Pobierz Atom elektroujemność - Notatki - Chemia i więcej Notatki w PDF z Chemia tylko na Docsity!
ATOM - elektroujemność
Elektroujemność jest jednym z istotniejszych parametrów opisujących właściwości pierwiastków i ma duży wpływ tak na chemiczne, jak i fizyczne właściwości związków. Elektroujemność najłatwiej wytłumaczyć na prostym układzie dwóch atomów połączonych wiązaniem chemicznym. Wspólna para elektronów tworzących wiązanie może, statystycznie rzecz ujmując, znajdować się w środku między dwoma atomami, należąc jednocześnie do obydwu atomów (wiązanie atomowe) lub w całości należeć do jednego tylko atomu, który przyjmuje wówczas ładunek ujemny i z drugim atomem (który oczywiście przyjmuje wówczas ładunek dodatni) łączy go wyłącznie siła przyciągania elektrostatycznego (wiązanie jonowe). Prócz tych dwóch skrajnych położeń wspólnej pary elektronowej, w rzeczywistości występuje całe spektrum wiązań, w których wspólna para elektronów zajmuje pozycję pośrednią między wiązaniem atomowym a jonowym. To przesunięcie elektronów wiążących jest wynikiem różnicy w sile przyciągania elektronów przez poszczególne atomy, a siłę tę nazywamy elektroujemnością. Elektroujemność jest to zatem pewna tendencja atomu pierwiastka do przyciągania ("zawłaszczania") elektronów walencyjnych innych atomów. Na wielkość elektroujemności główny wpływ mają dwa czynniki: odległość powłoki walencyjnej od jądra atomowego oraz dążenie każdego atomu do stworzenia sytuacji, w której ostatnia obsadzona elektronami powłoka będzie zawierać osiem elektronów. Zatem wyższą elektroujemnością będą charakteryzować się pierwiastki początkowych okresów (mały promień atomowy, silniejsze przyciąganie przez dodatnie jądro) i końcowych grup (duża ilość elektronów walencyjnych ułatwia osiągnięcie oktetu). Zgodnie z tą regułą najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem jest fluor (drugi okres, siódma grupa).
Liczbowe wartości elektroujemności najczęściej opisujemy zgodnie ze skalą Paulinga , która fluorowi przypisuje wartość 4 (wartość umowna) a pozostałe pierwiastki uzyskują wartości będące podwielokrotnościami tej liczby, zgodnie z tym, jak procentowo można określić udział wiązania jonowego w wiązaniu z fluorem (lub innym pierwiastkiem o poznanej wcześniej elektroujemności). Dla wiązania jonowego przyjmujemy 100%, dla atomowego 0%, dla pośrednich udział wiązania jonowego obliczamy z wielkości przesunięcia "środka ciężkości" wiążącej wspólnej pary elektronów od geometrycznego środka między atomami. Skala Paulinga nie jest jedyną skalą określającą wielkość elektroujemności poszczególnych pierwiastków, stąd możemy się spotkać z wartościami nieco różniącymi się między sobą - jest to wynik przyjęcia nieco innej metodologii obliczania tych wartości. W tablicy układu okresowego dołączonego do naszej witryny podano wartości elektroujemności wg skali Allred Roch. Proszę zauważyć, że w tej skali dla fluoru mamy wartość 4,1. Te drobne różnice nie mają większego znaczenia praktycznego, tym bardziej, że w prognozowaniu i tłumaczeniu różnych właściwości związków mających swe źródło w elektroujemności pierwiastków je tworzących, ważna dla nas jest zazwyczaj różnica elektroujemności między atomami a nie jej absolutna wartość.
Na podstawie tego, że w dużym uproszczeniu można przyjąć okres i grupę w układzie okresowym pierwiastków za główne wyznaczniki wielkości elektroujemności, wysnuć należy warty zapamiętania wniosek, iż elektroujemność maleje "po przekątnej" układu okresowego. Najwyższa dla fluoru (4; prawy, górny róg) maleje do 0,9 dla fransu (lewy, dolny róg). Warto też zapamiętać wartości elektroujemności podstawowych pierwiastków chemii organicznej: H-2,2; C-2,5; N-2,1; O-3,5; Cl-2,8 i S-2,4. Znając te wartości łatwiej zrozumieć np. dlaczego kwasowość (zdolność dysocjacji) grupy hydroksylowej rośnie od prawie obojętnego etanolu do kwasu octowego i trichlorooctowego:
Strzałki na rysunkach powyżej symbolizują przesunięcia ładunku elektronów wiązania ze środka między atomami w kierunku bardziej elektroujemnego atomu. Odpowiednio duże przesunięcie powoduje przejście wiązania atomowego, poprzez wiązanie spolaryzowane (etanol) do wiązania jonowego. Pojawienie się grupy karbonylowej C=O i jej silna polaryzacja w kierunku tlenu uniemożliwia przyciąganie przez tlen hydroksylowy ładunku z atomu węgla (przekreślona strzałka), wobec czego zwiększa on "elektronową kontrybucję" w stosunku do atomu wodoru, zwiększając w ten sposób polaryzację wiązania O—H i ułatwiając dysocjację z odłączeniem protonu H+. Obecność trzech dość silnie elektroujemnych atomów chloru w kwasie trichlorooctowym potęguje jeszcze proces przesunięcia elektronów wiązania tlenu z wodorem, czym dodatkowo ułatwia odszczepienie kwaśnego jonu wodorowego - a więc wzmacnia moc kwasu.
