Poziţia elementelor în tabelul periodic şi proprietăţile periodice

Între poziția elementelor în tabelul periodic despre care am discutat data trecută și proprietățile elementelor,

există niște legături foarte clare despre care vom afla mai multe în lecția aceasta.

Mai întâi, haideți să ne reamintim corelația dintre configurația electronică a unui element și poziția sa în tabelul periodic.

Să luăm, spre exemplu, un metal alcalin, potașiul, cu numărul atom XZ egal cu 19.

Deci acesta are 19 electroni, dispuși astfel.

1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6 și 4s1.

După numărul stratului de valență, determinăm perioada, deci în acest caz este vorba de perioada a patra,

iar după numărul electronilor din stratul de valență, determinăm numărul grupei,

deci este vorba de grupa întâi principală, sau mai putem nota cu 1a.

Să vedem ce se întâmplă și în cazul unui element din blocul D.

Vom lua exemplul vanadiului, care are numărul atom XZ 23.

Deci vanadiul are 23 de electroni și următoarea configurație,

1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d3.

Așadar, după numărul stratului exterior, cel mai depărtat de nucleu, rezultă că ne aflăm tot în perioada a patra,

iar în ceea ce privește grupa, pentru că e vorba despre un element din blocul D,

vom lua în considerare electronii de valență din stratul de valență,

cât și electronii din orbitalii 3d, adică ultimele electronii în ordinea de completare a orbitalilor.

Așa că avem 2 plus 3, grupa 5a sau grupa 5b.

Să luăm și un element din blocul P, spre exemplu bromul, care are numărul atom XZ egal cu 35.

Deci avem 35 de electroni în înveliș,

1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10.

Deci s-a completat integral stratul cu numărul 3.

Acum continuăm completarea stratului cu numărul 4 și avem 30 de electroni până aici,

așa că ne mai rămân 5 electroni pentru substratul 4p.

Stratul exterior este stratul 4, așadar ne aflăm tot în perioada a patra,

iar pentru grupă vom lua în considerare electronii de valență, adică 2 și 5.

Așadar suntem în grupa 7a principală sau în grupa 17.

Putem să luăm în calcul și cei 10 electroni din substratul 3d.

Fiecare element din tabelul periodic are proprietăți unice,

însă are și proprietăți foarte asemănătoare cu alte elemente din anumite grupuri din tabel.

După modul în care aceste proprietăți variază în tabelul periodic,

ele sunt împărțite în două mari categorie.

Avem proprietăți periodice.

Acestea sunt proprietăți diferite la mai multe elemente,

dar se repetă după un anumit număr de elemente.

Și mai avem proprietățile neperiodice.

Acestea sunt proprietățile care variază continuu de la un element la altul și nu se repetă deloc.

Deci proprietățile neperiodice sunt acelea care sunt specifice fiecărui element în parte.

Dacă ne uităm la tabelul periodic, vom observa că nu există mai multe elemente cu același număr atomic Z

sau cu același număr de masă A.

Așadar, Z și A sunt proprietăți neperiodice.

În schimb, proprietățile periodice sunt cele care se repetă după un anumit număr de elemente,

adică cele care se repetă periodic.

Conform legii periodicității formulate inițial de Mendeleev,

proprietățile elementelor chimice sunt funcții periodice de numărul atomic Z.

Repetarea periodică a proprietăților elementelor dintr-o grupă

se datorează completării cu electronii a straturilor care se repetă periodic,

adică structura stratului exterior variază periodic.

Ca să înțelegem mai bine, haideți să ne uităm la exemplul grupelor 1 și 2 principale.

Avem completarea substratului exterior NS,

adică pentru grupa a 2-a principală 1S1, 2S1, 3S1, 4S1,

apoi pentru elementele din grupa a 2-a principală,

straturile exterioare sunt 1S2, 2S2, 3S2, 4S2,

și tot așa până la 7S2.

1S2 este heliul care, din motive de stabilitate, a fost grupat cu gazele noviu.

Faptul că aceste elemente au toate electronii de valență într-un orbital de tip S,

fie singuri, în cazul grupei a 1-a, fie cuplați, în cazul grupei a 2-a,

face ca aceste elemente să aibă proprietăți similare, adică metalele alcaline,

și la fel și acestea, adică metalele alcalino-pământoase.

Acest lucru fie invalabil pentru toate grupele.

Proprietățile care variază periodic pot fi chimice sau pot fi proprietăți fizice.

Câteva dintre proprietățile chimice sunt valența,

electronegativitatea,

caracterul metalic și caracterul nemetalic.

Proprietățile fizice sunt volumul atomic, raza atomică,

volumul ionic și raza ionică,

și energia de ionizare.

Să analizăm acum variația câtorva proprietăți fizice ale elementelor.

Vom începe cu volumul atomic, adică cu dimensiunea atomului.

Volumul atomului se referă la distanța dintre nucleul unui atom și electronii săi de valență.

Dar, dacă vă mai amintiți, am discutat prin primele lecții

despre cum un electron poate apărea oriunde,

pentru că poziția electronului în timp și spațiu este, de fapt, o funcție de probabilitate.

Deci, atomul nu are o dimensiune fixă.

Atunci când am vorbit despre orbital,

ne-am spus că electronii se găsesc într-o anume zonă cu o probabilitate de 90%

și cu o probabilitate mult mai mică în afara acestei zone.

Așa că ne bazăm pe probabilitatea de 90% de a găsi electronul într-o anumită zonă sferică din jurul atomului

și astfel măsurăm volumul atomului.

Sau, pentru mai multă precizie, s-a definit noțiunea de rază atomică.

Definiția a fost dată pentru razele atomilor din metale, adică din solide.

Deci, raza atomică a unui element metalic este jumătate din distanța

dintre nucleele a doi atomi vecini dintr-o probă de material solid.

Deci, această distanță corespunde la două raze atomice,

iar aceasta, la o singură rază atomică.

Definiția e valabilă numai pentru solide, pentru că, după cum vedeți,

pentru măsurare e nevoie de atomi identici legați între ei.

Structuri stabile de astfel de atom se găsesc cel mai des în metale,

care sunt o aglomerare de atomi identici, ce și-n parte electronul.

Haideți să vedem și cum variază volumul atomic și raza atomică în tabelul periodic.

Pe măsură ce coborâm într-o grupă, dimensiunea atomului crește,

având în vedere că adăugăm din ce în ce mai multe niveluri de energie ocupate cu electron.

Acum, un lucru care nu e la fel de simplu de dedus este ceea ce se întâmplă

când mergem spre dreapta într-o perioadă.

Când mergem spre dreapta, adăugăm electroni, dar îi adăugăm pe același strat.

Deci avem nucleul și un strat care se tot completează cu electron

pe măsură ce evoluăm în perioadă.

Bineînțeles, nu toți orbitalele dintr-un strat sunt sferici,

dar vom folosi această schemă foarte simplificată.

Să ne amintim că, pe măsură ce evoluăm în perioadă, nucleul are și el tot mai mulți protoni,

deci sarcina pozitivă a protonilor din nucleu, care devine din ce în ce mai puternică,

atrage electronii din ce în ce mai aproape de nucleu.

Așa că, pe măsură ce mergem spre dreapta, iar nucleul are din ce în ce mai mulți protoni,

dimensiunea atomilor scade.

Volumele și razele atomice variază la fel în tabelul periodic.

În cazul elementelor din grupele principale, după cum se poate vedea în această imagine,

ele cresc în grupă de sus în jos și scad în perioadă de la stânga la dreapta,

corespunzător creșterii sarcinii nucleare.

Elementele tranziționale, situate în zona centrală a tabelului periodic,

au volume atomice mici datorită completării cu electronii a orbitalilor 3D sau 4D,

situați în interiorul învelișului electronic,

precum și datorită existenței unei sarcini nucleare mari.

Cam asta ar fi despre dimensiunea atomilor.

În continuare vom discuta și despre variația altor proprietăți fizice,

precum raza ionică și energia de ionizare.

Însă mai întâi trebuie să înțelegem ce sunt ionii și să înțelegem diferența dintre atom și ion.

Atomii sunt specii chimice care au sarcină electrică neutră

pentru că numărul de proton din nucleu este egal cu numărul de electron din înveliș.

Deci spunem că au sarcină electrică zero sau neutră.

Speciei de chimice pentru care numărul protonilor din nucleu e diferit de numărul electronilor din înveliș sunt ionii.

Atomii își doresc cu toții să ajungă la configurații cât mai stabile, precum configurația de octel.

