5.6 – Trends i det periodiske system

Trends i det periodiske system

Elektronkonfigurationen af grundstoffer, er en vigtig faktor i de fysiske og kemiske egenskaber for grundstofferne, og for egenskaberne for de forbindelser de danner. I dette afsnit, vil vi kigge på valenselektroner i atomer, trends i atomstørrelse, ioniseringsenergi, og metallisk karakter. Når man bevæger sig på langs med en periode, er der et mønster af regulær ændring i disse egenskaber, fra en gruppe til den næste. Kendt som periodiske egenskaber, øges eller minskes hver egenskab, henover en periode, og så bliver trenden gentaget i næste efterfølgende periode. Vi kan bruge den ændrede temperatur årstiderne igennem, som en analogi for periodiske egenskaber. Om vinteren, er temperaturerne lave, og bliver varmere om foråret. Når vi når til sommer, er temperaturerne uden for varme, men falder som vi går mod efteråret. Når vi atter når til vinteren, vil vi igen forvente temperaturer, fordi mønsteret med stigende og faldende temperaturer gentages hvert år.

Gruppenummer og valenselektroner

De kemiske egenskaber for repræsentative grundstoffer, skyldes for det meste valenselektroner, der er elektronerne i det yderste energiniveau. Disse valenselektroner besætter s og p underniveauerne med det højeste hovedkvantetal, n. Gruppenumrene indikerer antallet af valenselektroner (ydre elektroner) for grundstofferne i hver vandrette gruppe. For eksempel, har grundstofferne i gruppe 1A (1), så som lithium, natrium og kalium, en elektron i en s orbital. Ved at kigge på underniveaublokken, kan vi repræsentere valenselektronen i alkalimetallerne i gruppe 1A (1), som ns¹. Alle grundstofferne i gruppe 2A (2), jordalkalimetallerne, har to valenselektroner, ns². Halogenerne i gruppe 7A (17), har syv valenselektroner, ns²np⁵.

Ni kan se repetitionen af de yderste s og p elektroner for de repræsentative grundstoffer i periode 1 til 4, i tabel 5.3. Helium er inkluderet i gruppe 8A (18), fordi det er en ædelgas, men det har kun to elektroner i dets komplette energiniveau.

Konceptforståelse 5.6

Valenselektroner Angiv antallet af valenselektroner i et atom, for hver af følgende: a. P          b. Ba          c. F          d. B Svar a. I det periodiske system, findes P i gruppe 5A (15); P har fem valenselektroner b. I det periodiske system, findes Ba i gruppe 2A (2); Ba har to valenselektroner c. I det periodiske system, findes F i gruppe 7A (17); F har syv valenselektroner d. I det periodiske system, findes B i gruppe 3A (13); B har tre valenselektroner

Opgaveeksempel 5.8

Brug af gruppenumre Ved at bruge det periodiske system, skriv gruppenummer, periode, og valenselektronkonfigurationen for følgende: a. calcium          b. iod          c. bly Løsning Valenselektronerne er de yderste s og p elektroner. Selvom der godt kan være elektroner i d eller f underniveauerne, er de ikke valenselektroner a. Calcium er i gruppe 2A (2), periode 4. Det har en valenselektronkonfiguration på 4s2. b. Iod er i gruppe 7A (17), periode 5. Det har en valenselektronkonfiguration på 5s25p5. c. Bly er i gruppe 4A (14), periode 6. Det har valenselektronkonfiguration på 6s26p2.

Elektronpriksymboler

Et elektronpriksymbol er en nem måde, at præsentere valenselektronerne på, som er vist som prikker placeret på siderne, toppen, eller bunden af grundstoffets symbol. En til fire valenselektroner, placeres som enkeltprikker. Når der er fem til otte elektroner, bliver en eller flere af elektronerne parret. Enhver af følgende måder, ville være et acceptabelt elektronpriksymbol for magnesium, der har to valenselektroner.

