionizare, notat , reprezinta raportul dintre energia de ionizare si numarul atomic :

2.4. AFINITATEA PENTRU ELECTRONI

Afinitatea pentru electroni, notata , reprezinta energia care se degaja atunci cand un atom accepta un electron pentru a forma un ion negativ.

Afinitatea pentru electroni, in perioada creste de la stanga la dreapta, iar in grupa creste de jos in sus. Cu cat afinitatea pentru electroni este mai mare, cu atat elementul este mai electronegativ.

2.5. SPECTRELE OPTICE

Spectrele optice ale elementelor chimice din aceeasi grupa se aseamana mult intre ele si se deosebesc de spectrele optice ale elementelor chimice din alte grupe.

2.6. PUNCTELE DE TOPIRE SI DE FIERBERE

Punctele de topire si de fierbere, in perioada cresc de la extremitati catre grupa IVA, in grupele IA, IIA, IIA, IVA cresc de jos in sus, iar in grupele VA, VIA, VIIA, VIIIA cresc de jos in sus.

In grupele secundare punctele de fierbere cresc de sus in jos, cu exceptia grupelor IB si IIB unde scad. Variatia punctelor de topire in grupele secundare este neregulata.

3. PROPRIETATILE CHIMICE PERIODICE

3.1. CARACTERUL ELECTROPOZIT

Electropozitivitatea reprezinta capacitatea atomilor cu putini electroni pe ultimul strat (electroni de valenta) de a-i ceda altor atomi si a forma ioni pozitivi (numarul protonilor din nucleu este mai mare decat numarul electronilor din invelisul electronic).

In perioada caracterul electropozitiv scade de la stanga la dreapta, iar in grupa creste de sus in jos.

3.2. CARACTERUL ELECTRONEGATIV

Termenul de electronegativitate a fost introdus in anul 1934 de R.S. Mulluken ca termen unic pentru a exprima in sens larg tendinta atomilor de a forma ioni pozitivi si negativi.

Electronegativitatea este o marime care reprezinta capacitatea unui atom de a atrage spre el electroni cu scopul de a forma legaturi.

Pentru a calcula electronegativitatea Mulliken a pornit de la premisa ca aceasta este egala cu diferenta dintre potentialul de ionizare si afinitatea pentru electroni :

Chimistul american Linus Pauling a realizat o scala a electronegativitatii cu valori cuprinse intre 1 si 4. Electronegativitatea cea mai mica apartine cesiului (elementul chimic cu caracterul metalic cel mai pronuntat) si cea mai mare apartine fluorului (elementul cu caracterul nemetalic cel mai accentuat).

Elementele situate in grupele principale IA, IIA si IIIA isi realizeaza configuratia stabila de electroni pe ultimul strat prin cedare de electroni. Aceste elemente au valori mici ale electronegativitatii, mai mici decat 1,7.

Electronegativitate mare o au elementele care capteaza cu usurinta electroni.

Elementele situate in grupele principale IVA - VIA isi realizeaza configuratia stabila prin punere in comun sau prin acceptare de electroni. Aceste elemente au electronegativitati mai mari de 1,7, avand o tendinta pronuntata de a atrage electroni.

In perioada, electronegativitatea creste de la grupa IA la VIIA o data cu cresterea sarcinii nucleare si cu cresterea atractiei nucleului.

In grupa, electronegativitatea creste de jos in sus, o data cu descresterea numarului de straturi ocupate de electroni si cresterea atractiei nucleului.

3.3. VALENTA

Valenta este capacitatea unui atom de a lega sau substitui prin reactii chimice un anumit numar de alti atomi.

Valenta este determinata de numarul electronilor care participa la legatura chimica. Numarul grupei principale indica valenta maxima a elementelor.

Valenta se poate raporta la hidrogen sau la oxigen. Valenta elementelor raportata la hidrogen creste in perioada de la grupa IA la grupa IVA, apoi scade. Pentru elementele din grupele V-VII valenta fata de hidrogen se stabileste cu ajutorul relatiei:

Valenta = 8 - nr. grupei

Electrovalenta reprezinta valenta elementelor care se transforma usor in ioni si est egala cu numarul de electroni cedati sau acceptati.

Covalenta reprezinta valenta exprimata prin numarul de electroni pe care un atom ii pune in comun cu electronii altui atom. Covalenta se noteaza cu cifre romane scrise in paranteza in dreapta simbolului chimic. De exemplu: H(I), O(II).

3.4. NUMARUL DE OXIDARE

Numarul de oxidare, notat N.O., al unui atom sau ion:

- este egal cu numarul de electroni proprii implicati in formarea de legaturi ionice sau covalente heteroatomice;

- reprezinta sarcini reale pentru ionii din compusii ionici si sarcini formale pentru compusii covalenti;

- este sarcina pe care ar avea-o un atom daca electronii din fiecare legatura la care ia parte acest atom ar fi atribuiti atomului cel mai electronegativ.

Atomii elementelor in stare libera sau in compusi pot prezenta diverse numere de oxidare. Regulile de stabilire a N.O., stabilite prin conventie, sunt:

pentru substante chimice elementare (necombinate), atat pentru atomi, cat si pentru molecule N.O. = 0;

pentru ionii monoatomici si poliatomici N.O. = sarcina ionului (de exemplu, pentru: , si ; , si );

pentru atomul de hidrogen din compusii covalenti N.O. = + 1 (de exemplu, pentru: , ; , ; , ; , ; , ), pentru hidrurile ionice (ale metalelor alcaline) N.O. = - 1 (de exemplu, pentru: , ; , );

pentru atomul de oxigen din compusii ionici sau covalenti N.O. = - 2 (de exemplu, pentru: compusii ionici , ; , sau compusii covalenti , ; , ; ; , ), cu exceptia peroxizilor unde N.O. = - 1 (de exemplu, pentru: , ; , ; , );

N.O, depinde de electronegativitatea elementelor cu care un alt element formeaza un compus (de exemplu in cazul , iar al ;

suma algebrica a N.O. ale tuturor elementelor dintr-o molecula este zero;

suma algebrica a N.O. dintr-un ion complex este egala cu sarcina ionului;

in cazul carbonului din compusii organici N.O. se calculeaza insumand pentru cele patru legaturi ale carbonului, astfel:

daca intr-o substanta, pentru un element, se obtin valori fractionare ale N.O., inseamna ca doi atomi ai aceluiasi element din acea substanta poseda numere de oxidare diferite. De exemplu in cazul , avem: . Acest lucru se intampla deoarece exista doi atomi de sulf cu N.O. = + 5 si doi atomi de sulf cu N.O. = 0.

Elementele din grupele principale IA, IIA si IIIA au N.O. pozitiv si egal cu numarul grupei.

Elementele din Grupele principale IVA, VA, VI, si VIIA au N.O. in functie de caracterul chimic al elementelor cu care se combina, astfel:

N.O maxim pozitiv si egal cu numarul grupei atunci cand se combina cu un element mai electronegativ;

N.O. negativ si egal cu diferenta dintre 8 si numarul grupei atunci cand se combina cu un element mai electropozitiv.

De exemplu, pentru elementele perioadei a 3-a: