ATOMIN JA IONIN KOKO MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA, KE4 Alkuaineen sijainti jaksollisessa järjestelmässä ja koko (atomisäde ja ionisäde) helpottavat ennustamaan kuinka helposti ja miten ko. alkuaine reagoi kemiallisesti (eli elektronien luovutus ja vastaanotto). Vastoin intuitiota = ennakkokäsitystä, siirryttäessä alkuaineesta seuraavan (eli kun Z kasvaa), niin atomisäde ei kasva vaan pienenee. Ilmiö selittyy protonien, neutronien ja elektronien kasvavan määrän sekä sähköisten Coulombin voimien vaikutusten avulla. Pääryhmissä alaspäin mentäessä atomin koko kasvaa, sillä 1. Mitä enemmän elektroneja atomissa on, sitä kauemmaksi ytimestä elektronit sijoittuvat. 2. Ytimen posit. vetovoima heikkenee uloimpia elektroneja kohti. Jaksoissa oikealle mentäessä atomin koko pienenee, sillä 1. Mitä enemmän protoneja on ytimessä, sitä voimakkaampi vetovoima uloimmalla kuorella olevia elektroneja kohti on. 2. Samalla kasvavan elektronimäärän mukana voimistuu elektronien keskinäinen hylkimisvoima. Yleisesti voidaan todeta, että ytimen pienempi vetovoima ja elektronien suurempi keskinäinen hylkimisvoima selittävät, miksi suuremmat metalliatomit reagoivat kiivaammin kuin pienemmät. Muista, metallit hapettuvat! Epämetalleilla (Muista, epämetallit pelkistyvät!) atomikoon vaikutus reaktiokykyyn on päinvastainen kuin metalleilla. Reaktiokyky epämetalleilla kasvaa, kun atomikoko pienenee. Syyt: 1. Mitä pienempi atomi, sitä lähempänä ydintä uloin elektronikuori on. Tällöin liittyvään elektroniin (pelkistyminen) kohdistuu suurempi vetovoima. 2. Lisäksi pienemmässä atomissa on vähemmän elektroneja, eli vähemmän elektronien keskinäistä hylkimistä. 1
Kokeellisesti laskettu atomisäde (pm) 11.2.2018 Pääryhmät 1 ja 2 (s-lohko) Pääryhmät 13-18 (plohko) Siirtymämetallit (d-lohko) Atominumero Z eli protonien lukumäärä. Määritelmä, Ionisaatioenergia: Sitä pienintä energiamäärää (kj/mol), joka tarvitaan irrottamaan elektroni kaasumaisesta alkuaineesta tai ionista. Mitä pienempi ionisaatioenergia on, sitä löyhemmin atomi sitoo irtoavaa elektronia ja sitä reaktiivisempi alkuaine on. Elektronin irrottaminen vaatii aina energiaa, siksi ionisaatioenergia on aina positiivinen! Na g Na + g + e IE 1 = 496 kj/mol Huom! Voidaan mitata myös toinen, kolmas jne. ionisaatioenergiat. Kirjassa Na:n tapaus 2
Havaitaan, että suurin ionisoitumisenergia-arvo on aina kunkin jakson jalokaasulla. Metalleilla on pieni ionisaatioenergia. Metalliatomit luovuttavat siis helposti elektronin (-neja), joten muodostuva kationi (+-merkkinen ioni) on pienempi kuin atomi. Vastaavasti epämetalli-ionit ovat usein anioneja ( -merkkinen ioni), jolloin niiden säde on suurempi kuin pelkän atomin. 3
