Periodická soustava prvků – maturitní otázka

chemie

 

Otázka: Periodická soustava prvků

Předmět: Chemie

Přidal(a): Claire Rye

 

Periodický zákon: Vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich protonového čísla. (vyplývá z pravidel, jimiž se řídí výstavba elektronového obalu atomu)

 

Historie

  • 1864 – John Newlands – „Zákon oktáv“ (opakují se podobné vlastnosti)
  • 1772 – 1. pokus o PT – Louis-Bernard Guyton de Morveau
  • 1857 – Jean-Baptiste Dumas – publikována zákl. periodická tabulka o 32 prvcích v 8 sloupcích (poukazovala na společné vlastnosti)
  • 1858 – objev periodické tabulky – Stanislao Cannizzaro (seřazení prvku dle vzrůstajících „atomových vah“)- 1862 –  Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois – seřazení prvků dle atomové hmotnosti
  • 1864 – Julius Lothar Meyer – tabulka mocenství pro 49 prvků
  • William Oding – téměř správná tabulka, 17 sloupců, 57 prvků
  • 1869 –  Dmitrij Ivanovič Mendělejev – formuluje periodický zákon a různé formy periodické tabulky o 63 prvcích, o 2 roky později ji vylepšil a předpověděl objev 10 prvků (Sc, Ga, Ge, Tc, Re, Po, Fr, Ra, Ac a Pd)

 

Periodická tabulka prvků

  • grafické vyjádření periodického zákona
  • vyjadřuje závislost vlastností prvků na struktuře elektronových obalů jejich atomů, lze z ní odvodit výstavbu elektronových obalů atomů každého prvku

 

Členění tabulky

Tabulka je členěna na periody (ve vodorovném směru) a na skupiny (ve svislém směru).

 

Periody

  • je jich celkem 7
  • prvky jsou v nich umístěny tak, aby prvky nad a pod sebou tvořily svislé skupiny prvků s podobnými vlastnostmi
  • prvky jedné periody mají stejný počet obsazovaných elektronových vrstev, tento počet je roven hlavnímu kvantovému číslu (HKČ) nejvyšší obsazované vrstva, která je v krajním případě obsazena úplně, jinak částečně
  • podle HKČ nejvyšší obsazované vrstvy rozdělujeme prvky do jednotlivých period, HKČ dané periody přisuzuje atomům prvků v této periodě určitou elektronovou konfiguraci
  • rozlišujeme 4 typ orbitalů – s, p, d, f
  • elektronová konfigurace se řídí výstavbovým principem
    • n=1, prvek leží v 1. periodě (K) … teoreticky zcela zaplněná vrstva 1s2  (obsahuje 2 prvky)
    • n=2, prvek leží v 2. periodě (L) … teoreticky zcela zaplněná vrstva 2s2 2p6  (obsahuje 8 prvků)
    • n=3, prvek leží ve 3. periodě (M) … teoreticky zcela zaplněná vrstva 3s2 3p6  (obsahuje 8 prvků)
    • n=4, prvek leží ve 4. periodě (N) … teoreticky zcela zaplněná vrstva 4s2 3d10 4p6  (obsahuje 18 prvků)
    • n=5, prvek leží v 5. periodě (O) … teoreticky zcela zaplněná vrstva 5s2 4d10 5p6  (obsahuje 18 prvků)
    • n=6, prvek leží v 6. periodě (P) … teoreticky zcela zaplněná vrstva 6s2 4f14 5d10 6p6 (obsahuje 32 prvků)
    • n=7, prvek leží v 7. periodě (Q) … teoreticky zcela zaplněná vrstva 7s2 5f14 6d10 7p6 (obsahuje 32 prvků, ale ve skutečnosti jen 26, protože je neúplná)
  • všechny periody kromě poslední končí vzácným plynem
  • prvky téže periody mají různý počet i uspořádání valenčních elektronů, tudíž mají rozdílné vlastnosti

 

Skupiny

  • je jich celkem 16
  • prvky jsou v nich umístěny pod sebou a vykazují podobné vlastnosti
  • starším způsobem označovány římskými číslicemi – VIII., dále rozděleny na dva typy skupin – A (hlavní) a B (vedlejší); prvky skupin A jasou nepřechodné, prvky skupin B jsou přechodné
  • nově označovány arabskými číslicemi 1-18
  • podobné vlastnosti prvků jsou způsobeny podobnou konfigurací poslední obsazované vrstvy jejich atomů, atomy téže skupiny mají v této vrstvě stejný počet valenčních elektronů, které jsou umístěny do stejného typu orbitalu, tento orbital se liší pouze HKČ
  • vlastnosti prvků se opakují po určitých periodách
  • ve & 3. periodě po 8 prvcích
  • ve & 5. periodě po 18 prvcích
  • v  & 7. periodě po 32 prvcích
  • pro některé skupiny jsou zaužívané triviální názvy
  • A (1) – alkalické kovy … (H,) Li, Na, K, Rb, Cs, Fr
  • A (2) – kovy alkalických zemin … (Be, Mg,) Ca, Sr, Ba, Ra
  • A (13) – triely … B, Al, Ga, In, Tl
  • A (14) – tetrely … C, Si, Ge, Sn, Pb
  • A (15) – pentely … N, P, As, Sb, Bi
  • A (16) – chalkogeny …O, S, Se, Te, Bi, (Po)
  • A (17) – halogeny … Cl, F, Br, I, At, (At )
  • A (18) – vzácné plyny … He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
  • B (8 + 9 + 10 – tvoří ji tři sloupce) – triviální názvy period těchto sloupců
    • triáda železa … Fe, Co, Ni
    • lehké platinové kovy … Ru, Rh, Pd
    • těžké platinové kovy … Os, Ir, Pt
  • z úsporných důvodů se z tabulky na zvláštní řádky vyčlenilo
  • 14 prvků 6. periody následujících za lanthanem = lanthanoidy
  • 14 prvků 7. periody následujících za aktiniem = aktinoidy
  • souhrnný název pro lanthanoidy a aktinoidy = vnitřně přechodné prvky
  • nejsou součástí žádné skupiny

 

Rozdělení prvků podle valenčních elektronů

  • valenční elektrony = energeticky nejvýše položené elektrony atomu prvku
  • zásadně ovlivňují schopnost atomu slučovat se s atomy jiného prvku
  • umístěny na různých hladinách (orbitalech), podle orbitalu, ve které jsou umístěny, rozlišujeme:
  • n … číslo periody
  • s-prvky = prvky s valenčními elektrony v orbitalu s – ns1-2
  • prvky a II. A (1 a 2) skupiny
  • p-prvky = prvky s valenčními elektrony v orbitalech s a p – ns2 np1-6
  • prvky – VIII. A (13 – 18) skupiny
  • společné označení pro s-prvky a p-prvky = nepřechodné prvky
  • prvky A skupin
  • římské číslo skupiny = počet valenčních elektronů u prvků dané skupiny = maximální kladné oxidační číslo prvků dané skupiny (pozn. maximální záporné oxidační číslo získáme tak, že od čísla 8 odečteme číslo skupiny) – najdeme zde kovy, polokovy i nekovy
  • d-prvky = prvky s valenčními elektrony v orbitalech s a d – ns2 (n – 1)d1-10
  • prvky skupin B (3 – 12)
  • označení pro d-prvky = přechodné prvky
  • najdeme zde pouze kovy
  • vlastnosti:
  • schopnost tvořit koordinační (komplexní) sloučeniny
  • f-prvky = prvky s valenčními elektrony v orbitalech s (někdy i d) a f – ns2 (n – 2)f1-14
  • lanthanoidy & aktinoidy
  • označení pro f-prvky = vnitřně přechodné prvky
  • najdeme zde pouze kovy o velmi podobných vlastnostech

 

Rozdělení prvků na kovy, polokovy a nekovy

1) Kovy

  • Všechny přechodné a vnitřně přechodné prvky + některé nepřechodné prvky
  • 80% prvků v přírodě jsou kovy
  • Mezi kovy se řadí prvky, které mají většinu těchto vlastností:
    • Fyzikální
      • charakteristický vzhled – kovový lesk
      • elektrická a tepelná vodivost (způsobeno volným pohybem elektronů v krystalové mřížce)
      • kujnost a tažnost (vyplývá z kovové vazby)
    • Chemické
      • nízká elektronegativita -> snadná tvorba kationtů (např. Na+, K+, Ca2+ …), redukční účinky
      • malá ionizační energie
      • zásadotvorný charakter -> tvorba zásad (např. NaOH, Ca(OH)2 …)
      • krystalizují v kovových strukturách
      • v PSP stoupá charakter kovů směrem doleva
      • umělé dělení kovů:
      • typické kovy (kovy nepřechodných prvků a některé přechodné prvky), mají výše uvedené vlastnosti
      • ostatní kovy (většina přechodných prvků a vnitřně přechodné prvky), můžou mít výše uvedené vlastnosti + jiné, které závisí na postavení prvku v PSP a oxidačním čísle
      • Becketova řada kovů = uspořádání kovů podle jejich redoxních potenciálů
  • Kovy nalevo od vodíku jsou neušlechtilé kovy a reagují s bezkyslíkatými i kyslíkatými kyselinami (za vzniku vodíku)
  • Kovy napravo od vodíku jsou ušlechtilé kovy a reagují pouze s kyslíkatými kyselinami (Pt a Au reagují pouze s lučavkou královskou = HNO3 + 3HCl)
  • směrem doleva roste zápornější redoxní potenciál, z toho plyne, že kovy více vlevo mají silnější redukční účinky a jsou schopnější ze sloučeniny vyredukovat kov od nich napravo (kromě ušlechtilých kovů)

 

2) Nekovy

  • vodík + prvky v pravém horním rohu PSP (jsou 1 – 4 místa před nejbližším vzácným plynem); typickým nekovem jsou halogeny
  • vlastnosti:
    • vysoká elektronegativita -> snadná tvorba aniontů (např. Cl–, S2- …) oxidační účinky
    • velká ionizační energie
    • kyselinotvorný charakter -> tvorba kyselin (např. H2SO4 …)

 

3) Polokovy

  • tvoří rozhraní mezi kovy a nekovy – mají některé vlastnosti kovů a některé vlastnosti nekovů (záleží na oxidačním čísle)
  • např. B, Si, Te, Sb, As, …
  • Zákonitosti v PSP pro nepřechodné prvky = prvky A skupin

 

VE SVISLÉM SMĚRU

Elektronegativita … X

  • směrem dolů klesá
  • příčina: s rostoucím hlavním kvantovým číslem jsou valenční elektrony ve vzdálenější slupce od jádra, a tak jsou jádrem méně přitahovány a je snadnější je z elektronového obalu „vytrhnout“, snižuje se ionizační energie a elektronegativita
  • s elektronegativitou souvisí tvorba iontů
  • směrem dolů roste schopnost tvorby kationtů a směrem nahoru roste schopnost tvorby aniontů
  • příčina: s klesající elektronegativitou klesá ionizační energie – čím je nižší, tím je snadnější „vytrhnout“ z obalu elektron a tím snadněji vzniká kationt

 

Kovový/nekovový charakter

  • směrem dolů roste kovový charakter a směrem nahoru roste nekovový charakter
  • dobře patrné na IV. A skupině: C … nekov
    • Si, Ge … polokovy
    • Sn, Pb … kovy

 

Oxidačně redukční schopnosti

  • redukční schopnosti jsou charakteristické pro kovy – směrem dolů rostou
  • oxidační schopnosti jsou charakteristické pro nekovy – směrem nahoru rostou

 

Acidobazický charakter = schopnost tvořit kyseliny/zásady

  • kyselinotvorný charakter směrem nahoru roste a zásadotvorný charakter směrem dolů roste
  • dobře patrné na III. A skupině: C – kyselina uhličitá
    • Al – amfoterní (obojaký) – kyselina hlinitá, hydroxid hlinitý
    • In – hydroxid inditý
    • Tl – hydroxid thalitý

 

VE VODOROVNÉM SMĚRU

Elektronegativita … X

  • směrem doprava roste
  • příčina: se zvětšujícím se protonovým číslem přibývá elektronů v obalu a zvětšují se přitažlivé síly obal – jádro, tudíž je těžší elektrony z obalu „vytrhnout“, zvětšuje se ionizační energie a elektronegativita
  • s elektronegativitou souvisí tvorba iontů
  • směrem doleva roste schopnost tvorby kationtů a směrem doprava roste schopnost tvorby aniontů
  • příčina: s rostoucí elektronegativitou roste ionizační energie – čím je větší, tím je těžší „vytrhnout“ z obalu elektron, tím hůř vzniká kationt

 

Kovový/nekovový charakter

  • směrem doleva roste kovový charakter a směrem doprava roste nekovový charakter

 

Oxidačně redukční schopnosti

  • redukční schopnosti jsou charakteristické pro kovy, směrem doleva rostou
  • oxidační schopnosti jsou charakteristické pro nekovy, směrem doprava rostou

 

Acidobazický charakter = schopnost tvořit kyseliny/zásady

  • kyselinotvorný charakter směrem doprava roste a zásadotvorný charakter směrem doleva roste

 

Ionizační energie (IE)

  • Je změna vnitřní energie (∆U) spojená s odstraněním valenčního elektronu z elektronového obalu atomu v plynném stavu při T = 0 K:
  • Pro odtržení elektronu je nutné energii dodat (tedy IE > 0) a platí, že každá další IE je vyšší než předchozí (IE1 < IE2 < IE3 …).
  • Hodnota IE závisí na stabilitě elektronové konfigurace před odtržením e- a po něm.
  • V periodě nalezneme nejvyšší hodnoty IE u vzácných plynů, kde narušujeme nejstabilnější elektronovou konfiguraci vůbec.
  • Naopak nejnižší hodnota bude u alkalických kovů, protože odtržení jediného valenčního elektronu z orbitalu ns povede ke stabilní konfiguraci vzácného plynu.
  • v periodě poroste hodnota IE zleva doprava.
  • V rámci skupiny je elektronová konfigurace analogická, přičemž shora dolů roste hlavní kvantové číslo n.

S jeho zvyšující se hodnotou zároveň roste velikost daného orbitalu a jeho difúznost. Odtržení elektronu je tedy s rostoucím n stále snazší a v periodické tabulce shora dolů hodnota IE klesá. Nejvyšší IE nalezneme u helia.

 

Elektronová afinita (EA)

Je změna vnitřní energie při T = 0 K spojená s připojením elektronu k atomu nebo iontu:

  • Proces připojení elektronu je exotermní (EA1 < 0), pokud vzniká stabilní anion, přičemž s rostoucí stabilitou aniontu roste množství uvolněné energie.
  • Stabilitu aniontu posuzujeme podle dosažené elektronové konfigurace a na základě podobné úvahy jako v případě ionizačních energií lze konstatovat, že elektronová afinita roste (tj. její hodnota se stává negativnější) v periodě zleva doprava a ve skupině zdola nahoru.
  • Narušení stabilní konfigurace vzácných plynů připojením dalšího elektronu vede k tomu, že jejich EA1 má kladnou hodnotu.

 

Elektronegativita (χ)

  • je schopnost atomu přitahovat k sobě elektrony. Tuto vlastnost nelze přímo experimentálně měřit, je nutno ji spočítat a podle metody výpočtu rozlišujeme elektronegativitu: Paulingovu(χP), Mullikenovu (χM) a Allred-Rochowovu (χAR).
  • Při znalosti změn Z* a velikostí atomů v periodické tabulce, můžeme odvodit, že elektronegativita roste v periodě zleva doprava a ve skupině zdola nahoru.

 

Struktura molekul

  • U tříatomových a víceatomových molekul je jeden nebo více centrálních atomů. Vazby směřující od nich mohou svírat různé úhly.
  • Jejich valenční orbitaly (vazebné i nevazebné) se vzájemně odpuzují. Proto jsou vazby vycházející z jednoho centrálního atomu orientovány tak, že jejich vazebné úhly mají největší možnou velikost.
  • Při hlubším rozboru prostorové orientace a energie vazeb i tvaru těchto molekul se předpokládá, že dochází ke změně a sjednocení tvaru a energie valenčních orbitalů. Výsledný stav molekuly je pak energeticky nejchudší, což je nejvýhodnější pro její stabilitu. Podrobný výklad podává tzv. teorie hybridizace.
  • Podle tohoto výkladu se budou nově vzniklé valenční orbitaly (vazebné i nevazebné) označovat jako hybridní orbitaly. Budou mít stejnou energii – jako orbitaly degenerované. Budou mít i stejný – kapkovitý tvar. Budou se lišit jen orientací v prostoru molekuly.

 

Hybridizace

  • je sjednocení energeticky různých orbitalů daného atomu, přičemž vznikají nové orbitaly, tzv. orbitaly hybridní
  • vysvětluje vznik rovnocenných kovalentních vazeb z energeticky rozdílných orbitalů a umožňuje předpovědět strukturu takto vzniklých látek
  • pro každý typ hybridizace je charakteristické rozmístění hybridních orbitalů v prostoru, což určuje i prostorové uspořádání chemických vazeb

 

Hybridní stav Tvar molekuly Úhel Příklad
sp Lineární 180 CO
sp2 Rovnostranný trojúhelník 120 BCl3
sp3 Tetraedr 109,5 CH4, H2O, NH3
sp3 d2 Oktaedr 90 SF6
dsp2 čtverec 90 Ni(CN)4
sp3 d trigonální bipyramida/čtvercová pyramida 3 x 120, 2 x 90 PCl5
💾 Stáhnout materiál   🎓 Online kurzy
error: Stahujte 15 000 materiálů v naší online akademii 🎓.