CAPITOLO 2 ATOMI POLIELETTRONICI E TAVOLA PERIODICA

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1 CAPITOLO ATOMI POLIELETTRONICI E TAVOLA PERIODICA. (a) non è corretto poichè il numero quantico magnetico m l può avere solo valori interi. (c) non è corretto poichè il massimo valore per il numero quantico secondario l è n. (e) non è corretto poichè il numero quantico di spin m s può avere solo valori ½ e -½..3 L orbitale s con il metodo SCF di Hartree del Berillio è meno diffuso (più piccolo) di quello del litio poichè il berillio ha numero atomico quattro e quindi quattro protoni nel nucleo mentre il litio ha solo tre protoni nel nucleo. L aumentato numero di protoni nel nucleo aumenta l attrazione elettrostatica coulombiana fra elettroni e nucleo. Il metodo SCF tiene in considerazione la repulsione elettrone-elettrone, che rende gli orbitali mediamente più estesi. Siccome la carica del nucleo è la stessa per i due orbitali e la sola differenza è la repulsione interelettronica, gli orbitali s SCF del litio dovrebbero essere un po più estesi di quelli idrogenoidi. (si veda la Figura.).5 Siccome il numero atomico è dispari, è impossibile che tutti gli elettroni siano accoppiati. L elemento è paramagnetico.7 Le configurazioni elettroniche degli elementi sono: (a) N: s s p 3 tre elettroni di tipo p. (b) Si: s s p 6 3s 3p sei elettroni di tipo s. (c) S: s s p 6 3s 3p 4 non ci sono elettroni di tipo d..9 Le configurazioni elettroniche per lo stato fondamentale del Se è: [Ar]4s 3d 0 4p 4.. B: s s p As: [Ar]4s 3d 0 4p 3 V: [Ar]4s 3d 3 I: [Kr]5s 4d 0 5p 5 Ni: [Ar]4s 3d 8 Au: [Xe]6s 4f 4 5d 0 Qual è il significato di [Ar]? di [Kr]? di [Xe]?.3 Ci sono elettroni: Orbitale n l m l m s s s 0 0 s s 0 0 p + p p 0 + p 0 p + Brian B. Laird, Chimica Generale Copyright 00 The McGraw-Hill Companies S.r.l., Publishing Group Italia

2 CAPITOLO : ATOMI POLIELETTRONICI E TAVOLA PERIODICA p 3s s L elemento è il magnesio..5 A causa della regola di Hund ci sono più elementi paramagnetici che diamagnetici. Ci sono tanti elementi a numero atomico pari quanti dispari. Tutti gli elementi a numero dispari di elettroni sono paramagnetici poichè hanno almeno un elettrone disaccoppiato. Alcuni elementi a numero pari di elettroni sono paramagnetici a causa della regola di Hund..7 (a) s s p 5 (alogeno) (b) s s p 6 3s 3p 6 4s (metallo alcalino terroso) (c) s s p 6 3s 3p 6 4s 3d 6 (metallo di transizione) (d) s s p 6 3s 3p 6 4s 3d 0 4p 3 (Gruppo 5A).9 Si tratta di un metallo di transizione. Si ricordi che negli ioni dei metalli di transizione gli orbitali (n )d sono più stabili dell orbitale ns. Quindi quando si forma un catione da un metallo di transizione, gli elettroni vengono rimossi sempre prima dall orbitale ns e poi se necessario dagli orbitali (n )d. Siccome il catione ha carica +3, sono stati tolti 3 elettroni d. Siccome il sotto livello 4s è meno stabile del 3d, due elettroni sono stati tolti dal 4s e uno dal 3d. La configurazione elettronica dell atomo neutro è [Ar]4s 3d 6. Questa è la configurazione elettronica del ferro.. Sc 3+ [Ar] Cu + [Ar]3d 0 Ti 4+ [Ar] Ag + [Kr]4d 0 V 5+ [Ar] Au + [Xe]4f 4 5d 0 Cr 3+ [Ar]3d 3 Au 3+ [Xe] 4f 4 5d 8 Mn + [Ar]3d 5 Pt + [Xe] 4f 4 5d 8.3 Isoelettronici significa che le specie hanno lo stesso numero di elettroni e la stessa configurazione elettronica. Be + e He ( e ) F e N 3 (0 e ) Fe + e Co 3+ (4 e ) S e Ar (8 e ).5 (a) Ti: [Ar] 4s 3d V + : [Ar] 4s 3d 3 (b) Quando si forma un catione dai metalli di transizione gli elettroni vengono emessi prima dall orbitale ns e poi dagli orbitali (n )d..7 La definizione adottata dall International Union of Pure and Applied Chemists (IUPAC) è che Gli elementi di transizione (metalli di transizione) hanno livelli d semipieni o danno origine a cationi che hanno livelli d semipieni. Zn, Cd, e Hg non soddisfano a questa definizione. Zn, Cd, e Hg formano cationi per perdita degli elettroni esterni s..9 As: metalloide Xe: non metallo Fe: metallo Li: metallo B: metalloide Cl: non metallo Ba: metallo P: non metallo I: non metallo Si: non metallo.3 Se ha bassa resistenza elettrica e conduce bene il calore è un metallo..33 L energia di ionizzazione è l energia richiesta per allontanare un elettrone da un elemento o uno ione in fase gas. Maggiore è l attrazione elettrostatica tra elettrone e nucleo, maggiore è l energia di ionizzazione.