Warto zauważyć, że to samo wiązanie O—H np. w układzie: Na—O—H , na skutek obecności mniej elektroujemnego atomu sodu ulega słabej polaryzacji a wiązanie jonowe tworzy się w obrębie wiązania Na—O bowiem elektroujemny tlen łatwiej wygrywa konkurencje o wspólną parę z sodem niż wodorem (Na - 1,1; H - 2,2). Wodorotlenek sodu dysocjuje więc odłączając jon OH-^ a nie proton. Tak słaba elektroujemność metali powoduje, że czasem w ich przypadku mówimy (niezbyt poprawnie ale obrazowo) o elektrododatności, by podkreślić ich łatwość oddawania elektronu i przechodzenia w postać kationową.
Różnica elektroujemności między wodorem (2,2) a metalami (~1) jest przyczyną, że w związkach metali z wodorem (zwanych wodorkami np. NaH, KH) wodór ma wartościowość nie +1, jak we wszystkich innych swoich związkach, lecz - 1, i w wodzie dysocjuje jako anion H-, a jako energetycznie bardzo nietrwały momentalnie wchodzi w reakcje z protonem H+^ (np. z autodysocjacji wody) dając gazowy wodór H 2 i grupę OH-.
ATOM – energia
Ponieważ wszystko co dzieje się na poziomie atomowym i cząsteczkowym jest dość zawiłe i trudne do wytłumaczenia osobom nie przygotowanym (tzn. takim, które nie ukończyły kilkuletniego kursu fizyki i mechaniki kwantowej - czyli zdecydowanej większości ludzkości), nasze wyjaśnienia dotyczące energii jądrowej i atomowej będą bardzo mocno uproszczone. Te uproszczenia idą tak daleko, że jestem zmuszony postawić tu swój znak ostrzegawczy [±²]. Mam jednak nadzieję, że dzięki tym, tak daleko idącym uproszczeniom, większa część czytelników zrozumie podstawy zagadnienia i nie da się więcej nabrać, np. na różne nieuczciwe straszenia
Jak widać wyraźnie na wykresie, izotopy o dużych liczbach masowych (powyżej 120) i liczbach masowych poniżej 20 dysponują dużym nadmiarem energii w porównaniu z izotopami o Z w granicach 20 - 120. Oznacza to, że w procesie rozpadu jądra o dużej liczbie masowej (np. 200) na mniejsze jądra (np. 2 po 100) "pozostaje" nadmiar energii. Energia ta przenosi się na drodze ciepła, promieniowania elektromagnetycznego lub promieniowania korpuskularnego (). Reakcja rozpadu jądra atomowego może być spontaniczna lub wywołana odpowiednim działaniem (np. bombardowaniem jądra atomowego neutronami). Reakcja rozpadu naturalnie promieniotwórczych izotopów (o Z większych od 220) jest źródłem energii w elektrowniach "atomowych" i innych "atomowych" siłowniach - napędy statków, łodzi podwodnych itp. Warto w tym miejscu wspomnieć, że przymiotnik "atomowy" odnosi się do sposobu powstania energii użytej np. do napędu turbiny elektrycznej, a nie sposobu wytwarzania prądu elektrycznego z reakcji rozpadu. Elektrownia "atomowa" to zwykła elektrownia, w której energia otrzymana w trakcie kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozpadu jąder radioaktywnego izotopu (najczęściej uranu) powoduje wytworzenie pary wodnej pod ciśnieniem, która napędza turbinę elektryczną wytwarzającą napięcie. Mamy tu zatem ciąg:
nośnik energii (rozpad jądra) energia cieplna para wodna energia mechaniczna (turbina) energia elektryczna
Jest to cykl niemal identyczny z tym, jaki stosujemy w klasycznych siłowniach i elektrowniach:
nośnik energii (gaz, węgiel, ropa) energia cieplna para wodna energia mechaniczna (turbina) energia elektryczna
Znacznie większe ilości energii można otrzymać w wyniku reakcji odwrotnej - syntezy izotopów o większych liczbach masowych z mniejszych - np. łącząc jądra wodoru lub deuteru w jądra pierwiastków o większych Z. Do przeprowadzenia takiej reakcji potrzebna jest jednak olbrzymia energia inicjująca - stąd reakcje syntezy jądrowej nazywamy reakcjami termojądrowymi. Do dziś nie udało się dokonać kontrolowanej syntezy termojądrowej na skale przemysłową. Reakcje takie zachodzą np. na Słońcu lub w trakcie wybuchu bomby wodorowej. Ilość energii wydzielonej w trakcie reakcji syntezy cięższych jąder jest tak duża, że w sposób wysoce opłacalny przewyższa ilość energii potrzebnej do zainicjowania tej reakcji. Można tu przywołać podobieństwo do reakcji spalania np. węgla, którą to reakcję też trzeba najpierw zainicjować podpalając węgiel (a więc dostarczając energii). Opanowanie syntezy jądrowej na skale przemysłową daje możliwości praktycznie nieograniczonych ilości "czystej" energii o niewyczerpalnych zasobach (wodór z wody).
