Wykład 2

Istnieje ścisła zależność między składem chemicznym, strukturą fizyczną i właściwościami substancji chemicznej. O składzie chemicznym decyduje zawartość pierwiastków i związków chemicznych. O strukturze fizycznej decyduje stopień uporządkowania substancji w przestrzeni.

Podstawa zrozumienia przemian zachodzących w materiałach budowlanych, procesach ich wytwarzania i destrukcji - niszczenia, jest znajomość budowy atomu.

Budowa atomu - najmniejszą cząstką substancją niepodzielną metodami chemicznymi. Atom danego pierwiastka charakteryzowany jest liczbą atomową Z i liczbą masową A

A

X

Z

Średnicy atomu różnych pierwiastków są rzędu 10^-10m. Atomy są elektrycznie obojętne zbudowane z 2 podstawowych elementów:

- jądra dodatniego zawierającego Z protonów o łącznym ładunku Z⁺ ,o średnicy ok.10^-15m.

Łączna ilość protonów i neutronów daje liczbę A.

- powłoka elektronowa, która posiada średnicę zbliżoną do średnicy atomu. Na powłoce rozmieszczonych jest Z elektronów o łącznym ładunku Z^-.

Suma Z⁺ i Z^- = 0

Zakłada się , że atomy pozostają niezmienione podczas przebiegu reakcji chemicznych. W reakcjach chemicznych biorą udział elektrony walencyjne znajdujące się na ostatnim(górnej) poziomie energetycznym powłoki elektronowej.

Po oderwaniu elektronu otrzymujemy kation, średnica i promienie jonów dodatnich czyli kationów są zawsze mniejsze od promienia atomów macierzystych.

Jeżeli przyłączymy elektron otrzymany anion, średnica i promienie jonów ujemnych są większe niż średnice i promienie atomów macierzystych.

Elektrony znajdujące się w atomie znajdują się na określonych poziomach elektrycznych (tzw powłokach i pod powłokach) . Pod powłoki noszą nazwę orbitali i są przestrzeniami najwiekszenia prawdopodobieństwa występowanie elektronów względem jądra.

Stan energetyczny opisany jest 4 liczbami kwantowymi.

Elektron znajdujący się na danym orbitalu w atomie nie wypromieniowuje ani nie pochłania energii, zmieniając orital elektron wymienia energię z otoczeniem.

Stan elektrony Liczby kwantowe:

- n główna liczba kwantowa opisuje powłokę. Przyjmuje wartość liczbową od 1do n, lub literowe KLMNOPQ…

- l poboczna liczba kwantowa opisuje pod powłokę (rodzaj orbitalu) przyjmuje wartość liczbowe od 0 do n-1, literowe PDF

- ml magnetyczna liczba kwantowa, opisuje orientację konkretnego orbitalu w przestrzeni, przyjmuje wartość liczbową -l … O … +l

- ms spinowa liczba kwantowa opisuje stan spinowy (kierunek spinu) elektorn przyjmuje wartość +i- ½

Liczba orbitali równa jest wartości liczby kwantowej ml:

- dla orbitali s (l=0) istnieje jedna wartość ml (0) dlatego jest on 1

- dla orbitali p (l=1) istnieją trzy wartości ml (-1,0,+1) dlatego są trzy orbitalne p

- dla orbitali d i f (l=2i3) występuje odpowiednio 5 i 7 wartość ml, dlatego orbitali d jest 5 a orbitali f = 7.

Reguły zapełniania orbitali przez elektrony w atomie.

• W atomie nie może być dwóch elektronów opisanych 4 identycznej liczbie kwantowej. Max liczba elektronów na powłoce n wynosi 2n², na pod powłoce l (ornitalu) wynosi 2(2l+1).

• Zapełnianie orbitali elektorami odbywa się zgodnie z regułą maksymalnej różnorodności (max liczba ) niespinowych elektornów czyli o jednakowej orientacji spinu - np.: ₆C

₆C = 1s²2s²2p²

2p²

• W pierwszej kolejności elektronami zapełniane są orbitalne które posiadają minimalną wartość sumy n+l, gdy ta suma dla dwóch orbitali jest jednakowa wcześniej obsadzony zastanie orbita o mniejszej wartości n (diagramu)

• Szczególnie stabilne są powłoki elektronowe w pełni osadzone elektronami, dla pierwszej powłoki 2e, dla następnych 8e.

• Cechy chemiczne i fizyczne pierwiastków zależą od elektronów położonych na zewnętrznej powłoce elektronów walencyjnych.

Struktura elektronowa atomu

• Podawana jest przez zapisanie jego konfiguracji elektronowej

• Konfiguracja elektronowa powinna uwzględnić wszystkie osadzone orbitale atomy i liczby elektronów w następnym orbitalu.