3 CAPITOLO : ATOMI POLIELETTRONICI E TAVOLA PERIODICA Minore è il raggio, maggiore è l attrazione elettrostatica fra elettroni e nucleo e maggiore è l energia di ionizzazione.35 Be: [He] s B: [He] s p L andamento generale dell aumento dell elettronegatività da sinistra a destra nella tavola periodica è dovuto all aumento della carica nucleare. L energia di ionizzazione del boro è minore di quella del berillio poiché gli elettroni più esterni del boro si trovano in orbitali p che hanno maggiore energia (meno stabili) dell orbitale s del berillio che contiene i suoi elettroni più esterni...37 Si ricordi che solitamente le dimensioni atomiche variano nel modo seguente: () Da sinistra a destra lungo un periodo il raggio atomico diminuisce a causa dell aumento della carica nucleare effettiva. () Dall alto in basso lungo un gruppo, il raggio atomico aumenta poiché le dimensioni orbitaliche aumentano all aumentare del numero quantico principale. Gli atomi che si stanno considerando appartengono tutti allo stesso periodo. L atomo più a sinistra del periodo ha il maggiore raggio atomico, e l atomo più a destra ha il più piccolo. In ordine di dimensione atomica decrescente si ha: Na > Mg > Al > P > Cl Verifica: Si veda la Figura.6 del testo..39 Lo ione Cu + è più grande Cu + perché ha un elettrone in più..4 Si considera il punto di ebollizione dell argon approssimativamente uguale alla media dei punti di ebollizione di neon e kripton, in base alla posizione nella tavola periodica nel Gruppo 8A C + ( 5.9 C) b.p. = = 99.4 C In effetti il punto di ebollizione dell argon è 85.7 C..43 L andamento generale per l energia di prima ionizzazione è che aumenta da sinistra a destra lungo un periodo e diminuisce dall alto in basso lungo un gruppo. K ha la minore energia di ionizzazione. Ca, a destra del K, ha maggiore energia di ionizzazione. Muovendosi da sinistra a destra nella tavola periodica, le energie di dissociazione aumentano muovendosi verso il P. Nel gruppo degli alogeni il F ha maggiore energia di dissociazione rispetto a P. Infine Ne è a destra di F nel secondo periodo quindi ha maggiore energia di ionizzazione. L ordine corretto è: K < Ca < P < F < Ne Si veda la Tabella. del testo..45 Gli elementi del gruppo 3A (come Al) hanno un solo elettrone nell orbitale p, che è ben schermato dalla carica nucleare dagli elettroni più interni. E richiesta minore energia per allontanare un elettrone in un orbitale p che per rimuovere un elettrone accoppiato nell orbitale s come nel caso del Mg..47 Rimuovere elettroni esterni richiede minore energia se sono schermati da elettroni interni. L elettrone nell orbitale 3s è più facile da allontanare. La configurazione elettronica a gas nobile come s s p 6, è molto stabile, quindi è molto difficile allontanare un elettrone. Si veda la Tabella...49 Il numero atomico del mercurio è Δ E = (.8 0 J)(80 ) = J ΔE = J ion ions mol kj 000 J = kj mol

4 CAPITOLO : ATOMI POLIELETTRONICI E TAVOLA PERIODICA 3.5 L affinità elettronica aumenta da sinistra a destra lungo un periodo ad eccezione dei gas nobili. Il Cl ha la maggior affinità elettronica..53 I metalli alcalini hanno configurazione elettronica di valenza ns per cui possono accettare un altro elettrone nell orbitale. Invece i metalli alcalino terrosi hanno configurazione elettronica ns per cui un ulteriore elettrone dovrebbe entrare nell orbitale p a più alta energia..55 Gli elementi del Gruppo B sono molto meno reattivi di quelli del Gruppo A. Hanno maggiori energie di ionizzazione a causa dello schermaggio degli elettroni d..57 Applicando il principio di esclusione di Pauli e la regola di Hund: (a) F s s p 5 (b) P [Ne] 3s 3p 3 (c) Co [Ar] 4s 3d 7.59 (a) S + e S (b) Ti + Ti 3+ + e (c) Mg + + e Mg + (d) O O + e.6 In accordo con l Handbook of Chemistry and Physics (edizione ), il potassio ha punto di fusione di 63.6 C, il bromo è un liquido rosso marrone con punto di fusione di 7. C, e il bromuro di potassio (KBr) è un solido incolore con punto di fusione di 730 C. M è il potassio (K) e X è il bromo (Br)..63 (a) (i) Entrambi reagiscono con acqua per dare idrogeno; (ii) i loro ossidi sono basici; (iii) i loro alogenuri sono ionici. (b) (i) Entrambi sono forti agenti ossidanti; (ii) entrambi reagiscono con idrogeno per formare HX (dove X è Cl o Br); (iii) entrambi formano alogenuri (Cl o Br ) quando combinati con metalli (Na, K, Ca, Ba)..65 Lo zolfo ha configurazione elettronica dello stato fondamentale [Ne]3s 3p 4. Ha tendenza ad accettare un elettrone per diventare S. Anche se aggiungere un altro elettrone permette di formare S, che è isoelettronico con Ar, l aumento della repulsione interelettronica rende questo processo non favorevole..67 La percentuale di volume occupato da K + in confronto con quello di K è: 4 volume of K + π(33 pm)3 ion volume of K atom 00% = 3 00% = 3.3% 4 π(6 pm)3 3 Quindi c è una diminuzione di volume (00 3.3)% = 76.7% quando K + si forma da K..69 H e He sono specie isoelettroniche con due elettroni. Siccome H ha un solo protone, mentre He ne ha due, il nucleo di H attrae i due elettroni meno fortemente rispetto a He. Quindi, H è più grande..7 La reazione che rappresenta l affinità elettronica del cloro è: Cl(g) + e Cl (g) ΔH = +349 kj mol -

5 4 CAPITOLO : ATOMI POLIELETTRONICI E TAVOLA PERIODICA L energia di una mole di fotoni nei processi seguenti deve essere di +349 kj. Cl (g) + hν Cl(g) + e ΔH = -349 kj mol - Si converte l energia di un fotone per calcolare la lunghezza d onda del fotone. 349 kj mol photons mol photons photons 000 J = Jphoton kj Da cui: λ = hc E = ( J s)( ms ) = m = 343 nm J La radiazione cade nella regione dell ultravioletto nello spettro..73 L aggiunta di un elettrone a un atomo neutro è un processo sfavorevole solitamente a causa della repulsione elettrone-elettrone. L aggiunta di un secondo e terzo elettrone non avviene spontaneamente e quindi è difficile misurarne l affinità elettronica..75 Caratteristiche fisiche: Solido; apparenza come lo iodio; punto di fusione maggiore di 4 C..77 Z = 9 Configurazione elettronica: [Rn]7s 5f 4 6d 0 7p 6 8s.79 Tra la seconda e la terza ionizzazione c è un salto energetico importante, che suggerisce una variazione del numero quantico n. Il terzo elettrone allontanato proviene dallo strato più interno, del core gas nobile, che è difficile da strappare. Per cui l elemento appartiene al Gruppo A..8 (a) SiH 4, GeH 4, SnH 4, PbH 4 (b) Il carattere metallico aumenta spostandosi dall alto in basso nella tavola periodica. Per cui, RbH dovrebbe avere carattere più ionico di NaH. (c) Siccome Ra si trova nel Gruppo A, la reazione con acqua dovrebbe essere analoga a quella degli altri elementi del gruppo. Ra(s) + H O(l) Ra(OH) (aq) + H (g) (d) Berillio (relazione diagonale).83 Si riarrangia l equazione per risolvere per l energia di ionizzazione (E I ). E I = hν mu L energia cinetica dell elettrone emesso è data. Si sostituisce h, c, e λ nella reazione precedente. E I = ( J s)( ms ) m Si esprime in kj mol J photon photons mol ( J) = J kj 000 J = 48 kj mol.85 Na Na + + e I = kj mol - Questa equazione è l opposto dell affinità elettronica per Na +. Quindi l affinità elettronica di Na + è kj mol -. Si noti che è positiva, per cui è energia liberata quando un elettrone viene aggiunto a un atomo o a uno ione..87 Fe + [Ar]3d 6 Fe 3+ [Ar]3d 5 Mn + [Ar]3d 5 Mn 3+ [Ar]3d 4 Uno strato semi pieno ha una extrastabilità. Per cui l ossidazione del manganese è meno facile.

6 CAPITOLO : ATOMI POLIELETTRONICI E TAVOLA PERIODICA 5.89 Si riarrangia l equazione per risolvere per Z eff. Li: Z = n I 3 kj mol eff 50 kj mol Z eff = () =.6 3 kj mol kj mol Na: Z eff = (3) =.84 3 kj mol K: 48.7 kj mol Z eff = (4) =.6 3 kj mol Lungo un gruppo, Z eff aumenta. Li: Z eff n Na: Z eff n Z eff =.6 =.84 3 = = 0.63 K: =.6 = n 4 Il rapporto Z eff /n è circa costante per cui l effetto di schermo è all incirca lo stesso..9 Per un atomo di boro nello spazio tutte le direzioni sono equivalenti. L orbitale p può essere orientato secondo qualsiasi direzione. L elettrone disaccoppiato del boro ha uguale probabilità di essere in uno dei tre orbitali p. Per questo l atomo di boro ha forma sferica.