Energia termojądrowa to wciąż dość odległa przyszłość. Energia atomowa to teraźniejszość, jednak z powodu dwóch głównych doświadczeń - Hiroszimy i Czernobyla - otoczona aurą lęku. Samorzutny rozpad ciężkich jąder naturalnych izotopów promieniotwórczych odbywa się na ogół z prędkością nieznaczną (t0,5 wynoszącym lata, czasem nawet tysiące lat), tak, że powstała w jego wyniku energia na drodze ciepła jak i promieniowania elektromagnetycznego i korpuskularnego nie stanowi zagrożenia dla przyrody ożywionej. Dla celów przemysłowej "produkcji" energii szybkość reakcji rozpadu należy znacznie zwiększyć. Wykorzystuje się w tym celu zjawisko rozpadu jąder izotopów radioaktywnych pod wpływem zderzenia z neutronami. Neutrony emitowane są z jąder ulegających samorzutnym reakcjom rozpadu i trafiając w inne jądra tego samego izotopu powodują wymuszoną reakcję rozpadu. Aby jednak neutrony wyzwalane w spontanicznym rozpadzie nie tylko inicjowały reakcje łańcuchową rozpadu innych jąder, ale również prowadziły do jej intensyfikacji, musimy doprowadzić do szczególnych sytuacji. Rzecz w tym, że spontanicznie wyzwolone neutrony są na tyle szybkie, że "uciekają" z przestrzeni reakcyjnej. Ilość neutronów uciekających jest tak duża, że reakcja łańcuchowa nie rozwija się. Można temu zapobiec biorąc do reakcji tak dużą ilość materii radioaktywnej, że ilość wyzwalanych neutronów znacznie przewyższy ilość "uciekinierów" - taka ilość materii nazywamy masą krytyczną. Ten sposób stosuje się w bombach atomowych. Wówczas, statystycznie rzecz ujmując, z każdego rozpadu jądra powstaje więcej niż jeden neutron, który inicjuje następny rozpad - tak więc ilość rozpadów jąder w czasie rośnie i prowadzi do wybuchu - niekontrolowanej, gwałtownie przebiegającej reakcji z wydzieleniem ogromnych ilości energii. W trakcie wybuchu powstaje tzw. fala uderzeniowa, na skutek olbrzymiej różnicy temperatur w centrum wybuchu i poza nim, promieniowanie cieplne o olbrzymiej mocy, intensywne promieniowanie elektromagnetyczne , równie intensywne promieniowanie świetlne, i jako efekt wtórny - chmura radioaktywnego pyłu.
w kąpieli moderatora powodujemy spowalnianie większej lub mniejszej części wytworzonych neutronów, a tym samym przyspieszamy lub spowalniamy przebieg reakcji i ilość wydzielonej energii na drodze ciepła.
Reaktor atomowy jest układem samozabezpieczającym się. Jeżeli na skutek awarii rozgrzeje się zbytnio następuje odparowanie moderatora i zahamowanie reakcji łańcuchowej. Niebezpieczeństwo stosowania reaktorów atomowych nie polega więc na możliwości wybuchu jądrowego, lecz na możliwości innego wybuchu (np. chemicznego) i powstania chmury radioaktywnego pyłu (tak było w przypadku Czarnobyla). Biorąc pod uwagę spektakularne skutki awarii elektrowni atomowej, to wydaje się, że jest ona większym zagrożeniem niż elektrownie konwencjonalne. Biorąc jednak pod uwagę, że elektrownie konwencjonalne wysyłają do atmosfery tony toksycznych dla przyrody i człowieka substancji (tlenki siarki i azotu oraz dwutlenek węgla), będących wynikiem spalania ropy lub węgla (w mniejszej ilości gazu) to rzeczywiste zagrożenie, ujęte statystycznie, przemawia na korzyść elektrowni atomowych.
Częściej niż z zagadnieniami energii jądra atomu spotkać się możemy ze skutkami zmian energii drugiej części atomu, czyli elektronów. Jak już wiemy, każdy elektron w atomie jest opisany czterema liczbami kwantowymi, który to opis jednoznacznie określa również energię danego elektronu. Wiemy również, że wszelkie zmiany energii w mikroświecie są kwantowane, wiemy także, że kwantowana jest energia niesiona przez promieniowanie elektromagnetyczne. Wielkość kwantów energii wyznaczana przez różnicę poziomów energetycznych elektronów w atomie odpowiada co do rzędu wielkości kwantom energii niesionym przez promieniowanie elektromagnetyczne obejmujące zakres światła widzialnego i ultrafioletu. Oznacza to, że przejścia elektronów między poziomami energetycznymi mogą być wywoływane przez działanie światłem widzialnym lub ultrafioletowym na cząsteczkę (barwa materii) a przejścia samoistne elektronów w atomie może skutkować emisja światła widzialnego (świecenie rozgrzanej materii, fluorescencja, fosforescencja). Wzbudzenie elektronów atomu silniejszą energią skutkować może emisją promieniowania rentgenowskiego.
Bardziej szczegółowe dane na temat oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materia zawarte jest w rozdziale dotyczącym substancji, w tym miejscu warto natomiast przypomnieć, ze jedynym bezpośrednim naturalnym źródłem światła widzialnego jest przejście elektronowe w atomie. Przejścia między poziomami o różnych różnicach energetycznych powoduje emisje światła o różnych kwantach energii, a więc i o różnych długościach fali świetlnej. Z różnymi długościami związane jest postrzeganie przez człowieka różnych barw. Światło białe, najczęściej używane przez człowieka jest mieszanina różnych barw (różnych długości fal) i emitowane jest przez rozżarzony drucik z wysokotopliwego metalu, ogrzewany poprzez wykorzystanie elektrycznego oporu drucika, zamieniającego energię przepływającego prądu elektrycznego na ciepło. Wysoka temperatura powoduje wzbudzone przejścia elektronów między poziomami energetycznymi atomu, a wzbudzone elektrony samorzutnie wracając do stanu podstawowego emitują promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego. Inne źródła światła działają na podobnej zasadzie, co najwyżej są pobudzane do świecenia w sposób bardziej precyzyjny i w związku z tym dają światło o mniejszej ilości różnych długości fal - np. światło sodowe często używane do oświetlania ulic (latarnie o żółtej barwie światła). Wszystkie jednak podstawowe sposoby wzbudzenia promieniowania elektromagnetycznego z zakresu światła widzialnego powodują
emisje fal niespójnych (przesuniętych względem siebie) i nie monochromatycznych (składają się z fal o różnych długościach).
Urządzeniem pozwalającym otrzymać wiązkę światła spójnego, monochromatycznego i dodatkowo o bardzo dużym natężeniu jest laser. Nazwa urządzenia jest akronimem stworzonym z pierwszych liter L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation. Działanie jego polega na tym, że odpowiedni ośrodek (kryształ, gaz) naświetlany jest przez światło lampy wyładowczej (tzw. pompowanie lasera), tak dobranej, że następuje przejście na wyższy poziom energetyczny wybranego elektronu w atomach odpowiedniego pierwiastka wchodzącego w skład ośrodka. Wszystkie te czynniki tak są dobrane, aby stan wzbudzenia atomów był trwały. Po etapie "pompowania" następuje etap emisji promieniowania, zainicjowany odpowiednim impulsem. W momencie przejścia impulsu przez ośrodek lasera następuje jednoczesny powrót wzbudzonych elektronów do stanu początkowego i związana z tym emisja światła o jednej długości fali (monochromatyczne). Konstrukcja mechaniczno- optyczna lasera powoduje, że jest to wiązka spójna (wszystkie fale składowe w jednej fazie) i równoległa, o określonej energii. Energię tę można przez odpowiednia konstrukcje lasera zmieniać od bardzo słabej (wskaźniki laserowe) po olbrzymie natężenia, mogące ciąć stal. Właściwości optyczne (precyzja wiązki, monochromatyczność, spójność i możliwość regulacji natężenia) powodują, że lasery uzyskują coraz powszechniejsze zastosowanie także w medycynie i kosmetyce.
