CURS 2

RĂSPÂNDIREA ELEMENTELOR ÎN CRUSTA TERESTRĂ

Din studiul valorilor clarkurilor se desprind mai multe legităţi. Unele dintre acestea au

fost puse în evidenţă statistic iar altele experimental.

Criteriile de răspândire

Cele mai multe dintre criteriile de răspândire sunt observaţii, de obicei ale

naturaliştilor şi chimiştilor care au lucrat în domeniul geochimiei.

Primul dintre aceste criterii a fost enunţat de către Oddo şi Harkins (1917). Aceştia au

afirmat că elementele cu număr de ordine par au clarkul superior elementelor cu număr de

ordine impar, în cazul a două elemente vecine în sistemul periodic. Această regulă a fost

denumită legea Oddo – Harkins şi se verifică mai ales pentru grupa lantanidelor, unde este

confirmată cu excepţia elementului promeţiu (Pm, Z = 61), element care nu există în natură şi

nici are izotopi cu perioada de înjumătăţire mai mică de 5 ani (fig.1). Legea Oddo – Harkins a

fost extinsă, cu amendamentul că este valabilă în 60% din cazuri. Astfel, dintre primele 28 de

elemente, cele pare constituie în greutate 87,36% iar cele impare 11,93%.

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

1.00E+01

1

numarul atomic (Z)

log

(abu

nden

ta)

La

Ce

Pr

Nd

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

5758

59 60 6263 64 65 66

6768

6970

71

Fig.1. Abundenţa elementelor din grupa lantanidelor (abundenţa a fost calculată prin

împărţirea concentraţiei fiecărui element la un set de valori normalizate ; aceste valori normalizate sunt concentraţiile elementare ale meteoriţilor chondritici).

Elementele cu număr de ordine impar, în general, au o migraţie mai complexă şi mai

îndelungată, având o tendinţă de dispersare. Ex. : Sc (Z = 21) ; Ga (Z = 31) ; In (Z = 49).

Elementele cu Z par sunt mai puţin mobile şi prezintă o tendinţă de concentrare. Ex : Fe

1

( Z = 26) ; Ni (Z = 28) ; Zn (Z = 30) ; Pb (Z = 82). Însă, aceste aprecieri sunt statistice, nu

absolute.

Există şi excepţii de la legea Oddo – Harkins, în categoria acestora înscriindu-se

gazele nobile He (Z = 2), Ne (Z = 10), Ar (Z = 18), Kr (Z = 36) şi Xe (Z = 54), care au nuclei

stabili şi numere de ordine pare. Caracterul lor deficitar în scoarţă se explică prin inerţia lor

chimică, care le împiedică să se fixeze sub formă de combinaţii stabile. Totodată, fiind

elemente gazoase şi având o greutate specifică mică, părăsesc scoarţa terestră. Dintre aceste

gaze nobile, heliul constituie o excepţie, fiindcă o bună parte a cantităţii de heliu care se

pierde în spaţiul cosmic se completează prin nucleele de heliu care rezultă din dezintegrările

radioactive ale elementelor grele. Alte excepţii sunt reprezentate de P (Z = 15) care este mai

abundent decât S (Z = 16), Mn (Z = 25) mai abundent decât Cr (Z = 24) şi aluminiul (Z = 13)

mai abundent decât Mg (Z = 12).

Victor Goldschmidt, comparând valorile clarkurilor elementelor cu numerele lor

atomice Z, a constatat că cele mai răspândite sunt elementele cu Z < 30 iar clarkul

elementelor cu Z > 30 scade în raport cu creşterea numărului atomic (legea lui Goldschmidt).

Ulterior s-a constatat că scăderea se face exponenţial pentru 30 < Z < 50 iar pentru Z > 50

abundenţa elementelor este foarte scăzută şi nu variază foarte mult cu Z.

