SISTEMUL PERIODIC AL ELEMENTELOR

Sistemul periodic

A Spiral Periodic Table

Mayan Periodic Table

Perioada Grupa

Razele atomice / Numarul atomic

Razele atomice (pm)

Energia de ionizare, A - energia consumata (necesara) pentru

expulzarea unui electron dintr-un atom

neutru, cu formarea unui ion pozitiv. M M+ + e-

Afinitatea pentru electroni, AA

- energia degajata (sau absorbita) pentru

acceptarea unui electron de catre atom,

cu formarea unui ion negativ. A + e- A-

Electronegativitatea

-capacitatea unui atom neutru, de a accepta electroni.

XA = (IA + AA) /2 Mulliken:

Sistemul periodic - electronegativitate

Summary of Periodic Trends

Legtura chimic:

- determin structura i proprietile substaelor - este determinat de nveliul electronic exterior configuraia electronic a atomilor

Formarea legturilor chimice spontan, cu degajare de energie. Starea final molecula, macromolecula sau reeaua este mai stabil dect atomii liberi.

Structura unei substane:

natura atomilor constitueni

aranjamentul spaial al acestora

fortele de legtur dintre atomi

Principalele tipuri de legturi chimice:

electrovalena covalena legtura metalic legtura van der Waals legtura de hidrogen

Teoria electronic a legturii chimice (clasic) W.Kossel, G.N.Lewis (1916) Teoria electronic a legturii chimice :

- tendina de combinare este cauzat de instabilitatea configuraiei electronice a atomilor liberi,

- stabilitatea configuraiei de gaz nobil realizarea octetului electronic, - tendina de folosire ct mai complet a electronilor i orbitalelor disponibile.

Prin combinare chimic atomii i modific straturile exterioare de electroni, realiznd configuraii mai stabile, identice cu ale gazelor nobile sau apropiate de acestea.

Legtura ionic electrovalena - formarea ionilor - atracia electrostatic dintre ioni.

Formarea ionilor are loc prin donare sau acceptare de electroni:

metalele puternic electropozitive, cu un numr mic de electroni pe ultimul nivel fa de configuraia de gaz nobil cedeaz aceti electroni, trecnd n ioni pozitivi numii cationi.

Li0 e = Li+ [He]2s1 e- [He]

nemetalele puternic electronegative cu deficit mic de electroni fa de configuraia de gaz nobil, primesc electroni, trecnd n ioni negativi numii anioni.

F0 + e = F- [He]2s22p5 + e- [Ne]

La formarea combinaiilor ionice se degaj energie: - atracia coulombian dintre ioni (n stare gazoas), - energia de reea a cristalelor ionice (se degaj), - solvatarea ionilor. Energia de reea compenseaz energia consumat la formarea ionilor. Energia de formare a combinaiilor ionice din ioni izolai raportat la un mol de substan, reprezint tria legturii ionice.

Caracteristicile legturii ionice:

este de natur fizic atracie electrostatic ntre ioni.

este neorientat n spaiu ionii pot fi considerai sfere rigide ncrcate electric cmpul este distribuit uniform n toate direciile.

este nesaturat un ion se nconjoar cu un numr maxim de ioni de semn contrar, n funcie de dimensiunile lor relative - numrul de coordinaie (N.C.) . Acesta depinde de raportul razelor cation /anion ( r+ /r- ).

este o legtur puternic scade cu creterea distanei dup legea lui Coulomb: fora de atracie este proporional cu -e2/r unde e este sarcina ionului i r distana dintre sarcini.

nu exist legtur ionic pur- datorit polarizaiei mutuale a ionilor, apare un caracter parial covalent. Legura ionic este cazul limit a legturii covalente polare. Dup Pauling, exist o relaie ntre diferena de electronegativitate, x i procentul de caracter ionic al legturii:

x: 0,5 1,0 1,5 1,8 2,0 2,5 3,0 3,2 %caract. ionic: 6 22 43 55 63 79 89 92 Convenional, se consider ionic o legtur dintre elemente ale cror

electronegativiti difer cu mai mult de 1,8, deci procentul de caracter ionic este mai mare de 55%.

Principalele caracteristici ale substanelor cu reele ionice:

- au caracter salin (majoritatea sunt sruri),

- au puncte de topire (tt) i de fierbere (tf) ridicate,

- se dizolv n soveni polari (ap), n soluie apoas are loc fenomenul de

hidratare a ionilor prin care ionii se nconjoar cu moleculele dipolare ale apei.

- n stare solid sunt izolatori,

- soluiile substanelor ionice n ap conduc curentul electric, de aceea se

numesc electrolii sau conductori electrici de ordinul II, avnd conductibilitate

ionic. n acelai mod conduc curentul electric i topiturile ionice.

Legtura covalent covalena (G.N.Lewis)

Tendina de formare a octetului se realizeaz n acest caz, spre deosebire de legtura ionic, prin punere n comun de electroni, cu formare de perechi de electroni de legtur.

Caracteristici:

- numrul covalenelor este egal cu numrul de electroni pui n comun (cuplai),

- legtura ia natere ntre atomi de acelai fel sau cu caracter chimic foarte apropiat (electronegativiti apropiate),

- covalena n grupele principale este egal cu 8 minus numrul grupei aceasta reprezint chiar numrul de electroni necesari pentru completarea octetului,

- atomii realizeaz octet prin punerea n comun de electroni. Regula octetului este riguros valabil practic numai pentru elementele din perioada a 2-a. n celelalte perioade se formeaz configuraii diferite : 10, 12, 14, 18 electroni.

- prin legturi covalente se formeaz molecule.

Doi atomi de fluor Molecula de difluor

Pereche de electroni pui n comun (legtura covalent)

Formarea din atomi de fluor a moleculei de difluor (F2) prin punere n comun de electroni

+ F F

Formarea legturilor covalente simple pentru elementele din perioada a 2-a:

H F HOH :NH3 CH4

Perechile de electroni neangajate n legturi se numesc electroni neparticipani.

Se mai pot forma i legturi multiple ntre atomi de acelai fel:

:=: :NN: =C=C= -CC-

Legturi multiple ntre atomi diferii:

O=C=O O=S=O HCN

Caracteristicile legturii covalente:

orientat n spaiu, rigid (atomii ocup poziii fixe), saturat, foarte puternic, prin covalene se formeaz molecule independente (n stare gazoas) sau reele atomice (n stare solid), la moleculele formate din atomi diferii, apare fenomenul de polarizare.

Substanele cu molecule mici (O2, N2, CO2, NH3, substane organice)

sunt gaze sau lichide la temperatura ordinar,

au temperaturi de topire (tt) i de fierbere (tf) joase,

ntre molecule exist fore de atracie slabe van der Waals,

sunt solubile n solveni organici,

soluiile sunt neelectrolii.

Substanele solide cu reele atomice (diamant, siliciu, carburi, boruri, etc)

sunt foarte stabile chimic,

au puncte de topire i de fierbere foarte ridicate,

multe dintre ele sunt foarte dure.

Legtura covalent polar Molecule homonucleare formate din atomi identici au norul electronic simetric. Molecule heteronucleare formate din atomi diferii norul electronic asimetric. Centrul sarcinilor pozitive i negative nu mai coincid iar rezultatul este acela c apare o polaritate a moleculei. Aceasta poart numele legtura covalent polar.

A+ - B -

Momentul dipolar la H2O (molecul polar) i CO2 (molecula nepolara)

Substanele cu molecule polare se dizolv n ap datorit polaritii moleculei de ap, are loc fenomenul de hidratare a ionilor n soluie.

La limit, legtura polar devine legtur ionic. Legtura polar este intermediar ntre legtura covalent i cea ionic.

Legtura covalent polar Legtura covalent nepolar Legtura ionica

Legtura coordinativ (donor acceptor)

Legtur covalent n care perechea de electroni de legtur provine de la un singur atom donor. Atomul care accept perechea de electroni acceptor. :NH3 + BF3 = H3N BF3 Combinaiile formate prin legturi coordinative denumite combinaii complexe sunt formate dintr-un ion central (metal) i liganzi. Liganzii pot fi molecule neutre sau anioni. Numrul de liganzi care nconjoar ionul central poart numele de numar de coordinaie. [Cu(NH3)4]

2+ + 2Cl- - clorur tetraaminocupru(II) [Co(NH3)6]

2+ + 2Cl- - clorur hexaaminocobalt(II) Na+ + [Ag(CN)2]

- - dicianoargentat de sodiu 4K+ + [Fe(CN)6]

4- - ferocianur de potasiu sau hexacianoferat de potasiu.

Teoria mecanic-cuantic a covalenei

Covalena ia natere prin contopirea orbitalelor atomice care duc la formare de orbitale moleculare care aparin ntregii molecule.

Mecanica cuantic calculeaz (cu aproximaie) ecuaiile i geometriile orbitalelor moleculare. Etapele formrii legturii covalente conform mecanicii cuantice: - redistribuirea orbitalelor atomice, - suprapunerea (ntreptrunderea) orbitalelor atomice (OA)cu formarea de orbitale moleculare (OM), - ocuparea OM cu perechi de electroni. Se pot combina orbitale atomice de simetrie (orientare) potrivit i de energie apropiat. Procesul are loc cu eliberare de energie proces spontan starea rezultat (molecula) este mai stabil dect atomii izolai. Exist dou metode matematice de tratare a legturii chimice:

- metoda orbitalelor moleculare (OM) - metoda legturii de valen (LV) sau metoda perechilor de electroni de legtur.

Metoda orbitalelor moleculare (OM)

Legtura s (s-s) - molecula H2 Prin contopirea a 2 orbitale atomice s rezult 2 orbitale moleculare

- 1 OM de legtur s ( prin suprapunerea OA de acelai semn) - 1 OM de antilegtur s

* (cu energie mai ridicat) - prin suprapunerea OA de semn contrar

OM de legtur se ocup cu o pereche de electroni cu spini opui - electronii sunt atrai de ambele nuclee - densitatea electronic este maxim ntre nuclee n OM de legtur - n OM de antilegtur densitatea electronic este minim probabilitatea de a gsi electronul este minim, dar nu este zero.

orbital molecular de legatura

orbital molecular de antilegatura

orbital atomic

Legtura sp (sigma s-p ) - molecula HF

OA de tip s a hidrogenului se suprapune cu un OA de tip p al fluorului:

1 OM de legtur sp

1 OM de antilegtur sp*

Norul electronic are densitatea maxim ntre atomii ce formeaz molecula i mai exist dou planuri nodale situate lateral. Pe lng acesta mai apare i o orbital de antilegtur *pp.

Legtura pp. - moleculaF2

Legtura (dubl) molecula de O2

Doi orbitali atomici s (cu formare de legtur p) si doi orbitali atomici p cu axele paralele se pot combina astfel ia natere legtura p - dubl (prin suprapunerea a doua orbitale pz) care constituie a 2-a legtur dup formarea legturii simple . Suprapunerea OA se realizeaz n dou zone i nu mai exist o ax de rotaie dar exist un plan nodal. Formarea acestei legturi se poate reprezenta schematic astfel:

Metoda legturii de valen (LV) - legtura se realizeaz prin perechi de electroni - forma legturilor chimice se explic prin hibridizare. Hibridizarea presupune modificarea prin combinarea liniar a funciei de und a

unor orbitali atomici din stratul exterior n momentul formrii legturii, adic trecerea atomilor n stare de valen. Aceast trecere presupune concomitent modificarea formei, egalizarea energetic a orbitalilor hibrizi i distribuia lor spaial ct mai simetric n jurul nucleului.

Orbitalele hibride (de legtur) au orientri bine determinate n spaiu. Ele tind

s se aranjeze astfel nct simetria s fie maxim.

orbital s orbital p

orbitali hibrizi sp

hibridizare

Orbital sp3

Orbital sp3

Orbitali sp3 din CH4

Formarea orbitalilor hibrizi sp3 n metan (CH4)

Carbonul este hibridizat sp3 numai n combinaii cu legturi simple. n combinaii cu legturi duble este hibridizat sp2 (orientare n triunghi) pentru cele trei legturi simple , iar a patra legtur este (care formeaz o legtur dubl mpreuna cu una din legturile ).

Etena, H2C=CH2, de exemplu, are structura:

Aceasta are o legtur dubl pp i o legtur pp aa cum se vede din reprezentarea de mai sus. Legturile C-H sunt legturi . Hibridizarea sp2 duce la unghiul de 120o ntre valenele C-H.

Hibridizare sp - geometrie liniar - combinarea unui orbital s cu un orbital p din invelisul electronic exterior al unui atom central dintr-o molecula.

BeCl2, CO2, CS2, N2O, HCN, NO2+.

Tipuri de hibridizare / forma geometrica a moleculei

C OO

180o

ClBeCl

180o 180o

O N O[ ]+

Hibridizare sp2 - geometrie trigonal plan/ unghiular - combinarea unui orbital s cu doi orbitali p apartinand atomului central al combinatiei respective.

BF3, BCl3, NO2, NO2-, NO3

-, O3.

F

B

F

F

1200

O-

N

O

o 1 2 0

O

N

O

. .

134,15o

Hibridizare sp3 - geometrie tetraedric/ piramida trigonal/ unghiular participarea tuturor orbitalilor s si p din invelisul electronic exterior al atomului central .

CH4, NH3, H2O, SO42-, ClO4

-, NH4+

104.5O107O

NHHH

C

H

HHH109.5O

OHH

Hibridizare sp3d, sp3d2 - geometrie bipiramida trigonal/ octaedric combinarea liniar a funciilor de und a unor orbitali atomici de simetrii diferite, aparinnd ns aceluiai atom .

