Universitatea din Oradea

Facultatea de Stiinte

Specializarea: Chimie

Variatia proprietatilor elementelor in sistemul periodicOradea

Proprietatile fizice si chimice ale elementelor se clasifica in:1. proprietati neperiodice care depind de nucleul atomic cum sunt: masa atomica cu valori cuprinse intre 1,008(H) si 262, numarul atomic Z cu valori de la 1 la 109 si spectrele de radiatii X, prezinta o variatie liniara cu numarul atomic, 2. in timp ce toate proprietatile chimice si multe din proprietatile fizice care depind de structura invelisului exterior de electroni:

- proprietati periodice chimice: caracterul electropozitiv si electronegativ, valenta, numarul de oxidare.

- proprietati periodice fizice: raza atomica, raza ionica, energia de ionizare, afinitatea pentru electroni.

Aceasta, subliniaza faptul ca in structura sistemului periodic, fiecare perioada incepe cu un metal alcalin si se sfarseste cu un gaz rar, precedat de un halogen. Metalele alcaline alcatuiesc grupa I A, fiind urmate de cele alcalino-pamantoase ( grupa II A). Elementele acestor doua grupe avand electronul distinctiv situat intr-un orbital ns, fiind caracterizate prin proprietati chimice asemanatoare si tendinta de a pierde usor electronii ns pentru a forma ioni pozitivi.

Celalalte grupe principale contin electronul distinctiv intr-un orbital np. In trecerea de la grupa IV A spre grupa VII A, apare tendinta de a accepta electroni in stratul exterior spre a forma ioni negativi. Acest lucru fiind evidentiat cu usurinta in grupa a VII A, grupa halogenilor ce formeaza ioni negativi fiind urmata de grupa a VI A a calcogenilor. Gazele rare inscrise in grupa zero, se disting prin inertia lor chimica si posibilitatile reduse de a genera combinatii.In subgrupe, elementele avand electronul distinctiv situat intr-un orbital (n-1)d, deci cu o structura a straturilor exterioare identica, au proprietati chimice mult mai apropiate decat elementele din grupele principale. Astfel, toate aceste elemente denumite tranzitionale d, prezinta stari de oxidare variabile, tendinta de a forma combinatii coordinative.

Asemanarea intre proprietatile chimice si cele fizice intre membrii aceleasi grupe este si mai accentuata in cazul elementelor cu electronul distinctiv situat intr-un orbital (n-2)f, in special in grupa lantanidelor, fapt pentru care se separa greu in stare pura.

Din proprietatile chimice, un loc important il ocupa starea de oxidare(valenta) si caracterul electrochimic evaluat prin electropozitivitatea sau electronegativitatea elementelor.

Numarul de oxidareCapacitatea atomilor de a se combina intre ei este data de numarul de oxidare a elementelor. Aceasta notiune inlocuieste conceptul clasic de valenta mai putin precis, se defineste prin numarul de sarcini electrice pozitive sau negative care pot atribuii unui atom dintr-o combinatie, in functie de sarcinile electrice reale sau formale ale celorlalti atomi cu care este combinat. In stabilirea numarului de oxidare al unui atom, trebuie sa aiba in vedere electronegativitatea celorlalti atomi precum si urmatoarele principii:

- Fluorul are in toate combinatiile sale N.O= -1

- Oxigenul are N.O=-2 exceptie fiind oxizi de flor in care N.O=+2

- metalele, cu putine exceptii, au N.O pozitive, metalele alcaline avand constant N.O=+1 iar metalele alcalino-pamantoase au N.O=+2

- substantele elementare au N.O=0

- suma sarcinilor pozitive si negative ale elementelor dintr-o combinatie este=0

- numarul maxim de oxidare pozitiv al unui element coincide cu numarul grupei din care face parte (img 1)

Exista unele exceptii de la regula numarului de oxidare pozitiv maxim pentru elementele perioadei a II A, precum si pentru elementele tranzitionale ale grupelor VII A si I B.

Majoritatea elementelor nemetalice prezinta atat stari de oxidare pozitive cat si negative, pe cand metalele prezinta de regula stari de oxidare pozitiva. De exemplu: in hidrurile elementelor grupelor principale, variatia starii de oxidare a elementelor unei perioade este urmatoare: elementele primelor 4 grupe au fata de H stari de oxidare pozitive egale cu numarul grupei din care fac parte cu exceptia C, care fiind mai electronegativ decat H are N.O= -4 in hidrocarburi, iar elementele din grupele mari V A- VII A, au stari de oxidare negative = (8-n)

Variatia caracterului electrochimic

Caracterul electrochimic al unui element este definit de predominarea uneia din cele doua caracteristici conjugate si anume: electropozitivitatea si electronegativitatea.