Dacă se construieşte o curbă logaritmică şi se însumează, pe axa absciselor, numerele

de ordine ale elementelor iar, pe axa ordonatelor, logaritmii clarkurilor, legea menţionată mai

sus îşi va găsi o expresie mai concretă (fig.2 şi 3). Abundenţele elementelor din aceste

diagrame sunt exprimate ca număr de atomi raportat la 106 atomi de siliciu. Din aceste figuri

se poate evidenţia o tendinţă generală de scădere a clarkurilor de la stânga la dreapta,

concomitent cu creşterea numărului de ordine.

Legea lui Goldschmidt, are şi excepţii. Astfel, de exemplu, Li, Be şi B au clarkuri

relativ mici în raport cu numerele lor de ordine (3, 4 şi respectiv 5), iar Fe (Z = 26) şi Pb (Z =

82) prezintă o valoare a clarkului mai ridicată decât cea care ar corespunde numărului de

ordine. Deficitul elementelor Li, Be şi B se explică atât prin instabilitatea nucleelor atomice,

cât mai ales prin faptul că ele participă la diferite transformări nucleare. Experimental, s-a

dovedit că prin bombardare cu protoni rapizi (proces posibil şi în condiţii naturale), acceleraţi

termic, aceste elemente pot fi uşor transformate, cu formare de heliu : 73 Li + H → 2 He 1

142

63 Li + H → He + He 1

142

32

94 Be + 1

1 H → Li + He 63

42

2

115 B + H → 3 He 1

142

La fel trebuie explicat şi clarkul extrem de mic al radiului (Ra) şi protactiniului (Pa), deoarece

aceste elemente se dezintegrează spontan. Clarkul ridicat al plumbului se explică prin faptul

că acesta poate rezulta şi din dezintegrarea spontană a thoriului şi uraniului. Elementele

tecneţiu (Tc) şi promeţiu (Pm) nu apar natural în Univers. Elementele cu Z > 83 (Bi) nu au

izotopi stabili ; acestea apar natural deoarece sunt produse rezultate din dezintegrarea

radioactivă a U şi Th.

Faptul că abundenţa elementelor scade odată cu creşterea numărului de ordine se

explică prin instabilitatea nucleelor elementelor cu număr de ordine mare. Cele mai puţin

stabile sunt nucleele elementelor radioactive care au, în acelaşi timp, şi numerele de ordine

cele mai mari. Acest lucru este evidenţiat de legea lui Fersman, care spune că izotopii de tip

4q sunt mai răspândiţi decât cei de tip 4q+1, 4q+2 şi 4q+3. Un izotop 4q este acela care are

masa atomică A multiplu de 4. Acest tip de atomi se distrug foarte greu şi trec relativ uşor în

atomi de alte tipuri.

Tabelul 2.

Răspândirea tipurilor de izotopi. Tipul atomului Procente de greutate Procente atomice

4q 86.81 71,81 4q+1 0,01 0,01 4q+2 0,05 0,05 4q+3 12,68 7,91

H* 0,15 17,24 * hidrogenul are indicele de masa egal cu 1

Observaţiile lui Fersman au fost explicate mai târziu de către fizica nucleară. Fizica

nucleară a furnizat teoria formării elementelor chimice prin reacţii termonucleare care au loc

în centrul stelelor. Primul element, apărut în prima secundă care a urmat Marii Explozii (Big

Bang), a fost hidrogenul (H). Apoi, printr-o succesiune de coliziuni între atomi, a fost produs

rapid izotopul său greu - deuteriul (D), urmat îndeaproape de heliu (He) (temperatura fiind de

2 x 107 ºC). Aceste două elemente primordiale, formate în primele ore, reprezintă circa 99%

din masa actuală a Universului (fig.2).

H + 1 H → H 1 2

H + 1 H → 3 He 2

He + He → He + 2 1 H 3 3 4

3

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

1.E+09

1.E+10

1.E+11

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91

numarul atomic (Z)

log

(abu

nden

ta)

H

He

Li

Be

B

C O

F

Fe

Pb

Bi

Th

U

Sc Ba

Ca

Sr

N

Si

Ne

Na

Mg

Al

P

S

Cl

Ar

K

Ti

V

Cr

Mn

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

RbY

Zr

Nb

MoRu

Re

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs La

Ce

Pr

Nd

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Fig.2. Abundenţa elementelor în Univers (Geochemical Earth Reference Model web page http://www-ep.es.llnl.gov/).

