16

1

Układ okresowy

Chemia kwantowa - podsumowanie

Cz

ą

stka w pudle

_{Atom wodoru}

e

T

H

ˆ

=

ˆ

H

ˆ

=

T

ˆ

_e

+

V

ˆ

_e

₋

_j

3

Chemia kwantowa - podsumowanie

Cz

ą

stka w pudle

_{Atom wodoru}

Funkcja falowa Energia Liczby kwantowe

L

x

n

L

x

n

π

sin

2

)

(

2 1













=

Ψ

2 2 2

8 mL

h

n

E

=

2 4 2 2 2

2

h

me

n

Z

E

=

−

π

( ) ( ) ( )

φ

ϕ

θ

γ

ψ

_{n ,,l m}

=

R

r

⋅

⋅

n

n

,

l

,

m

,

m

_s rozwiązanie

Cz

ą

stka w pudle

_{Atom wodoru}

Funkcja falowa

L

x

n

L

x

n

π

sin

2

)

(

2 1













=

Ψ

ψ

_{n ,,l m}

=

R

( ) ( ) ( )

r

⋅

φ

ϕ

⋅

θ

γ

orbitale 07_105 Nodes Node 1s 2s 3s (a) 1s 2s

Chemia kwantowa - podsumowanie

5

Cz

ą

stka w pudle

_{Atom wodoru}

Energia 2 2 2

8 mL

h

n

E

=

2 4 2 2 2

2

h

me

n

Z

E

=

−

π

r 0 E n=1 n=2 n=3 n=4 r 0 E n=1 n=2 n=3 n=4 x E n=1 n=2 n=3 n=4

Chemia kwantowa - podsumowanie

Cz

ą

stka w pudle

Atom wodoru

Atomy wieloelektronowe

Chemia kwantowa - podsumowanie

m e to d y c h e m ii k w a n to w e j ro z w i ą z a n ie r ó w n a n ia S c h rö d in g e ra w n

Jaka jest postać równania Schrödingera?

e e j e

V

V

T

H

ˆ

=

ˆ

+

ˆ

₋

+

ˆ

₋ rozwiązanie

7 07_117 1 H 3 Li 11 N a 19 K 37 R b 55 C s 87 F r 4 B e 12 M g 20 C a 38 S r 56 B a 88 R a 21 S c 39 Y 57 La 89 A c 2 2 T i 4 0 Z r 7 2 H f 10 4 U n q 2 3 V 4 1 N b 7 3 T a 10 5 U n p 24 C r 42 M o 74 W 10 6 U n h 25 M n 43 T c 75 R e 10 7 U n s 26 F e 44 R u 76 O s 10 8 U n o 27 C o 45 R h 77 Ir 10 9 U n e 11 0 U u n 11 1 U u u 28 N i 46 P d 78 P t 29 C u 47 A g 79 A u 30 Z n 48 C d 80 H g 31 G a 49 In 81 T l 5 B 13 A l 3 2 G e 5 0 S n 8 2 P b 6 C 1 4 S i 33 A s 51 S b 83 B i 7 N 15 P 34 S e 52 T e 84 P o 8 O 16 S 9 F 17 C l 35 B r 53 I 85 A t 10 N e 18 A r 36 K r 54 X e 86 R n 2 H e 5 8 C e 9 0 T h 59 P r 91 P a 60 N d 92 U 61 P m 93 N p 62 S m 94 P u 63 E u 95 A m 64 G d 96 C m 65 T b 97 B k 66 D y 98 C f 6 7 H o 9 9 E s 68 E r 10 0 F m 69 T m 10 1 M d 70 Y b 10 2 N o 71 Lu 10 3 Lr Lan tha nide

series A ctin ide series 1 2 13 1 4 1 5 1 6 1 7 18 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Układ okresowy

d

S

p

G A Z Y S Z L A C H E T N E

Układ okresowy

9

Układ okresowy

Ilość grup w poszczególnych blokach

14

10

6

2

2(2l+1)=4l+2

3

2

1

0

l

f

d

p

s

Dla pobocznej liczby kwantowej l, magnetyczna liczba kwantowa m

moŜe przyjmować 2l+1 wartości. Zatem ilość moŜliwych kombinacji

liczb m i m_s (m_s - magnetyczna spinowa liczna kwantowa) dla danej wartości liczby l wynosi 2(2l+1).

07_115 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8 A 6 p 5 d 4 s 5 s 6 s 7 s 2 s 3 s 1 s L a A c G ro u p 4 f P e rio d 4 5 6 7 2 3 1 6 d 4 d 3 d 5 p 4 p 3 p 2 p 1 s

Układ okresowy

Grupa Okres

11 07_113 H 1 s1 L i 2 s1 B e 2 s2 B 2 p1 C 2 p2 N 2 p3 O 2 p4 F 2 p5 N e 2 p6 H e 1 s2 N a 3 s1 M g 3 s2 A l 3 p1 S i 3 p2 P 3 p3 S 3 p4 C l 3 p5 A r 3 p6

Układ okresowy

07_114

K C a S c T i V C r M n F e C o N i C u Z n G a G e A s S e B r K r

4s1 _4s2 _3d1 _3d2 _3d3 _4s1_3d5 _3d5 _3d6 _3d7 _3d8 _4s1_3d10 _3d10 _4p1 _4p2 _4p3 _4p4 _4p5 _4p6

13 0 7 _ 1 1 6 P e ri o d n u m b e r, h ig h e st o ccu p ie d e le ct ro n l e ve l 1 H 3 L i 1 1 N a 1 9 K 3 7 R b 5 5 C s 8 7 F r 4 B e 1 2 M g 2 0 C a 3 8 S r 5 6 B a 8 8 R a 2 1 S c 3 9 Y 5 7 L a * 8 9 A c ** 2 2 T i 4 0 Z r 7 2 H f 1 0 4 U n q 2 3 V 4 1 N b 7 3 T a 1 0 5 U n p 2 4 C r 4 2 M o 7 4 W 1 0 6 U n h 2 5 M n 4 3 T c 7 5 R e 1 0 7 U n s 2 6 F e 4 4 R u 7 6 O s 1 0 8 U n o 1 1 0 U u n 1 1 1 U u u 2 7 C o 4 5 R h 7 7 Ir 1 0 9 U n e 2 8 N i 4 6 P d 7 8 P t 2 9 C u 4 7 A g 7 9 A u 3 0 Z n 4 8 C d 8 0 H g 3 1 G a 4 9 In 8 1 T l 5 B 1 3 A l 3 2 G e 5 0 S n 8 2 P b 6 C 1 4 S i 3 3 A s 5 1 S b 8 3 B i 7 N 1 5 P 3 4 S e 5 2 T e 8 4 P o 8 O 1 6 S 9 F 1 7 C l 3 5 B r 5 3 I 8 5 A t 1 0 N e 1 8 A r 3 6 K r 5 4 X e 8 6 R n 2 H e d - T ra n sitio n E le m e n ts N o b le_{g a se s} R e p re se n ta tive E le m e n ts 1 A _{G ro u p} n u m b e rs 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8 A R e p re s e n ta tive E le m e n ts 1 2 3 4 5 6 7 7s1 _7s2 _7s2_6d1 _7s2_6d2 _7s2_6d3 _7s2_6d4 _7s2_6d5 _7s2_6d7 6s1 _6s2 _6s2_5d1 _4f1 4_{6 s}2_5d2 _6s2_5d3 _6s2_5d4 _6s2_5d5 _6s2_5d6 _6s2_5d7 _6s1_5d9 _6s1_5d10 _6s2_5d1 0 _6s2_6p1 _6s2_6p2 _6s2_6p3 _6s2_6p4 _6s2_6p5 _6s2_6p6 5s1 _5s2 _5s2_5p1 _5s2_5p2 _5s2_5p3 _5s2_5p4 _5s2_5p5 _5s2_5p6 5s2_4d1 _5s2_4d2 _5s1_4d4 _5s1_4d5 _5s1_4d6 _5s1_4d7 _5s1_4d8 _4d10 _5s1_4d1 0 _5s2_4d1 0 4s1 _4s2 _4s2_3d1 _4s2_3d2 _4s2_3d3 _4s1_3d5 _4s2_3d5 _4s2_3d6 _4s2_3d7 _4s2_3d8 _4s1_3d1 0 _4s2_3d10 _4s2_4p1 _4s2_4p2 _4s2_4p3 _4s2_4p4 _4s2_4p5 _4s2_4p6 3s2_3p1 _3s2_3p2 _3s2_3p3 _3s2_3p4 _3s2_3p5 _3s2_3p6 2s2_2p1 _2s2_2p2 _2s2_2p3 _2s2_2p4 _2s2_2p5 _2s2_2p6 2s1 3s1 2s2 3s2 1s1 _1s2 5 8 C e 9 0 T h 5 9 P r 9 1 P a 6 0 N d 9 2 U 6 1 P m 9 3 N p 6 2 S m 9 4 P u 6 3 E u 9 5 A m 6 4 G d 9 6 C m 6 5 T b 9 7 B k 6 6 D y 9 8 C f 6 7 H o 9 9 E s 6 8 E r 1 0 0 F m 6 9 T m 1 0 1 M d 7 0 Y b 1 0 2 N o 7 1 L u 1 0 3 L r L a n th a n id e s * A c tin id e s ** f - T ra n sitio n E le m e n ts 6 s2_{4 f}5_{5 d}0 6s2_{4 f}1_5d1 _{6 s}2_{4 f}3_{5 d}0 _{6 s}2_{4 f}4_{5 d}0 _{6 s}2_{4 f}5_{5 d}0 _{6 s}2_{4 f}7_{5 d}0 _{6 s}2_4f7_{5 d}1 _{6 s}2_{4 f}9_{5 d}0 _{6 s}2_{4 f}1 0_{5 d}0_{6 s}2_{4 f}1 1_{5 d}0_{6 s}2_{4 f}1 2_{5 d}0_{6 s}2_{4 f}1 3_{5 d}0_{6 s}2_{4 f}1 4_{5 d}0 _{6 s}2_4f1 4_{5 d}1 7 s2_f0_{6 d}2 _{7 s}2_{5 f}2_{6 d}1 _{7 s}2_{5 f}3_{6 d}1 _{7 s}2_{5 f}4_{6 d}1 _{7 s}2_{5 f}6_6d0 _{7 s}2_{5 f}7_{6 d}0 _{7 s}2_{5 f}7_{6 d}1 _{7 s}2_{5 f}9_{6 d}0_{7 s}2_{5 f}1 0_{6 d}0_{7 s}2_{5 f}1 1_{6 d}0_{7 s}2_{5 f}1 2_{6 d}0_{7 s}2_{5 f}1 3_{6 d}0_{7 s}2_{5 f}1 4_{6 d}0 _{7 s}2_{5 f}1 4_{6 d}1 ns2_np1 _ns2_np2 _ns2_np3 _ns2_np4 _ns2_np5 ns2 ns1 _ns2_np6

Układ okresowy

Kolejność zapełniania orbitali atomowych

f

f

f

f

f

f

f

f

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

Układ okresowy

15

Zasada rozbudowy powłok

W stanie podstawowym atomu

wieloelektronowego elektrony obsadzaj

ą

orbitale

atomowe w taki sposób,

Ŝ

e atom ma najmniejsz

ą

energi

ę

, gdy wszystkie jego elektrony znajduj

ą

si

ę

na orbitalu o najni

Ŝ

szej energii

Dowolny orbital moŜe być obsadzony

przez najwyŜej dwa elektrony.

Gdy dwa elektrony zajmują ten sam

orbital, ich spiny muszą być

sparowane

Układ okresowy

śadne dwa elektrony w atomie nie

mogą mieć identycznego zestawu

czterech liczb kwantowych n, l, m, m

_s

spiny dwóch elektronów s

ą

sparowane, gdy s

ą

ustawione w przeciwnych kierunkach,

↑↑↑↑

i

↓↓↓↓

. Elektrony

maj

ą

wówczas spinowe liczby kwantowe m

_s

o ró

Ŝ

nych

znakach, +½ i -½.

Konfiguracja elektronowa

Układ okresowy

Zakaz Pauliego

17

Ŝaden orbital na diagramie poziomów energetycznych nie

moŜe być obsadzony przez więcej niŜ dwa elektrony

Konfiguracja elektronowa

Układ okresowy

Wnioski

wszystkie orbitale w tej samej podpowłoce mają jednakową

energię. Gdy w danej podpowłoce dostępnych jest kilka

orbitali, elektron obsadzi najpierw pusty orbital, zamiast utworzyć parę z elektronem juŜ obecnym – minimalizacja energii

Konfiguracja elektronowa

Układ okresowy

Reguła Hunda

JeŜeli w podpowłoce dostępnych

jest kilka orbitali, elektrony obsadzają

puste orbitale, zanim utworzą parę

w jednym z orbitali.

19

Okres 1

s s

Konfiguracja elektronowa

Układ okresowy

p p s s

Konfiguracja elektronowa

Układ okresowy

Okres 2

21 p p s s

Konfiguracja elektronowa

Układ okresowy

Okres 3

s s d d

Konfiguracja elektronowa

Układ okresowy

Okres 4

23 d d p p

Konfiguracja elektronowa

Układ okresowy

Okres 4

Nieregularności w konfiguracji

elektronowej

Układ okresowy

[Cr]= nie [Ar] 4s2_3d4 tak [Ar] 4s1_3d5 3d 4s 3d 4s RóŜnica energii poziomów 4s i 3d jest niewielka. Układ 5

niesparowanych elektronów 3d i jednego 4s ma mniejszą energię

aniŜeli układ 4 niesparowanych elektronów 3d i 2 sparowanych

elektronów 4s

[Cu]= nie [Ar] 4s2_3d9

tak [Ar] 4s1_3d10

[Pd]= nie [Ar] 5s2_4d8

tak [Ar] 5s0_4d10

25

Układ okresowy - trendy

Energia jonizacji (I)

Liczba atomowa, Z E n e rg ia j o n iz a c ji, k J /m o l 10 Atomic number 0 Li Na K Rb _Cs H B Be C O N F Mg Al Cl S P Zn As Br Cd Tl He Ne Ar Kr Xe Rn 18 36 54 86 500 1000 1500 2000 2500 2 3 4 5 6 okresy

mol

kJ

I

e

Cu

Cu

mol

kJ

I

e

Cu

Cu

g g g g g g

1955

785

2 ) ( 2 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) (

=

+

→

=

+

→

+ + + 1. Co oznacza duŜa i mała wartość I?

2. Jakie właściwości mają

pierwiastki o małej I?

3. Jak I zmienia się w okresach i grupach?

1. Co oznacza duŜa i mała wartość I?

2. Jakie właściwości mają

pierwiastki o małej I?

3. Jak I zmienia się w okresach i grupach?

-300 -200 -100 0 H Li B C O F Na Al Si P Ca S Cl K

Układ okresowy - trendy

in o w a c tw o e le k tr o n o w e , k J /m o l

Powinowactwo elektronowe (P)

)

(

)

(

) ( ) ( ) ( − −

−

=

→

+

X

E

X

E

P

X

e

X

_{g g g}

mol

kJ

P

O

e

O

mol

kJ

P

O

e

O

g g g g g g

844

141

2 2 ) ( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) (

+

=

→

+

−

=

→

+

− − −

27

Układ okresowy - trendy

Elektroujemność

RozwaŜmy samorzutny proces:

− +

_

_→

−

_

_→

−

A

A

A

e e

1. jest równy potencjałowi jonizacyjnemu (energii jonizacji, I) za znakiem przeciwnym (-I)

2. jest równy powinowactwu elektronowemu (P)

Efekty energetyczne etapów:

1 2

Elektroujemność (E) wg definicji Mullikena:

2

lub

2

I

P

E

I

P

E

=

−

=

+

Definicjia

Paulinga

: BB AA AB x→

I

=

I

⋅

I

∆

lim

0 1

1018

.

