Jak zmieniają się właściwości chemiczne i fizyczne ..., Publikacje z Chemia

Pobierz Jak zmieniają się właściwości chemiczne i fizyczne ... i więcej Publikacje w PDF z Chemia tylko na Docsity!

Jak zmieniają się właściwości chemiczne i fizyczne

pierwiastków w obrębie grup układu okresowego?

Wprowadzenie Przeczytaj Film edukacyjny Sprawdź się Dla nauczyciela

Właściwości fizyczne i chemiczne pierwiastków, znajdujących się w tych samych grupach, często zmieniają się w powtarzalny sposób. Oznacza to, że jeśli w 1. grupie układu okresowego rośnie promień atomowy, to tak samo dzieje się w grupie 17. Niesamowite, jak wiele tajemnic kryje się w układzie okresowym – wystarczy je odkryć.

Twoje cele

Sformułujesz wniosek dotyczący zmiany wartości promienia atomowego dla pierwiastków jednej grupy układu okresowego. Powiążesz zmianę wartości pierwszej energii jonizacji ze zmianą promienia atomowego dla pierwiastków jednej grupy układu okresowego. Sformułujesz wniosek dotyczący zmiany wartości powinowactwa elektronowego pomiędzy atomami pierwiastków należących do tej samej grupy układu okresowego. Uzasadnisz zmiany elektroujemności w grupie. Ocenisz, jakie czynniki mają wpływ na zmianę charakteru metalicznego i niemetalicznego pierwiastków.

Pomnik układu okresowego w Bratysławie, który honoruje Dmitrija Mendelejewa, odkrywcę praw okresowości pierwiastków chemicznych. Źródło: mmmdirt, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-NC-SA 2.0.

Jak zmieniają się właściwości chemiczne i fizyczne

pierwiastków w obrębie grup układu okresowego?

Właściwości fizyczne

Promień atomowy

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE Do właściwości fizycznych należą: - stan skupienia; - barwę; - gęstość; - odkształcalność; - rozpuszczalność; - przewodnictwo cieplne; - przewodnictwo elektryczne; - temperaturę wrzenia; - temperaturę topnienia; - promień atomowy; - powinowactwo elektronowe; - elektroujemność. Niektóre z nich zmieniają się w sposób powtarzalny w grupach. Przykładowo elektroujemność maleje w grupach 1.,2.,15.,16. i 17., ale już w np. grupie 13. jej zmiana nie wykazuje charakterystycznego trendu. Inne zmieniają się całkowicie różnie, przykładowo temperatura topnienia fluorowców wzrasta w grupie, a litowców maleje. WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE Do właściowści chemicznych należą: - reaktywność; - energię jonizacji; - charakter metaliczny (elektrododatność); - charakter niemetaliczny (elektroujemność). We właściwościach chemicznych widać powtarzalność, przykładowo po lewej stronie układu okresowego umieszczone są pierwiastki o właściwościach metalicznych, a po stronie prawej - o właściwościach niemetalicznych.

Promień atomowy jest zdefiniowany jako połowa odległości pomiędzy jądrami dwóch atomów tego samego pierwiastka połączonych wiązaniem chemicznym.

Ilustracja promienia atomowego Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Promienie atomowe a jonowe

Zauważamy, że kolejne atomy w 2. grupie układu okresowego posiadają coraz większe wartości promienia atomowego. Ten sam efekt wzrostu wartości promienia atomowego obserwujemy w przypadku grupy berylowców.

Przyjrzyjmy się teraz zmianie promieni jonowych. Zwróć uwagę, że jeśli chcesz porównać promienie jonowe dwóch jonów, to jony te muszą mieć ten sam ładunek. Analizując jony pierwiastków 2. grupy układu okresowego, będziemy porównywać promienie jonów o ładunku +2. Z układu możemy zatem odczytać, że promień jonu wynosi 34 pm, a promienie dwudodatnich kationów kolejnych berylowców są coraz większe.

Polecenie 1

Przeanalizuj, jak zmieniają się wartości promieni atomowych i jonowych pierwiastków bloku p.

Wartości promieni atomowych zwiększają się w grupach głównych. Również promienie jonów o tym samym ładunku rosną w dół grupy dla grup głównych układu okresowego

Be2+

Powinowactwo elektronowe pierwiastków grup głównych [eV] Źródło: GroMar Sp. z o.o., na podstawie Mizerski W., Tablice Chemiczne, Adamantan, 2004, licencja: CC BY-SA 3.0.

Powinowactwo wskazuje nam zatem, jak „chętnie” anionem stanie się dany atom. Im wyższa, dodatnia wartość powinowactwa, tym większa „chęć” atomu do przyłączenia elektronu. Ujemne powinowactwo spotyka się w przypadku pierwiastków, które nie potrzebują i nie chcą przyłączać elektronu.

Zwróć uwagę np. na powinowactwo neonu. Jest ono ujemne, ponieważ atom neonu posiada całkowicie obsadzoną elektronami drugą powłokę elektronową, a przyłączenie kolejnego atomu wiązałoby się z otwarciem trzeciej powłoki elektronowej. Atom neonu nie ma takiej potrzeby stąd jego powinowactwo jest dodatnie.

Z kolei sąsiad neonu w układzie okresowym - fluor, wykazuje bardzo duże dodatnie powinowactwo. Fluor jest bowiem zainteresowany przyjęciem elektronu i w ten sposób zamknięciem drugiej powłoki elektronowej. Uzyska tym samym korzystną konfigurację elektronową, którą wykazuje właśnie neon.

Na wartość powinowactwa elektronowego wpływa wiele czynników, których omówienie wykracza poza zakres materiału chemii w szkole. Zapamiętaj jednak, że w przypadku powinowactwa nie da się określić trendu jego zmiany w poszczególnych grupach i okresach.

Elektroujemność

Elektroujemność to zdolność do przyciągania elektronów. Atomy niemetali przyciągają do siebie elektrony, ponieważ w ten sposób są w stanie uzyskać korzystną energetycznie konfigurację elektronową. Jeśli porównamy między sobą dwa atomy niemetali, to ten, który silniej przyciąga elektron, posiada większą elektroujemność (jest bardziej elektroujemny). Atomy metali wykazują zwykle dużo niższe wartości elektroujemności od atomów niemetali. Wskazuje to, że zatem, że ich zdolność do przyciągania elektronów jest dużo mniejsza. Atomy metali chcą bowiem w normalnych warunkach raczej pozbywać się elektronów, niż je przyciągać. Znów wynika to z chęci osiągania korzystnych konfiguracji elektronowych, które atomy metali zwykle uzyskują przez przekształcenie się w kationy. Istnieje kilka skali elektroujemności, ale najpopularniejsza i najczęściej stosowana to tzw. skala Paulinga (oparta na badaniach przeprowadzonych przez Linusa Carla Paulinga). Przyjrzyj się poniższemu układowi okresowemu, przedstawiającemu wartości elektroujemności dla pierwiastków, a następnie zastanów się, jak zmienia się elektroujemność w grupie.

Tablica elektroujemności pierwiastków wg skali Paulinga Źródło: GroMar Sp. z o.o., na podstawie W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2004., licencja: CC BY-SA 3.0.

Elektroujemność pierwiastków maleje w grupach 1., 2., 15., 16. i 17., co jest konsekwencją rosnącej odległości między jądrem atomowym a powłoką walencyjną, na której ma pojawić się nowy elektron. Im bliżej jądra atomowego obecna jest powłoka walencyjna, tym łatwiej umieścić na niej nowy elektron, ze względu na silniejsze przyciąganie elektrostatyczne. Jeśli powłoka walencyjna znajduje się dalej od jądra atomowego, to trudniej umieścić na niej elektron, ponieważ siły przyciągania elektrostatycznego są mniejsze.

Elektroujemność nie zawsze zmniejsza się dla kolejnych pierwiastków w danej grupie. Ciekawym przypadkiem jest grupa 13., w której elektroujemność kolejnych pierwiastków zmienia się w szeregu.

Właściwości chemiczne

Energia jonizacji

Energia jonizacji to energia, której należy użyć, aby oderwać elektron od atomu, jonu, ale też cząsteczki. W przypadku atomów wieloelektronowych, elektrony mogą być odrywane po kolei, rozpoczynając od tego, który posiada najwyższą energię. Oznacza to, że pierwsza energia jonizacji to energia potrzebna do oderwania elektronu od obojętnego atomu (potocznie zwana często energią jonizacji z pominięciem wskazania, że jest to pierwsza energia jonizacji). Druga energia jonizacji, to energia potrzebna do oderwania elektronu od jednododatniego kationu, natomiast trzecia jest energią konieczną do oderwania elektronu od dwudodatniego kationu.

2,0 → 1,5 → 1,6 → 1,7 → 1,

Polecenie 2

Przeanalizuj poniższą tabelę i odpowiedz na pytanie: czy wartości kolejnych energii jonizacji (pierwszej, drugiej, trzeciej itd.) są coraz większe dla każdego pierwiastka chemicznego?

Pierwiastek Energia jonizacji [eV]

- pierwsza druga trzecia czwarta piąta szósta siódma

H (^) 13,

He (^) 24,6 54,

Li 5,4 75,6 122,

Be (^) 9,3 18,2 153,9 217,

B (^) 8,3 25,2 37,9 251,4 340,

C (^) 11,3 24,4 47,9 64,5 391,9 489,

N 14,5 29,6 47,4 77,4 97,8 551,

Poniżej przedstawiono wykres przedstawiający wartości pierwszej energii jonizacji atomów pierwiastków chemicznych w zależności od ich liczby atomowej. Przeanalizuj wykres i zastanów się, jak zmienia się wartość pierwszej energii jonizacji dla atomów pierwiastków

1. grupy układu okresowego.

Wykres przedstawiający wartości pierwszej energii jonizacji atomów pierwiastków chemicznych w zależności od ich liczby atomowej. Źródło: Sponk, zmienione, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY 3.0.

Pierwiastek Energia jonizacji [eV]

O (^) 13,6 35,2 54,9 77,4 113,9 138,1 666,

F (^) 17,4 35,0 62,6 87,2 114,2 157,1 739,

Ne (^) 21,6 41,1 64,0 97,2 126,4 157,9 200,

Pazdro K., Rola–Noworyta A., Chemia Repetytorium dla przyszłych maturzystów i studentów, Warszawa 2014.

znajduje się elektron walencyjny, tym łatwiej go oderwać, ponieważ działają na niego słabsze siły przyciągania. Właściwości metaliczne pierwiastków bloku p są związane właśnie z dużą odległością elektronów walencyjnych od jądra atomowego, w porównaniu do niemetali będących również w bloku p. Charakter metaliczny, a więc również aktywność metali, rośnie dla kolejnych pierwiastków danej grupy układu okresowego.

Charakter niemetaliczny

Charakter niemetaliczny pierwiastków polega na łatwym przyłączaniu elektronów do powłoki walencyjnej. Proces ten zachodzi łatwo, jeśli w jego wyniku wydziela się dużo energii, a więc dotyczy pierwiastków charakteryzujących się wysoką wartością powinowactwa elektronowego. Właściwości niemetaliczne są tym silniejsze, im powłoka walencyjna jest bliżej jądra atomowego. Zatem charakter niemetaliczny i aktywność niemetali maleją w dół grupy układu okresowego.

Słownik

promień atomowy

liczba określająca wielkość atomu; zdefiniowany jako połowa odległości pomiędzy jądrami dwóch atomów tego samego pierwiastka, połączonych wiązaniem chemicznym

promień jonowy

wielkość umowna stosowana do określenia rozmiarów jonów, przy założeniu, że mają one kształt kulisty

energia jonizacji

energia potrzebna do oderwania najsłabiej związanego elektronu od atomu, cząsteczki lub jonu

powinowactwo elektronowe

wielkość określająca zdolność atomu, cząsteczki lub jonu do przyłączania elektronu z utworzeniem jonu ujemnego

elektroujemność

zdolność atomu do przyciągania elektronów

Bibliografia

Pazdro K., Rola‐Noworyta A., Chemia. Repetytorium dla przyszłych maturzystów i studentów, Warszawa 2014.

Encyklopedia PWN

Ćwiczenie 1

Odczytaj wartość powinowactwa elektronowego dla atomu berylu. Następnie określ, czy proces przyłączania elektronu jest endoenergetyczny, czy egzoenergetyczny.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., na podstawie Mizerski W., Tablice Chemiczne, Adamantan 2004., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 2

Wyjaśnij, dlaczego neon ma ujemną wartość powinowactwa elektronowego.

Powinowactwo elektronowe: Proces przyłączania elektronu:

Odpowiedź:

Ćwiczenie 3

Poniżej przedstawiono fragment układu okresowego pierwiastków z zaznaczonymi wartościami elektroujemności wg skali Paulinga, przedstawiający atomy znajdujące się w grupie 15. Wstaw strzałki, których groty będą przedstawiały w prawidłowym kierunku wzrost danej właściwości fizycznej.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1

Strzałki na rysunku przedstawiają kierunek wzrostu właściwości pierwiastków 2. i 17. grupy układu okresowego. Na podstawie rysunku zaznacz odpowiednie komórki tabeli dotyczącej zmian niektórych właściwości pierwiastków.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Właściwość 1 2 promień atomu energia jonizacji ładunek jądra liczba atomowa liczba masowa elektroujemność liczba powłok liczba elektronów w atomie charakter metaliczny charakter niemetaliczny

                   

Ćwiczenie 2

Połącz w pary pierwiastki z odpowiadającymi im wartościami promieni atomowych.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., na podstawie Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, Warszawa 2016., licencja: CC BY-SA 3.0.

Al 88 pm

Ga 143 pm

In 122 pm

B 163 pm