4

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91

numarul atomic (Z)

log

(abu

nden

ta)

H

Li

Be

B

C

O

F

Fe

Sc Ba

Pb

Bi

Th

U

Sr

Ca

N

Si

Fig.3. Abundenţa elementelor pe Terra (Geochemical Earth Reference Model web page http://www-ep.es.llnl.gov/).

.

5

Toate celelalte elemente (în număr de 109, descoperite până în prezent) au fost

produse mult mai târziu, după formarea galaxiei, în procesele interstelare. În faza de gigant

roşu a stelelor de talie mare şi la temperaturi de ordinul 2× 108 ºC, prin coalescenţa atomilor

de He (A = 4) s-a produs carbonul C (3 x 4He = 12C), urmat de oxigen O (4 x 4He = 16O),

magneziul 24Mg, sulful 32S, calciul 40Ca şi siliciul 28Si (temperatura 2 x 109 ºC) şi în sfârşit,

prin fuziunea a doi atomi de siliciu s-a format fierul (A = 56).

He + He → Be 4 4 8

He + Be → 12 C 4 8

Utilizarea heliului explică de ce nuclidele a căror masă atomică (A) este un multiplu de 4

formează singure 85% din masa planetelor telurice (planetele telurice = planetele compuse

din roci silicatice; sistemul solar are 4 planete telurice: Mercur, Venus, Terra şi Marte). De

fiecare dată când un element trece prin fuziune termonucleră într-un alt element, aceasta se

face cu un plus de energie, iar abundenţa elementelor se diminuează odată cu creşterea

numărului lor atomic (fig.2 şi fig.3).

Creşterea temperaturii este capabilă să ducă la apariţia de noi elemente doar până la 56Fe, pentru că celelalte elementele mai grele decât acesta sunt instabile. Fierul reprezintă o

excepţie, pentru că nucleul lui este stabil, de unde şi picul din fig. 2.

Nici o stea din univers nu poate fuziona fierul sau elemente mai grele, fiindcă energia

necesară pentru a fuziona fierul şi elementele mai grele decât acesta este mai mare decât

energia obţinută din fuziunea nucleară. Acest lucru nu depinde de mărimea stelei, ci de

energia care leagă particulele subatomice din nucleul atomic. Elementele mai grele decât

fierul s-au produs printr-un nou proces, numit adiţie de neutroni. Acest proces se desfăşoară

lent, şi explică formarea de elemente până la 109Bi, care este următorul izotop stabil.

Dacă adăugăm un neutron la 56Fe, masa acestuia se măreşte cu o unitate şi rezultă 57Fe:

56Fe + n → 57Fe.

Adiţionarea unui alt neutron duce la formarea 58Fe, iar adăugarea unui al treilea formează 59Fe (element instabil, cu perioada de înjumătăţire de 44,5 zile):

57Fe + n → 58Fe

58Fe + n → 59Fe.

Dacă acest neutron emite energie sub forma unei particule subatomice, neutronul

devine un proton, astfel nucleul atomic are acum 27 protoni în nucleu şi este elementul cobalt

(Co) 27, în timp ce numărul de masă a rămas neschimbat :

6

59Fe → 59Co + e . −

În felul acesta, prin adăugiri succesive de neutroni până ce elementul devine instabil, s-au

format elementele până la 109Bi (fig.4).

Fig.4. Un exemplu de desfăşurare a

adiţiei de neutroni.