Atomien ja niiden ionien sädekokoja pikometreinä (eli 10 12 m) Ryhmä 1 Ryhmä 2 Ryhmä 13 Ryhmä 16 Ryhmä 17 Määritelmä, elektroniaffiniteetti: Sitä energiamäärää (kj/mol), joka vapautuu tai sitoutuu, kun kaasumaiseen atomiin tai ioniin liitetään yksi elektroni sanotaan elektroniaffiniteetiksi. Jaksollisessa järjestelmässä eri alkuaineiden elektroniaffiniteetit muuttuvat pääpiirteissään samoin kuin ionisaatioenergiat (poikkeuksia on enemmän elektronirakenteesta johtuen). Mitä negatiivisempi elektroniaffiniteetti on, sitä helpommin alkuaineesta muodostuu negatiivinen ioni eli anioni. F g + e F g EA = 328 kj/mol 4
kj/mol Ensimmäinen ionisaatioenergia kasvavan järjestysluvun mukaan. Järjestysluku Z EA H(298K), kj/mol Elektroniaffiniteettiin liitetyt entalpian muutokset. Järjestysluku Z 5
Metalliatomien säteet. Säde, pm Järjestysluku Z 6
OKSIDIEN HAPPO- EMÄSLUONNE Määritelmä, oksidi: Alkuaineiden happiyhdisteitä kutsutaan oksideiksi. MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA, KE4 Esim. vesi H 2 O on divetyoksidi. Epämetallien oksidit ovat kovalenttisia ja molekyylien välillä on vain dipolidipolisidoksia ja dispersiovoimia. Siksi ne ovat kaasuja huoneenlämpötilassa. Epämetallioksidit kovalenttisina yhdisteinä, liukenevat veteen molekyyleinä ja voivat reagoida vesimolekyylien kanssa happihapoiksi. Hiilidioksidi CO 2 (g) + H 2 O(l) H 2 CO 3 (aq) Hiilihappo Rikkidioksidi SO 2 (g) + H 2 O(l) H 2 SO 3 (aq) Rikkihapoke Rikkitrioksidi SO 3 (g) + H 2 O(l) H 2 SO 4 (aq) Rikkihappo Typpidioksidi 2 NO 2 (g) + H 2 O(l) HNO 2 (aq) + HNO 3 (aq) Dityppipentaoksidi N 2 O 5 (g) + H 2 O(l) 2 HNO 3 (aq) Typpihappo Metallien oksidit ovat ionisia. Vahvojen ionisidosten vuoksi metallioksidien sulamispisteet ovat korkeita. Esimerkiksi magnesiumoksidin MgO sulamispiste on 2800 ja alumiinioksidin Al 2 O 3 sp. 2054. 7
Ionirakenteiset ja vahvasti pooliset yhdisteet liukenevat veteen ioneina muodostuu emäksisiä oksidi-ioneita. Oksideissa hapen hapetusluku on tavallisesti II. Poikkeuksen tekevät peroksidit, joissa hapetusluku on I. Määritelmä, peroksidit: Yhdisteitä, joissa on O O-ryhmä, kutsutaan peroksideiksi. Vaikka kaksoissidoksellinen O = O -sidos onkin vahva niin peroksidien yksinkertainen O O σ sidos katkeaa helposti. Peroksidit ovat hyviä hapettimia! Tärkein peroksidi on vetyperoksidi H 2 O 2, jota käytetään hapettimena ja mm. valkaisuaineena. Ennen (esim. 50-luvulla) haavojen puhdistamiseen. Tarkastellaan seuraavaa taulukkoa. Mitä havaitaan? Määritelmä, amfolyytti: Amfolyytti on aine, joka voi toimia joko happona tai emäksenä 5.kurssi. 8
Emäksisissä oksideissa on emäksisiä oksidi-ioneita O 2 ja happamissa oksideissa on epämetallinen keskusatomi, jolla positiivinen osittaisvaraus. Oksidien happo-emäsluonne S C N P SO 2 CO 2 NO x P 2 O 5 SO 3 H 2 SO 4 H 2 CO 3 HNO 3 HPO 3 sulfaatit karbo- nitraatit fosfaatit naatit K 2 SO 4 K 2 CO 3 KNO 3 K 3 PO 4 (kaliumsuolat) KOH K 2 O K MgSO 4 MgCO 3 Mg(NO 3 ) 2 Mg 3 (PO 4 ) 2 (magnesiumsuolat) Mg(OH) 2 MgO Mg CaSO 4 CaCO 3 Ca(NO 3 ) 2 Ca 3 (PO 4 ) 2 (kalsiumsuolat) Ca(OH) 2 CaO Ca Fe 2 (SO 4 ) 3 Fe 2 (CO 3 ) 3 Fe(NO 3 ) 3 FePO 4 (rautasuolat) Fe(OH) 3 Fe 2 O 3 Fe 9