De aceea ei primesc sau cedează electron de la alții atom

sau își pun în comun electron din ultimul strat sau chiar din ultimile straturi.

Deci când un atom neutru, pe care îl vom nota cu e mai departe, acceptă sau cedează electron, el se transformă într-un ion.

Există ion pozitiv și negativ.

Când un atom pierde sau cedează electron, el se va transforma într-un ion pozitiv sau cation.

Când un atom câștigă sau primește un numărent de electron, el se transformă într-un ion negativ sau într-un anion.

Deci în cazul cationilor sau a ionilor pozitiv, dacă atomul cedează niște electroni, înseamnă că numărul protonilor din nucleu va fi mai mare decât numărul de electron din înveliș.

Și astfel, niște sarcini pozitive din nucleu nu mai sunt neutralizate.

De acolo, simbolul plus al cationilor.

În cazul anionilor sau a ionilor negativ, în momentul în care atomul primește niște electroni, numărul protonilor din nucleu devine mai mic decât numărul electronilor din înveliș.

Adică nucleul nu mai are o sarcină pozitivă îndeajuns de mare încât să neutralizeze numărul mărit de electron.

Așa că, per total, atomul se va transforma într-un ion cu sarcină negativă, adică cu minus.

Acum că am stabilit ce sunt ionii, haideți să vedem și ce se întâmplă cu dimensiunea atomilor după ce acceptă sau cedează electroni.

Adică să vorbim puțin și despre raza ionică.

Să luăm niște exemple concrete.

Atomul de sodiu are 11 electroni și 11 protoni.

Pentru a ajunge la o configurație stabilă de octet pe stratul cu numărul 2.

Să scriem răpid și configurația sodiului.

1s2 2s2 2p6

Deci, pentru a ajunge la configurație de octet pe stratul 2, atomul de sodiu vrea să scape de un electron, cel din stratul 3.

Așa că va ceda un electron către un alt atom, care probabil mai are nevoie doar de un electron pentru a ajunge la octet.

Acum, sodiul va avea sarcina plus 1, 11 protoni și 10 electroni.

Vedem că diferența dintre numărul de electron și numărul de proton este de un proton.

Deci, sarcina ionului este plus 1, adică sarcina este egală cu numărul de electron cedați.

Cât despre dimensiune, în ionul pozitiv numărul de electron care se rotesc în jurul nucleului e mai mic decât în cazul atomului, dar sarcina nucleului rămâne aceeași.

În consecință, electronii rămași în învelișul electronic al ionului pozitiv vor fi atrași mai puternic de nucleu.

Astfel ei vor fi mai aproape de nucleu.

Deci, raza ionului pozitiv e mai mică decât raza atomului din care provine.

Să luăm și exemplul clorului care are 17 electroni și următoarea configurație.

1s2, 2s2, 2p6, 3s2 și 3p5.

Din configurație observăm că clorului mai lipsește un singur electron pentru a ajunge la configurație de octet pe stratul 3.

Pentru aceasta clorul va primi un electron, poate chiar de la sodiu care își dorește să scape de un electron.

Deci clorul care are 17 proton și 17 electron primește un electron și astfel va avea 17 proton și 18 electron, deci o sarcine negativă.

Vedem că diferența dintre numărul protonilor și ale electronelor este de un electron.

Astfel, atomul de clor se transformă într-un anion, clor minus.

Ca și o scurtă paranteză, atunci când vine vorba de notații, în cazul sarcinilor plus 1 sau minus 1, e suficientă notația plus sau minus.

Și revenind la clor, sarcinea electrică acestuia va fi egală cu minus 1, adică cu numărul de electroni acceptați.

În cazul ionelor negativ, numărul electronelor care se rotesc în jurul nucleului e mai mare decât sarcina pozitivă acestuia.

În plus, electronii mai numeroși acum se vor restinge mai tare unii pe alții, deci raza ionului negativ e mai mare decât raza atomului din care provine.

În general, razele ionice cresc pentru elementele din fiecare perioadă, de la dreapta, de la grupa 18, la stânga, spre grupa 1a principală.

În grupă, razele ionice cresc de sus în jos.

Pentru un element, raza ionului pozitiv este mai mică decât raza atomică, care la rândul ei este mai mică decât raza ionului negativ.

Și lecția viitoare va avea legătură cu ionii. Mai precis vom afla cum variază energia de ionizare în tabelul periodic.