În faza de explozie a unei supernove (fenomen care se produce odată la 100 ani în

galaxia noastră şi în fiecare secundă în Universul observabil) are loc o contracţie a nucleului

de fier al stelei şi deci o eliberare de energie gravitaţională care conduce la temperaturi de

ordinul 5× 109 ºC. Elementele din grupul fierului se dezintegrează rapid la aceste

temperaturi, ceea ce permite apariţia elementelor radioactive grele cu nuclee instabile de tipul

thoriului şi uraniului.

Cazuri particulare de nucleosinteză sunt cele ale litiului, beriliului şi borului. Aceste

elemente uşoare, extrem de puţin abundente în Univers în comparaţie cu alte elemente uşoare

(fig.2), nu s-au putut forma prin procesele descrise mai sus, pentru că se distrug la

temperatura de fuziune a hidrogenului. Originea lor trebuie căutată în spargerea nucleelor

atomice prin bombardarea materiei interstelare de către radiaţiile cosmice.

7

În tabelul 3 sunt date câteva exemple care să ilustreze aceste afirmaţii, alegând

elementele cele mai răspândite în scoarţa terestră.

Tabelul 3.

Elementul Numărul de masă (A) al nucleului Abundenţa naturală (%)

Oxigen 16 99,757 17 0,038 18 0,205

Siliciu 28 92,2207 29 4,6832 30 3,0872

Fier

54 5,845 56 91,754 57 2,119 58 0,282

Calciu

40 96,941 42 0,647 43 0,135 44 2,086 46 0,004 48 0,187

Magneziu 24 78,99 25 10,00 26 11,01

Sulf

32 94,93 33 0,76 34 4,29 36 0,02

Carbon 12 98,93 13 1,07

Abundenţa izotopilor de tipul 4q se explică prin faptul că nucleul de heliu, cu numărul

de masă (A) = 4, format deci din 4 nuclee de atomi de hidrogen, este un nucleu stabil, iar

nucleele atomice ale celorlalte elemente cu izotopi de tipul 4q, formaţi din astfel de particule

vor fi, la rândul lor, stabile dar şi mai abundente. Stabilitatea nucleelor de heliu este

confirmată şi de procesele de radioactivitate spontană, în care sunt expulzate particule alfa,

care nu sunt altceva decât nuclee de heliu.

Există totuşi o serie de elemente, printre care unele destul de răspândite, la care

predomină izotopii de alte tipuri. De exemplu, la potasiu predomină izotopul cu indicele de

masă 39, la nichel – cel cu masa 58, la azot – cel cu masa 14 etc.

Toţi nucleii cunoscuţi pot fi împărţiţi în patru grupe, în funcţie de paritatea (p) sau

imparitatea (i) numărului de ordine (Z), numărului de neutroni (N) şi respectiv a numărului de

8

masă (A ; numărul de masă A reprezintă numărul de nucleoni). Din tabelul 4 se poate vedea

că din totalul de 274 de nuclizi stabili existenţi în natură, 165 sunt de tipul p-p-p iar tipul i-i-

p este atât de instabil, încât de fapt aproape că nu există în natură, fiind reprezentat de numai

4 nuclide. Până la Z = 7, din cauza construcţiei simple a nucleului se găsesc 3 elemente

stabile de acest tip : Li, B, N. Între elementele cu Z > 7 nu mai există decât doi nuclizi

nestabili de tip i-i-p – radioactivi naturali şi cu răspândire redusă : K şi La.

63

105

147

4019

13857

Tabelul 4. Tipuri de nuclide.

Structuri Exemplu Numărul de nuclizi stabili % Z N A

p p p O168 165 60,22

p i i 94 Be 55 20,07

i p i 73 Li 50 18,25

i i p 105 B 4 1,46

Cu toate excepţiile enumerate mai sus, se poate spune că, în general, în partea

superioară a litosferei, elementele pare sunt de circa 10 ori mai abundente decât elementele

impare vecine în sistemul periodic. Această constatare este valabilă, în primul rând, pentru

elementele cu număr de ordine mic, fiindcă pe măsură ce creşte numărul de ordine scade şi

abundenţa lor.

Legi de răspândire

Din cele enunţate mai sus, rezultă că răspândirea elementelor este corelată cu

stabilitatea nucleelor. Cu cât un element este mai stabil, cu atât el este mai răspândit.

Legile de răspândire se bazează pe legile de stabilitate ale elementelor şi sunt

următoarele :

a. legea simplităţii. Aceasta spune că un element este cu atât mai stabil şi mai

răspândit cu cât are o structură mai simplă. Hidrogenul şi heliul, care sunt cele mai

răspândite elemente în Univers, sunt cele mai simple. Terra este un caz particular

care nu asigură această răspândire, pentru că H şi He fiind elemente foarte uşoare

migrează în afara atmosferei terestre. Alte exemple de elemente simple : Al, Na,

P, F etc. Această lege este cea care justifică observaţia statistică care indică mai

larga răspândire a elementelor cu Z < 30;

9

b. legea defectului de masă ( MΔ ). Aceasta spune că elementele pentru care

energiile de legătură pe nucleon (raportul AMΔ ) sunt mari, sunt mai răspândite

decât celelalte. Defectul de masă ( MΔ ) este diferenţa dintre masa calculată şi

masa măsurată a unui nucleu şi se datorează consumului de energie necesar

păstrării particulelor cu aceiaşi sarcină în nucleu (fig.5).

Ex. : 12C masa atomică experimentală = 12,00000 u

masa atomică calculată = 12,09894 u

6 protoni = 6 x 1,007825 u = 6,04695 u

6 neutroni = 6 x 1,008665 u = 6,05199 u

MΔ = 0,09894 u (unitaţi de masă atomică unificată = 1 u = 1 / 12 m (12 C)

Elementul cu defectul de masă cel mai mare este heliul iar elementul cu defectul

de masă cel mai mic este hidrogenul. Deasemenea, prezintă defecte de masă ceva

mai mari elementele situate la mijlocul sistemului periodic, cele cu 70 < A < 150

(elementele de la As la La). Aceste elemente ar trebui să fie, în virtutea legii

simplităţii, destul de nestabile şi puţin răspândite; defectul lor de masă mare le

asigură însă o oarecare răspândire ;

Fig.5. Ilustrarea defectului de masă.

c. legea numerelor preferate. Aceasta se enunţă astfel: elementele care au numere

preferate sunt mai stabile decât cele care nu au numere preferate (tabelul 5).

Număr preferat sau număr magic = numărul întreg de protoni, respectiv de

neutroni, ce trebuie să-i conţină un nucleu atomic pentru a putea prezenta

stabilitate maximă. Elementele care au numere preferate pentru protoni (Z) sunt

caracterizate prin nuclee stabile; dacă au numere preferate şi pentru Z şi pentru

neutroni (N) sunt cu atât mai stabile. În cazul în care elementele au numere

10

preferate doar pentru N, acestea sunt mai puţin stabile decât dacă ar fi avut număr

preferat numai pentru Z. Numerele preferate sunt : 2, 8, (14), 20, 28, 50, 82, 126.

Tabelul 5.

Număr preferat pentru protoni

2 8 (14) 20 28 50 82 126

Element He O Si Ca Ni Sn Pb Număr preferat pentru neutroni

2 8 14 20 28 50 82 126

Element He O Si Ca Ca Sn Sn Pb C Mg Ni Zr Ba Bi N Al Al Sr Ce Ar

K

După cum se observă, toate numerele preferate sunt pare. Nuclidele care au număr

preferat şi pentru Z şi pentru N, au maxim de stabilitate şi în consecinţă sunt dintre

cele mai răspândite în Univers: 4He, 16O, 28Si, 40Ca etc. Sunt numai 7 izotopi

stabili care prezintă numere preferate şi pentru protoni şi pentru neutroni, la cele

enumerate anterior adăugându-se 48Ca (acest izotop pentru că are perioada de

înjumătăţire 4,3×1019 ani este considerat practic stabil), 48Ni şi 208Pb. 208Pb este cel

mai greu izotop stabil care prezintă numere magice. 100Sn şi 132Sn sunt izotopi

instabili care prezintă numere magice şi ei reprezintă limita după care stabilitatea

scade foarte accentuat. În anul 2006, o echipă de cercetători de la Universitatea

Tehnică din München (Germania) a descoperit un nou izotop, izotopul 270Hs

(hassium-270) despre care s-a afirmat că prezintă o oarecare stabilitate şi numere

preferate pentru protoni şi pentru neutroni. Această lege este aceea care justifică

criteriul statistic al lui Fersman.

Dintre elementele cu număr preferat sunt stabile şi răspândite doar cele care au

raportul NZ egal cu o anumită valoare. Astfel, pentru a li se asigura stabilitatea,

elementele cu A < 20 trebuie să aibe NZ = 1, iar pentru elementele cu A > 20,

NZ

trebuie să fie 1,5.

Un element este cu atât mai stabil cu cât respectă mai multe legi de stabilitate. Spre

exemplu, He este elementul cel mai stabil, pentru că respectă toate cele trei legi de stabilitate.

11

Influenţa dimensiunii atomilor în răspândirea elementelor

Variaţia volumului atomic în funcţie de numărul de ordine Z Volumul atomic este raportul dintre masa atomică a elementului şi greutatea sa

specifică, în stare solidă. În sistemul periodic, volumul atomic este rezultanta tendinţei de

mărire a volumului, datorate apariţiei unui nivel energetic suplimentar şi a electronilor pe

diverşii orbitali şi a scăderii de volum, datorată unei mase din ce în ce mai mare care atrage

acelaşi nivel energetic. Deci, volumul atomic al unui element creşte atunci când electronii de

valenţă apar pe un nou nivel energetic şi scade atunci când apar electroni de valenţă pe

acelaşi nivel energetic (şi o masă din ce în ce mai mare atrage acelaşi nivel energetic).

Volumul atomic rămâne aproximativ egal atunci când complectarea cu electroni se realizează

pe nivele de energie intermediare. În cazul elementelor de tranziţie, tendinţa de creştere

acţionează concomitent cu cea de scădere a volumelor lor atomice.

Trecerea de la un element la altul se realizează cu creştere de volum în grupe (de sus

în jos) iar scăderea de volum se realizează în cadrul perioadelor. În fig.6 este indicată variaţia

periodică a volumului atomic, care este maxim pentru metalele alcaline şi scade treptat cu

perioada până la grupa a 8-a, ca apoi să crească iar. Din această diagramă rezultă că

maximele sunt ocupate de elemente din grupa 1, minimele sunt ocupate de elemente din

grupa 6, pe laturile descendente întâlnim elemente din grupele 2, 3, 4 şi 5 iar pe laturile

ascendente elemente din grupele 7 şi 8 ; palierele sunt ocupate de elemente de tranziţie.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 72 74 76 78 80 82 84 86

0,2

0,4

0,6

0,81,0

1,2

1,4

1,6

1,82,0

2,2

2,4

2,6

57

Li

BeC

N O

Ne

Na

Mg

Al Si

S Cl

Ar

K

Ca

ScTi

V Cr

Mn

Fe

CoCu

Zn

Ga

Ge As SeBr

Kr

Rb

Sr

ZrNb

Mo

Ru

Re

PdAg

Cd

InSn

Sb TeI

Xe

Cs

Ba

Hf

TaW

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

numarul atomic (Z)

o

Fig.6. Variaţia razei atomice a elementelor în funcţie de numărul atomic.

12

Variaţia volumului atomic pentru acelaşi element Transformarea atomului în ion se face cu modificarea volumului atomic. Atomii, prin

pierdere de electroni, formează ioni pozitivi (cationi) şi prin câştig de electroni, ioni negativi

(anioni).

Razele cationilor sunt mai mici decât cele ale atomilor neutri, deoarece aceiaşi sarcină

nucleară pozitivă va atrage un numar mai mic de electroni, ducând la contractarea volumului.

Dacă un element prezintă mai multe trepte de valenţă, razele cationilor scad când valenţa

creşte (anexa 1). Un exemplu îl prezinta fierul :

Fe Fe2+ Fe3+

raza ionica (Å) 1,27 0,83 0,69

În perioadă, raza cationilor scade, deoarece un număr crescând de protoni îşi exercită forţa de

atracţie pe aceiaşi număr de electroni. În grupă, razele cationilor cresc.

Este foarte interesantă contracţia lantanidelor, care infirmă această constatare generală

(fig.7). În cazul elementelor cu număr atomic (Z) între 55 (Cs) şi 71 (Lu), se poate observa o

scădere a valorii razelor lor atomice. Acest lucru se datorează faptului că orbita N a acestor

elemente se complectează la 32 de electroni, producându-se astfel o atracţie mai puternică a

orbitelor de electroni.

Fig.7. Variaţia razei atomice în grupa lantanidelor (valenţa elementelor este 3+, cu excepţia celor notate altfel).

Razele anionilor sunt mai mari decât razele atomilor neutri, deoarece aceiaşi sarcină

nucleară pozitivă se va exercita pe un număr mai mare de electroni:

Cl Cl −

raza ionică (Å) 1,07 1,81

13

14

În perioadă, razele anionilor scad deoarece sarcina nucleară, care creşte cu o unitate, se

exercită pe acelaşi număr de electroni, fapt care duce la micşorarea razei. În grupă, razele

anionilor cresc.

În momentul în care se discută despre dimensiunile unui atom sau ion al unui element,

este obligatoriu să se spună pentru ce coordonare este valabilă această dimensiune. În funcţie

de numărul de coordonare, acelaşi element are volum diferit. Numărul de coordonare este

numărul de atomi sau de ioni dispuşi simetric în jurul unui atom (ion) central. Exemplu : în

silicaţi fiecare ion de siliciu este înconjurat de 4 ioni de oxigen (deci Si are numărul de

coordonare 4), în timp ce în cuarţ Si are numai doi atomi de O de învecinaţi (deci indicele lui

de coordonare este 2). De obicei, volumul atomic (ionic) este determinat pentru coordonarea

cea mai obişnuită.

Creşterea numărului de coordonare determină creşterea razei ionului central, iar

scăderea lui duce la micşorarea razei. De ex. : Si coordonare 4 ri = 1,17 Å

coordonare 8 ri = 1,26 Å

coordonare 12 ri = 1,30 Å

Variaţiile de volum datorate numărului de coordonare sunt evidente, dar nu şi substanţiale.

În reţelele ionice, ionii se polarizează reciproc. Fiecare ion reprezintă el însuşi o sursă

de câmp electric şi are o acţiune polarizantă asupra ionilor vecini. Urmărind comportamentul

elementelor, din punct de vedere dimensional, sub acţiunea unui câmp electric, s-a constatat

că unele nu-şi modifică dimensiunile (elemente cu polarizaţie pasivă, care se lasă deformate ;

ex. : Na, K, Ca, Cl, B, I), în timp ce altele îşi modifică dimensiunile (sunt polarizabile şi

deformează ultimele nivele energetice ale anionului; ex. : Cu, Pb, Zn, S). Acţiunea

polarizantă a cationului depinde de următorii factori : structura învelişului electronic exterior,

sarcina electrică şi raza lui.

Puterea deformantă a cationului este cu atât mai mare cu cât valenţa sa este mai mare

şi raza ionică mai mică. Din această cauză, ionii elementelor tranziţionale şi ionii cu 18

electroni pe ultima orbită au o polarizaţie activă mai mare decât ionii cu structură de gaz inert

(8 electroni pe ultimul strat). Ex. : Ag+ polarizează mai puternic decât Na+, cu raza ionică

asemănătoare dar cu structură de gaz inert.

Influenţa polarizaţiei va fi maximă atunci când din aceiaşi reţea fac parte cationi cu

polarizaţie mare şi anioni cu polarizaţie pasivă.