- Electropozitivitatea se exprima prin tendinta unui atom izolat de a ceda electroni pentru a se transforma in cation.

- Electronegativitatea se refera la tendinta unui atom izolat de a accepta electroni trecand in anion.

Un element care prezinta mai accentuat una din aceste caracteristici, o manifesta mai slab pe cealalta. Prin urmare, ambele caractere electrochimice pot fi definite printr-una dintre ele. In perioade, caracterul electropozitiv (metalic) al elementelor din subgrupele principale se micsoreaza de la stanga la dreapta, marindu-se in acelasi timp caracterul lor electronegativ (nemetalic). In partea stanga a sistemului periodic se afla elementele puternic electropozitive, care cedeaza usor electronii de valenta, trecand in ioni pozitivi. Caracterul electropozitiv se micsoreaza treptat in favoarea caracterului electronegativ, adica atomii elementelor capteaza din ce in ce mai usor electroni, trecand in ioni negativi. De aceea, in partea dreapta a sistemului se afla elementele puternic electronegative.

In grupele principale caracterul electropozitiv se mareste de sus in jos, micsorandu-se in acelasi timp caracterul electronegativ. De exemplu, in grupa I A electropozitivitatea se mareste de la Li la Cs:

Li < Na < K < Rb < Cs; Cs fiind cel mai electropozitiv iar Li cel mai putin electropozitiv. In grupa VII A, caracterul electronegativ scade de la F la I: F > Cl > Br > I; F fiind cel mai electronegativ, iar I cel mai putin, astfel, pe langa caracterul sau nemetalic manifesta si un caracter metalic, in combinatiile: ICl, ICl3, si I(IO3)3.

In grupele secundare caracterul electropozitiv scade de sus in jos. De exemplu in grupa I B, Cu este mai electropozitiv decat Ag, iar acesta la randul lui este mai electropozitiv decat Au: Cu > Ag > Au. Prin urmare, variatia caracterului electropozitiv al metalelor din grupele secundare este inversa celei din grupele principale.Elementul cu cea mai mare valoare a electronegativitatii este Flourul (~3.9) urmat de Oxigen, Azot. Metalele alcaline au cea mai mica electronegativitate, < 1 cu exceptia Li (~1.0) care este luat ca si etalon, iar Cesiu are cea mai mica valoare (~0.7). In perioade, electronegativitatea elementelor creste pe masura ce sarcina nucleara efectiva creste si raza atomica scade. La elementele din grupele secundare, electronegativitatea variaza dezordonat, fiind totusi inversa variatiei razelor atomice. Elementele ce prezinta valori mari, sunt denumite nemetale sau metaloizi, iar elementele cu electronegativitate mica, metale. Practic, nu este posibil a se trasa o granita neta intre metale si nemetale, existand o trecere lenta de la o grupa la alta, fapt pentru care la elementele semimetalice apar ambele caractere. Astfel incat, trecerea de la elementele cu caracter metalic la cele cu caracter nemetalic se face cu ajutorul semimetalelor: B, Si, Ge, As, Sb etc.Variatia energiei de ionizareEnergia de ionizare se refera la energia consumata pentru indepartarea unuia sau a mai multor electroni dintr-un atom izolat. Reprezentand grafic variatia energiei de ionizare pentru primul electron din atomii elementelor in functie de Z (img 3), se constata ca ea creste in perioade de la grupa I A la grupa VII A respectiv grupa zero, datorita cresterii continue a sarcinii nucleare efective. Minimele acestui grafic sunt ocupate de metalele alcaline care au tendinta pronuntata de a pierde unicul electron din stratul electronic exterior spre a realiza configuratie stabila a gazului precedent.

Maximele graficului sunt ocupate de gazele rare, care datorita configuratiei stabile, necesita energii de ionizare foarte mari. Unele configuratii electronice cu o stabilitate mai mare ca de exemplu, perechea de electroni ns2 in cazul elementelor alcalino-pamantoase, configuratiile de semiocupare (N, P, As) sau configuratii complete (n-1)d10ns2 ale elementelor din grupa II B, determina valori mai mari ale energiei de ionizare fata de a elementelor invecinate in sistem. In grupele principale, odata cu cresterea numarului de straturi din invelisul electronic al unui atom, scade energia de ionizare. La elementele tranzitionale, energiile de ionizare sunt mai mari decat la elementele metalice din grupele principale, deoarece raza lor atomica este mai mica, iar variatia este dezordonata. Variatia caracterului electrofizicToate proprietatile fizice determinate de invelisul electronic al atomilor cum sunt: volumele si razele atomice, razele ionice, densitatea, punctele de topire si de fierbere, conductibilitatile termice, electrice si altele variaza periodic.

Volumele si razele atomiceIntre volumele si razele atomice exista un paralelism, ele variinda periodic cu numarul atomic Z. Astfel incat, raza atomica pentru atomul izolat, este mult mai deosebita decat a atomilor legati, acesta din urma depinzand de tipul legaturii chimice si ca atare se cunosc raze ionice, covalente, Van der Waals.Raza atomului izolat, exprimata in nm se poate evalua cu ajutorul relatiei: r=0,053n2/(Z-) in care: - n = numarul cuantic principal al stratului electronic exterior - Z- = sarcina nucleara efectiva dedusa cu ajutorul relatiilor lui Slater

In grupele principale raza atomica creste odata cu numarul atomic Z, datorita sporirii numarului de straturi electronice, iar in perioade scade de la grupa I A la grupa VII A, datorita cresterii sarcinii nucleare efective.

Cele mai mari valori ale razelor atomice se gasesc la elementele alcaline (img 4), al caror electron distinctiv ns1 este slab legat de nucleu, urmate de elementele alcalino=pamantoase si de gazele rare. Cele mai mici valori, le reprezinta elementele din grupa oxigenului, halogenilor, precum si elementele tranzitionale la acestea din urma, raza atomica suferind fenomenul de contractie. In cazul seriilor de elemente tranzitionale d, contractie este mai mica, dar continua pana la grupa a VIII A dupa care se constata o usoara crestere la elementele cu configuratia electronica (n-1)d7 pana la (n-1)d10 . Cea mai puternica contractie o reprezinta lantanidele. Gazele rare au de asemenea raze atomice mari datorita configuratiei electronice stabile, care determina o ecranare aproape totala a sarcinii nucleare. Marimea razei atomice influenteaza puternic proprietatile fizice si chimice ale elementelor.

Volumul atomic: Are o variatie asemanatoare cu a razei atomice. Volumul atomic al unui element reprezinta volumul ocupat de un atom-gram, calculat din raportul dintre masa atomica (A) si densitatea (). Reprezentand grafic variatia volumelor atomice in functie de numarul atomic Z, se observa ca cele mai mari valori le au elementele alcaline, urmate de gazele rare, metalele alcalino-pamantoase, halogenii, elementele din grupa VI A, iar minime se situeaza elementele din grupa IV A, precum si metalele tranzitionale. In grupe, volumele atomice cresc de sus in jos.

Raza ionica: Difera de cea atomica, fiind mai mare pentru anioni care are un surplus de electroni in invelis si mai mica pentru cationi , datorita pierderii de electroni din invelis si cresterii sarcinii nucleare efective. Daca se compara razele ionice cu configuratia de gaz rar, provenite de la elementele din grupele principale se constata ca ele scad in perioade si cresc in grupe.

In seriile tranzitionale, cu unele exceptii la elementele tranzitionale d, razele ionice in aceasi stare de oxidare scad cu numarul atomic, fenomen deosebit de accentuat in seria lantanidelor si cunoscut sub denumirea de contractia lantanoidelor. Acesta se explica prin cresterea continua a sarcinii nucleare efective odata cu numarul atomic Z, in comparatie cu schimbarea nesemnificativa a invelisului exterior cauzata de prezenta electronului distinctiv in orbitalii f din stratul antepenultim. In imaginea de mai jos este reprezentata o diagrama comparativa a volumelor unor ioni.

DensitateaIn grupele principale si secundare, densitatea creste cu numarul atomic Z, iar in perioade, de la extermitati spre centrul sistemului periodic. Reprezentand grafic densitatile in functie de numarul atimic Z, se obtine o curba care atesta o variatie periodica. Valorile lor sunt date in g/cm-3.

Dintre nemetale, cel mai usor este H(0,0089) urmat de He (0,18), iar cei mai grei sunt C (3,52) si I (5,15). Li este cel mai usor metal (0,53) iar Os (22,6) si Ir (22,5) ele mai grele metale.

Astfel, dupa valoarea densitatilor, metalele se clasifica in: metale usoare si metale grele. Metalele usoare se caracterizeaza prin raza atomica, respectiv volum atomic mare si densitate mica. Printre ele se afla metalele alcaline cu densitati cuprinse intre (0,53-1,90), meralele alcalino-pamantoase cuprinse intre (1,86-3,70), metalele din grupa scandiului (3,1-6,2), aluminiul (2,7) si titanul (4,50).

Metalele grele se pot grupa in

- metale grele cu raza atomica medie si densitati destul de mari cuprinse intre (5,0-10,0) cum sunt staniul (5,7), fierul (7,9), cobaltul, nichelul si cuprul (intre 8,7-8,9)

- metale grele cu raza atomica mica si densitati mari cuprinse intre (10,0-22,6) printre care se afla argintul (10,5), plumbul (11,34) aurul (19,3), iridiul (22,5) si osmiul (22,6).