 

Elektronpriksymbolerne for en række udvalgte grundstoffer, kan ses i tabel 5.4.

Opgaveeksempel 5.9

Tegning af elektronpriksymboler Tegn elektronpriksymbolet for hver af følgende: a. brom          b. aluminium Løsning a. Elektronpriksymbolet for brom, der er i gruppe 7A (17), har syv valenselektroner. Derfor tegnes tre par af prikker og en enkeltprik på siderne af Br symbolet: b. Elektronpriksymbolet for aluminium, der er i gruppe 3A (13), har tre valenselektroner. Derfor tegnes tre enkeltprikker på siderne af AL symbolet:

Atomstørrelse

Atomstørrelsen på et atom, bestemmes af afstanden af valenselektronerne fra kernen. For hver gruppe af repræsentative grundstoffer, øges atomstørrelsen når man bevæger sig fra toppen og ned, fordi de yderste elektroner i hvert energiniveau, er længere fra kernen. For eksempel i gruppe 1A (1), har Li en valenselektron i energiniveau 2; Na har en valenselektron i energiniveau 3; og K har en valenselektron i energiniveau 4. Dette betyder at et K atom, er større end et Na atom, som er større end et Li atom (se figur 5.11).

Atomstørrelsen på repræsentative grundstoffer, er påvirket af de tiltrækkende kræfter der virker på elektronerne i yderste niveau, fra protonerne i kernen. For grundstofferne på tværs af en periode, betyder stigningen af antallet af protoner i kernen, at kernens positive ladning stiger. Som et resultat heraf, bliver elektronerne trukket tættere på kernen, hvilket betyder at atomstørrelsen på de repræsentative grundstoffer falder fra venstre mod højre, henover en periode.

Størrelsen på atomerne i overgangsmetallerne inden for samme periode, ændres kun meget lidt, fordi elektronerne hellere fylder d orbitalerne, end det yderste energiniveau. Fordi stigningen i kernens ladning udlignes af en stigning i d elektroner, forbliver tiltrækningen på valenselektronerne stort set den samme. Fordi der er en lille ændring i kernens tiltrækning af valenselektronerne, er atomstørrelsen relativt konstant for overgangsmetallerne.

Konceptforståelse 5.7

Atomstørrelse Hvorfor er et phosphoratom større end et nitrogenatom, men mindre end et siliciumatom? Svar Et phosphoratom er større end et nitrogenatom, fordi phosphor har valenselektroner i et højere energiniveau, der er længere væk fra kernen. Et phosphoratom her en proton mere end et siliciumatom; derfor har kernen i et phosphoratom en stærkere tiltrækning af valenselektronerne, hvilket mindsker phosphoratomets størrelse sammenlignet med et siliciumatom.

Opgaveeksempel 5.10

Størrelser på atomer Angiv det mindste atom i hvert af følgende par: a. N eller F          b. K eller Kr          c. Ca eller Sr Løsning a. Et F atom, har en større positiv ladning i kernen, hvilket trækker elektronerne tættere på kernen, og gør dermed F atomet mindre en N atomet. Atomstørrelsen mindskes, når man går fra venstre mod højre henover en periode. b. Et Kr atom, har en større positiv ladning i kernen, hvilket trækker elektronerne tættere på kernen, og gør dermed Kr atomet mindre end K atomet.  Atomstørrelsen mindskes, når man går fra venstre mod højre henover en periode. c. De ydre elektroner i et Ca atom, er tættere på kernen end i et Sr atom, hvilket gør et Ca atom mindre end et Sr atom. Atomstørrelsen stiger, når man bevæger sig ned gennem en gruppe.

Ioniseringsenergi

I et atom, tiltrækkes de negativt ladede elektroner, til den positive ladning på protonerne i kernen. Derfor, kræves der energi, for at fjerne en elektron fra et atom. Ioniseringsenergien, er den energi der er nødvendig, for at fjerne en elektron fra et atom, i gasfasen (g). Når en elektron fjernes fra et neutralt atom, dannes en kation med ladningen 1+.

Tiltrækningen fra kernen på de yderste elektroner mindskes, da disse elektroner er længere væk fra kernen. Derfor falder ioniseringsenergien, når man bevæger sig ned gennem en gruppe (se figur 5.12). Hvis man imidlertid bevæger sig på tværs henover en periode fra venstre mod højre, øges den positive ladning i kernen sig, fordi der er et større antal protoner. Derfor stiger ioniseringsenergien, når am bevæger sig fra venstre mod højre i en periode.

Som en sammenfatning kan det siges, at ioniseringsenergien er lav for metaller og høj for ikke-metaller. Den høje ioniseringsenergi for ædelgasserne indikerer, at deres elektronkonfigurationer er specielt stabile.

Konceptforståelse 5.8

Ionisering Et magnesiumatom har elektronkonfigutationen 1s22s22p63s2. Når et magnesiumatopm ioniseres til dannelsen af en magnesiumion, Mg2+, hvilke elektroner er det, der tabes? a. 1s elektronerne          b. 2s elektronerne c. 2p elektronerne          d. 3s elektronerne Svar d. Når magnesiumatom, Mg, ioniseres og danner Mg2+, taber det to valenselektroner, der er de yderste 3s elektroner.

Opgaveeksempel 5.11

Hverdagskemikalier Angiv det grundstof i hvert par, som har den højeste ioniseringsenergi, og forklar dit valg: a. K eller Na          b. Mg eller Cl          c. F eller N Løsning a. Na. I Na, fjernes en elektron fra et underniveau tættere på kernen, hvilket kræver en højere ioniseringsenergi for Na i forhold til K. b. Cl. Den større ladning af kernen i Cl, øger tiltrækningen af valenselektronerne, så der kræves en højere ioniseringsenergi for Cl, sammenlignet med Mg. c. F. Den større ladning af kernen i F, øger tiltrækningen af valenselektronerne, så der kræves en højere ioniseringsenergi for F, sammenlignet med N.

Metallisk karakter

I afsnit 4.2, identificerede vi grundstoffer som metaller, ikke-metaller, og halvmetaller. Et grundstof der har en metallisk karakter, er et grundstof der let mister valenselektroner. Metallisk karakter, er mere fremtrædende i grundstofferne (metallerne) på den venstre side af det periodiske system, og falder fra venstre mod højre i en periode. Grundstofferne (ikke-metallerne) på den højre side af det periodiske system, mister ikke sine elektroner så let, hvilket betyder at de er mindre metalliske. De fleste af halvmetallerne, mellem metallerne og ikke-metallerne, at tendens til at miste elektroner, men ikke lige så let som metallerne. Derfor, i periode 3, er natrium som mister elektroner lettest, også det mest metalliske. Bevæger man sig på tværs fra venstre mod højre i periode 3, når man til argon, der har den mindste metalliske karakter af grundstofferne i periode 3.

For grundstoffer i samme gruppe af repræsentative grundstoffer, stiger den metalliske karakter fra oven og ned. Atomerne i bunden af enhver gruppe, har flere elektronniveauer, hvilket gør det nemmere at miste elektroner. Derfor, har grundstofferne i bunden af en gruppe i det periodiske system, en lavere ioniseringsenergi, og er mere metalliske sammenlignet med grundstofferne i toppen af gruppen.

Et sammendrag af det periodiske systems trends som vi har set på, kan ses i tabel 5.5.

Konceptforståelse 5.9

Metallisk karakter Angiv grundstoffet der har mest metallisk karakter i hvert af følgende par: a. Mg eller Al          v. Na eller K Svar a. Mg er mere metallisk end Al fordi, metallisk karakter falder når man går fra venstre mod højre på tværs af en periode. b. K er mere metallisk end Na fordi, metallisk karakter stiger, når man bevæger sig ned gennem en gruppe.

← Forsiden

6. Ion- og molekyleforbindelser →