• Dla atomów danego pierwiastka o liczbie atomowej z rozpisywana jest konfiguracja dla Z elektronów.

• Kolejne elektrony przyporządkowuje się kolejnym obritalom 1s,2s,3p … zgodnie z diagramami np.: dla pierwiastka o Z=10: 1s²2s²2p⁶

• Przy rozpisywaniu konfiguracji elektronowej można posługiwać się kwadracikami oznaczającymi orbitalne. Kwadracik może zawierać max 2 elektrony

₁₀Z 1s² 2s² 2p⁶

Określenie położenia pierwiastków w układzie okresowym według konfiguracji

• Poprawnie wykonany zapis konfiguracji elektronów pozwala ustalić miejsce położenia pierwiastka w układzie okresowym. Pierwiastek o Z=10 znajduje się w 2 okresie w 18 grupie.

• Grupa okresu - max wartość liczby n

• Numer grupy:

- suma elektronów walencyjnych na orbitach s (grupy 1 i 2)

- suma elektronów na orbitach s i d (grupa 3-12)

- suma elektronów na orbitach s i p +10 ( grupy 13-18)

₁X 1s² 1 okres, 1 grupa

₇X 1s² 2s² 2p³ 2 okres, 15 grupa

₂₁X 1s² 2s² 2p⁶ 3s ²3p⁶4s²3d¹ 4 okres, 3 grupa

Elektrony walencyjne znajdują się na ostatniej powłoce. Świadczą o właściwościach chemicznych pierwiastka. Poprawnie wykonywany zapis konfiguracji elektronowej pierwiastka pozwala ustalić właściwości chemiczne pierwiastka.

Konfiguracja s¹ - pierwiastki grupy 1, tworzą łatwo jony X⁺ i związki z tlenem X₂ O

Konfiguracja s² - pierwiastki grupy 2, tworzą łatwo jony X⁺ i związki z tlenem XO (wyjątki He, całkowicie zapełnienie powłoki n=1 - gaz szlachetny)

Konfiguracja s²d¹ - s²d¹⁰ pierwiastki metaliczne grupy 3 - 12 tworzą najczęściej jony X²⁺ i X³⁺ i z tlenem tworzą związki XO, X₂O₃. Pierwiastki te pojawiają się dopiero w 4 okresie, ponieważ orbitl 4s jest częściej obsadzony elektronami niż orbitl 3d.

Konfiguracja s²p¹ pierwiastki 13 grupy tworzą łatwo jony x³⁺ i związki z tlenem X₂O₃.

Konfiguracja s²p² pierwiastki 14 grupy tworzą łatwo jony X²⁺, X⁴⁺, X^4-, związki z tlenem XO, XO₂ i wodorem XH₄.

Konfiguracja s²p³ pierwiastki 15 grupy, tworzą łatwo jony X³⁺, X⁵⁺, X^3- i związki z tlenem X₂O₃ i z wodorem XH₃.

Konfiguracja s²p⁴ pierwiastki 16 grupy tworzą łatwo jony X⁴⁺, X ⁶⁺, X^2-, związki z tlenem XO₂, XO₃, i związki z wodorem H₂X

Konfiguracja s²p⁵ pierwiastki 17 grupy łatwo tworzą jony X⁺, X³⁺, X ⁵⁺, X ⁷⁺, X^-, związki z tlenem X₂H…X₂O₇ i związki z wodorem HX

Konfiguracja s²p⁶ pierwiastki 18 grupy, całkowicie zmieniona powłoka, bardzo łatwa konfiguracja - bierna chemiczne - gazy szlachetne.

Pierwiastek o Z =10, leży w 18 grupie, jest więc gazem szlachetnych, obojętnie chemicznie pierwiastkiem.

₁X 1s² 1 okres, 1 grupa X⁺ , X₂ O

₇X 1s² 2s² 2p³ 2 okres, 15 grupa X³⁺, X⁵⁺, X^3- X₂O₃ , XH₃

₂₁X 1s² 2s² 2p⁶ 3s ²3p⁶4s²3d¹ 4 okres, 3 grupa XO X⁺

Okresowość zmian właściwości pierwiastków w układzie okresowym :

Okresowo tzn. w grupie i w okresach zmieniają się następujące właściwości pierwiastków

• Promienie atomów

• Promienie kationów i anionów jednoatomowych

• Potencjał jonizujący (Ej - energia jonizująca niezbędna do oderwania elektronu)

• Powinowactwo elektronowe (Ep - energia wydalona podczas przyłączenia elektronu)

• Elektroujemność Eu (Eu bezwzględne = Ej + Ep, Eu paulinga = Eu/Eu litu)

• Właściwości kwasowe i zasadowe tlenków

• Moc kwasów i zasad

---