Punctele de topirePrin topire, reteaua cristalina este distrusa cu ajutorul caldurii. Punctul de topire al unei substante este atat mai ridicat, cu cat atractia dintre sarcina pozitiva a nucleului si electroni este mai mare, deci cu cat volumul atomic sau ionic este mai mic. De exemplu, carbonul avand cel mai mic volum atomic dintre toate elementele in stare solida la temperatura obisnuita, se topeste la temperatura cea mai ridicata circa 3500 C in cazul diamantului.

Reteaua cristalina a elementelor, al caror volum atomic este mare, poate fi usor distrusa, deci acestea se topesc la temperaturi relativ joase. Din categoria acestor elemente fac parte metalele alcaline, care au volumele atomice cele mai mari.

In grupele principale, temperaturile de topire in general scad odata cu cresterea numarului atomic Z, pe cand in grupele secundare valorile lor cresc. Cea mai scazuta temperatura de topire se inregistreaza la He (-272,1 C), urmat de H (-259,23 C), iar cea mai ridicata valoare se afla la C (3500C) si dintre metale la wolfram (3410 C).

Dintre nemetale, Br se topeste la -7,25 C, iar dintre metale Hg la -38,84 C, acestea fiind singurele elemente in stare lichida in conditiile normale de temperatura si presiune.

Printre elementele usor fuzibile se numara si: cesiul (28,5 C), galiul (29,8 C), rubidiul (38,7 C), fosforul alb (44,1 C), potasiul (63,5 C), sodiul (99,7 C) si sulful (119 C), iar printre cele mai refractare dupa C si wolfram se gasesc: reniul (3150 C), osmiul (3000 C), molibdenul (2620 C), borul (2300 C) si altele.

Curba de variatie a temperaturilor de topire in functie de numarul atomic Z.

Punctele de fierbere

In linii mari, variatia punctelor de fierbere este analoaga cu cea a punctelor de topire. Cea mai scazuta valoarea o are He (-269 C) si H (252,77 C), iar cele mai inalte valori le ating elementele tranzitionale din perioadele IV, V si VI, la wolfram fiind de 5930 C, dupa care urmeaza reniul si osmiul cu 5500 C. Dintre nemetale, cel mai greu fierbe C cu 4827 C.Energia de ionizare

Prin energie de ionizare se intelege energia exprimata in electro-volt (energia pe care o castiga un electron), necesara pentru scoaterea unui electron dintr-un atom. In imaginea de mai jos este reprezentat grafic variatia energiei de ionizare. In maximele curbei se afla gazele monoatomice, dedesubtul lor halogenii, iar in minime sunt situate metalele alcaline. Aceasta inseamna ca gazele monoatomice ionizeaza cel mai greu, apoi halogenii, iar cel mai usor metalele alcaline.Energia de ionizare este primara, secundara, tertiara, dupa numarul electronilor smulsi din atomi pentru formarea cationului respectiv.

Spectrele optice

Proprietatea elementelor de a forma spectre optice are un caracter periodic. Aceste spectre sunt determinate de electronii din invelisul atomilor. Deoarece distributia electronilor in atomii elementelor din aceasi subgrupa este analoaga, spectrele lor optice sunt asemanatoare. Pentru acelasi motiv, spectrele elementelor dintr-o subgrupa se deosebesc de cele ale elementelor din ale subgrupe.

Spectrele luminoase reflecta existenta electronilor de la periferia atomului, iar spectrele de raze X, electronii din apropierea nucleului atomic.

Culoarea ionilor

Elementele ai caror ioni sunt colorati, fiind situate la mijlocul perioadelor mari, se poate deduce ca sunt cele mai distantate de configuratia electronica a kriptonului, xenonului si radonului.Importanta sistemului periodic

Sistemul periodic al lui Mendeleev a contribuit din plin la dezvoltarea chimiei. Cu ajutorul acestuia, s-au prevazut unele elemente noi, necunoscute in epoca in care a fost intocmit si s-au putut verifica unele date obtinute prin metode diferite. Pe baza acestui sistem, s-au corectat masele atomice ale unor elemente si s-au clarificat anumite inexactitati cu privire la valenta altor elemente.

Odata cu progresele efectuate in cunoasterea structurii atomilor, s-a relevat insemnatatea deosebita a legii periodicitatii.

Legea periodicitatii si sistemul periodic prezinta importanta nu numai pentru chimie si celalalte stiinte ale naturii, cat si pentru filozofie, deoarece in aceasta categorie a elementelor se reflecta, dupa cum s-a mai spus, legile dialecticii materialiste. Bibliografie1. Gh, Marcu, Chimie anorganica, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1981

2. C. Rabega, Chimie generala, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1970

3. A. Fodor, Chimie anorganica generala, Editura Universitatii din Oradea, Oradea, 20113