PCl5, SF4, SCl4, SeF4, BrF3, XeF2, SF6, XeF4

P

Cl

ClCl

Cl

Cl120

o

90o

S

F

F

F

FSF

F

F

F

..

(a) (b)

S

F

F

F

F

Br Xe

F

F

F

F

F86

o

o93,5

103o

F

F

F

F

F

F

90o

90o

..

..

F

F

F

F

..

F

F

F

F

F

S I Xe

Respingerea Perechilor de Electroni din Stratul de Valen (RPESV)

Teoria (sau modelul) RPESV reprezint un mijloc simplu pentru prezicerea structurilor geometrice ale combinaiilor elementelor din grupele principale. Rezultatele sale sunt similar cu cele obinute prin metoda hibridizrii orbitalilor atomici dar este mai simpl i mai direct. Teoria RPESV se bazeaz pe idea c perechile sau grupurile de electroni din stratul de valen (fie de legtur, fie electroni neparticipani) se vor respinge aezndu-se la o distan maxim posibil.

Legtura metalic Teoria strii metalice

Teoria gazului electronic

Teoria mecanic-cuantic

Principalele proprieti caracteristice ale metalelor sunt:

luciul metalic,

opacitatea,

ductilitatea,

maleabilitatea,

plasticitatea,

conductibilitatea electric i termic ridicate.

Teoria modern a strii metalice consider c ntr-o reea metalic distribuia energetic a electronilor de valen este diferit de cea din atomii liberi, unde electronii sunt dispui pe un numr mic de nivele discrete de energie sau orbitali. Cristalul metalic poate fi considerat ca o molecul gigantic, format din atomii metalului, repartizai spaial ntr-o reea cristalin i legai ntre ei prin legturi metalice.

n acest cristal nivelele energetice ale atomilor metalici se multiplic din cauza principiului de excluziune al lui Pauli, formnd un numr foarte mare de nivele energetice foarte apropiate ca valoare, denumite benzi de energie. ntr-un astfel de cristal benzile de energie inferioare sunt mai nguste i rmn individualizate, ca n atomii liberi, pe cnd benzile superioare, corespunztoare straturilor de valen, sunt mai late i se suprapun peste benzile rezultate din interaciuni ale nivelelor superioare straturilor de valen.

BL 4n OA

2n OMAL

2n OML

Energie

BV

n/2 perechi

de electroni

la alcaline

La metalele tipice din cele 4n OA vor lua natere, prin suprapunere i delocalizare, 4n OM i anume 2n OM de legtur i 2n OM de antilegtur. Cele 4n OM alctuiesc banda de energie, n care cele 2n OM de legtur alctuiesc banda de legtur, iar partea ocupat cu electroni reprezint banda de valen.

Nivelul cel mai ridicat ocupat cu electroni poart numele de nivel Fermi. Restul benzii de energie, neocupat cu electroni poart numele de band de conducie deoarece curentul electric este transportat prin metal de electronii ce trec din banda de valen n banda de conducie precum i de golurile lsate vacante n banda de valen.

B.C.

B.V.

B.C.

E>3 eV

B.C.

B.V.

E

a. Forele London (fore de dispersie) care apar de exemplu ntre moleculele monoatomice ale gazelor rare, dar care sunt cele mai generale, manifestndu-se ntre orice tipuri de molecule, indiferent de simetria acestora sau chiar ntre particule solide eventual suprapuse peste forele amintite anterior. b. Forele Debye (fore de inducie) care apar n urma interaciunii unui dipol permanent al unei molecule cu un dipol indus ntr-o alt molecul. c. Forele Keesom (numite i fore de orientare) rezultate din de atracia dintre sarcini electrice (prezente n cazul ionilor poliatomici), dintre dipoli (la moleculele cu dipolmoment permanent) sau dintre multipoli sau orice combinaii ale acestora. Acestea au cteva caracteristici comune: sunt fore de atracie slabe ce apar chiar la configuraii moleculare stabile, intensitatea acestor fore este reflectat de punctele de fierbere ale substaneor respective.

Legturi intermoleculare fore van der Waals

Legturi de hidrogen

O legtur de hidrogen este un tip special de legtur intermolecular de tip dipol-dipol, mai bogat n energie dect forele van der Waals, care apare doar n cazul existenei n respectiva molecul a unui atom de hidrogen legat covalent de un atom puternic electronegativ (F, O, N etc).

Legtura se stabilete ntre atomul de hidrogen legat i un alt atom electronegativ al unei molecule nvecinate (n acest caz vorbim de legtur de hidrogen intermolecular) sau ntre hidrogenul legat i un alt atom electronegativ nvecinat din aceeai molecul (legtur intramolecular).

Legturi de hidrogen

Legtura de hidrogen din ap i orientarea reciproc a moleculelor