0

⋅

−

⋅

⋅

−

=

−

=

∆

E

E

_A

E

_B

I

_AB

I

_AA

I

_BB

µ

J

mol

Układ okresowy - trendy

29

Układ okresowy - trendy

Elektroujemność

08_132 H 2.1 Li 1.0 Be 1.5 Na 0.9 Mg 1.2 K 0.8 Ca 1.0 Rb 0.8 Sr1.0 Cs 0.7 Ba 0.9 Fr 0.7 Ra 0.9 Sc 1.3 Y 1.2 La-Lu 1.0-1.2 Ac 1.1 Ti 1.5 Zr 1.4 Hf 1.3 Th 1.3 V 1.6 Nb 1.6 Ta 1.5 Pa 1.4 Cr 1.6 Mo 1.8 W 1.7 U 1.4 Mn 1.5 Tc 1.9 Re 1.9 Np-No 1.4-1.3 Fe 1.8 Ru 2.2 Os 2.2 Co 1.9 Rh 2.2 Ir 2.2 Ni 1.9 Pd 2.2 Pt 2.2 Cu 1.9 Ag 1.9 Au 2.4 Zn 1.6 Cd 1.7 Hg 1.9 Ga 1.6 In 1.7 Tl 1.8 Al 1.5 B 2.0 Ge 1.8 Sn 1.8 Pb 1.9 Si 1.8 C 2.5 As 2.0 Sb 1.9 Bi 1.9 P 2.1 N 3.0 Se 2.4 Te 2.1 Po 2.0 S 2.5 O 3.5 Br 2.8 I 2.5 At 2.2 Cl 3.0 F 4.0 H 2.1 Li 1.0 Be 1.5 Na 0.9 Mg 1.2 K 0.8 Ca 1.0 Rb 0.8 Sr 1.0 Cs 0.7 Ba 0.9 Fr 0.7 Ra 0.9 Sc 1.3 Y 1.2 La-Lu 1.0-1.2 Ac 1.1 Ti 1.5 Zr 1.4 Hf 1.3 Th 1.3 V 1.6 Nb 1.6 Ta 1.5 Pa 1.4 Cr 1.6 Mo 1.8 W 1.7 U 1.4 Mn 1.5 Tc 1.9 Re 1.9 Np-No 1.4-1.3 Fe 1.8 Ru 2.2 Os 2.2 Co 1.9 Rh 2.2 Ir 2.2 Ni 1.9 Pd 2.2 Pt 2.2 Cu 1.9 Ag 1.9 Au 2.4 Zn 1.6 Cd 1.7 Hg 1.9 Ga 1.6 In 1.7 Tl 1.8 Al 1.5 B 2.0 Ge 1.8 Sn 1.8 Pb 1.9 Si 1.8 C 2.5 As 2.0 Sb 1.9 Bi 1.9 P 2.1 N 3.0 Se 2.4 Te 2.1 Po 2.0 S 2.5 O 3.5 Br 2.8 I 2.5 At 2.2 Cl 3.0 F 4.0 Increasing electronegativity D e c re a s in g e le c tr o n e g a ti v it y Increasing electronegativity D e c re a s in g e le c tr o n e g a ti v it y (a) (b) Skala Paulinga Do czego słuŜy ta skala?

Elektroujemność

Układ okresowy - trendy

H 3 7 H e 3 1 1 5 2 1 1 2 B 8 5 C 7 7 N 7 5 O 7 3 F 7 2 N e 7 1 1 8 6 1 6 0 1 4 3 1 1 8 1 1 0 1 0 3 1 0 0 9 8 2 2 7 1 9 7 1 3 5 1 2 2 1 2 0 1 1 9 1 1 4 1 1 2 2 4 8 2 1 5 1 6 7 1 4 0 1 4 0 1 4 2 1 3 3 1 3 1 8 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A A to m ic ra d iu s d e c re a s e s L i B e N a M g A l S i P S C l A r K _{C a} G a G e A s S e B r K r R b S r In S n S b T e I X e

Promień atomowy

rośnie ro ś n ie

31

Np. w przypadku orbitalu d, na którym moŜe zmieścićsię10 elektronów, pierwsze pięćelektronów będzie zajmowało kolejno wolne orbitale pozostając niesparowanymi

Dopiero dalsze elektrony zajmująwolne miejsca tworząc pary np. szósty elektron: