Ηλεκτρονιακή δομή ατόμων και Περιοδικός Πίνακας

ΧΗΜΕΙΑ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ΄ ΛΥΚΕΙΟΥ

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

1

2

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1.1

ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΚΒΑΝΤΑ – ΣΥΝΘΗΚΕΣ BOHR.....................5

1.2

ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ................................................22

1.3

ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ.............................................28

1.4

ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ........45

1.5

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ – ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕΤΑΠΤΩΣΗΣ........79

1.6

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ....108

1.7

ΘΕΩΡΙΑ LEWIS...................................................140

ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ........................................................173

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1......................................................174

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 2......................................................177

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 3......................................................179

ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΩΝ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ...............................182

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

3

4

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

1.1 ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΚΒΑΝΤΑ- ΣΥΝΘΗΚΕΣ BOHR Η ΔΙΠΛΗ ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ Μέχρι το 1900 το φως περιγραφόταν από δύο ξεχωριστές και εντελώς ασυμβίβαστες θεωρίες: του Isaak Newton (1687) που θεωρούσε το φως σαν σωματίδια και του James Clark Maxwell (1864) που περιέγραφε το φως σαν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Σύμφωνα με τη θεωρία του James Clark Maxwell, το φως είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται στο κενό με ταχύτητα c=2,997 108 m s-1. Τα κύματα αυτά αποτελούνται από δύο συνιστώσες που πάλλονται σε κάθετα μεταξύ τους επίπεδα: μια ηλεκτρική και μια μαγνητική συνιστώσα (Σχήμα 1). Η απόσταση ανάμεσα σε δύο σημεία μέγιστης έντασης ονομάζεται μήκος κύματος λ.

Σχήμα 1. Σχηματική αναπαράσταση ηλεκτρομαγνητικού κύματος Μια άλλη σημαντική ιδιότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι η συχνότητα ν που ορίζεται ως ο αριθμός των μονάδων μήκους κύματος που περνάει από ένα σταθερό σημείο στη μονάδα του χρόνου. Οι μονάδες της συχνότητας είναι κύκλοι ανά δευτερόλεπτο ή Hertz. Το μήκος κύματος και η συχνότητα συνδέονται με την ταχύτητα c του φωτός με τη σχέση: c=λ.ν Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα περιλαμβάνει ένα σύνολο φωτεινών κυμάτων των οποίων η συχνότητα ποικίλλει και μεταβάλλεται με τρόπο συνεχή από τις υψηλής ενέργειας ακτίνες γ μέχρι τα

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

5

μικροκύματα. Το φάσμα του ορατού φωτός (Σχήμα 2) είναι ένα μικρό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος στο οποίο είναι ευαίσθητο το ανθρώπινο μάτι. Το χρώμα του ορατού φωτός εξαρτάται από την τιμή της συχνότητας ν ή του μήκους κύματος.

Σχήμα 2. Η ορατή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος Η θεωρία του James Clark Maxwell εξηγούσε τα φαινόμενα διάδοσης του φωτός (ανάκλαση, διάθλαση, περίθλαση) στα οποία εκδηλώνεται η κυματική φύση του, ενώ δεν μπορούσε να ερμηνεύσει φαινόμενα που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη

(εκπομπή-απορρόφηση

ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τα άτομα) ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΚΒΑΝΤΑ Ποιός – Πότε : Ο Max Planck το 1900 Διατυπώνεται: Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπεται όχι με συνεχή τρόπο (σαν κύμα) αλλά σε μικρά πακέτα (κόκκοι) που ονομάζονται κβάντα. Τα κβάντα φωτός ή της ακτινοβολίας γενικότερα ονομάζονται φωτόνια. Ενέργεια του κβάντου:

Ε=h ν

όπου, h : η σταθερά Planck, που είναι ίση με 6,63 10-34 J s και ν : η συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Επειδή η ενέργεια της ακτινοβολίας παίρνει μόνο ορισμένες (διακριτές) τιμές (ακέραια πολλαπλάσια του h) είναι κβαντισμένο μέγεθος. Ερμηνεύει: την ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα θερμαινόμενο σώμα (φαινόμενο που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη). Υποστηρίζει: τη σωματιδιακή φύση του φωτός (τα φωτόνια ορίζονται σαν "κόκκοι" ενέργειας), χωρίς να αναιρεί την κυματική φύση του φωτός(η

6

συχνότητα ν της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας είναι

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

κυματική ιδιότητα). Δηλαδή η κβαντική θεωρία συμπεριλαμβάνει το σωματιδιακό και κυματικό χαρακτήρα του φωτός. Αποτελεί τη βάση, για τη θεωρία του Albert Einstein που εξηγεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, δηλαδή την απελευθέρωση ηλεκτρονίων από την επιφάνεια ενός αγωγού όταν προσπίπτουν σε αυτή φωτόνια.

ΑΤΟΜΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΟΥ BOHR Πότε : Το 1913 Αναφέρεται: Στο άτομο του υδρογόνου. Συνοπτική περιγραφή:

1η Συνθήκη (μηχανική συνθήκη):Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε κυκλικές τροχιές (επιτρεπόμενες τροχιές) καθορισμένης ακτίνας και ενέργειας.

2η Συνθήκη (οπτική συνθήκη): Το ηλεκτρόνιο εκπέμπει ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας μόνο όταν μεταπηδά από μια τροχιά σε άλλη. Ερμηνεύει: Το γραμμικό φάσμα εκπομπής του υδρογόνου και των υδρογονοειδών ιόντων (ιόντα με 1 ηλεκτρόνιο π.χ. He+, Li2+ κλπ.)

ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟΥ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ (ΑΤΟΜΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΟΥ BOHR) Σχέση : En

όπου,

- 2,18 ·10 -18 J n2

n = ο κύριος κβαντικός αριθμός, ο οποίος παίρνει μόνο θετικές ακέραιες τιμές (1,2,3...) και

καθορίζει την ενεργειακή στάθμη του ηλεκτρονίου και την απόσταση ηλεκτρονίου - πυρήνα.

Εξαρτάται : Από την τιμή του n. Όσο μεγαλώνει η τιμή του n, τόσο το ηλεκτρόνιο απομακρύνεται από τον πυρήνα και τόσο μεγαλώνει η ενέργειά του. Παίρνει τιμές: Ορισμένες μόνο αρνητικές τιμές. Η ενέργεια είναι κβαντισμένη κατά συνέπεια παίρνει ορισμένες μόνο τιμές, αφού και ο n παίρνει ορισμένες μόνο τιμές.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

7

Ελάχιστη τιμή : Ε1=-2,18·10-18J για n=1 δηλαδή όταν το ηλεκτρόνιο είναι κατά το δυνατό πλησιέστερα στον πυρήνα (θεμελιώδης κατάσταση). Το αρνητικό πρόσημο έχει την έννοια ότι το ηλεκτρόνιο πρέπει να απορροφήσει 2,18·10-18J για να αποσπαστεί από την έλξη του πυρήνα. Αντίθετα, λέμε πως το ηλεκτρόνιο είναι σε διεγερμένη κατάσταση, όταν βρίσκεται σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες, δηλαδή όταν n>1. Μέγιστη τιμή: Ε = 0 , όταν το ηλεκτρόνιο απομακρυνθεί αρκετά και η έλξη του πυρήνα μηδενιστεί. Σ’ αυτή την περίπτωση, το ηλεκτρόνιο παύει πλέον να ανήκει στο άτομο και έχει επέλθει ιοντισμός. ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟΥ Είναι: η μετάπτωση του

ηλεκτρόνιου

από χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη Εi σε

υψηλότερη

ενεργειακή στάθμη Εf. Συνοδεύεται: από απορρόφηση ακτινοβολίας (απορρόφηση φωτονίου). Ισχύει: Η αρχή διατήρησης της ενέργειας:

ΔΕ = Εf – Εi =ΕΦωτονίου = h ν Δηλαδή η ενέργεια του φωτονίου ΕΦωτονίου είναι ίση με τη

διαφορά ενέργειας

ΔΕ των δύο

ενεργειακών σταθμών Εi και Εf ( Εf > Εi ) Προσοχή! Όταν άτομο υδρογόνου συγκρούεται με ένα φωτόνιο τότε το άτομο υδρογόνου ή θα απορροφήσει όλο το ποσό ενέργειας του φωτονίου μεταβαίνοντας σε μια επιτρεπόμενη ενεργειακή στάθμη ή δε θα απορροφήσει καθόλου ενέργεια παραμένοντας στην κατάσταση στην οποία βρίσκεται. ΑΠΟΔΙΕΓΕΡΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟΥ Είναι: η μετάπτωση του

ηλεκτρόνιου

από υψηλότερη ενεργειακή στάθμη Εi σε χαμηλότερη

ενεργειακή στάθμη Εf. Συνοδεύεται: από εκπομπή ακτινοβολίας (εκπομπή φωτονίου). Ισχύει: Η αρχή διατήρησης της ενέργειας:

ΔΕ = Εf – Εi =ΕΦωτονίου = h ν Δηλαδή η ενέργεια του φωτονίου ΕΦωτονίου είναι ίση με τη

διαφορά ενέργειας

ΔΕ των δύο

ενεργειακών σταθμών Εi και Εf ( Εf < Εi )

8

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Προσοχή! Κατά την αποδιέγερση μπορεί να γίνει εκπομπή όλων των δυνατών φωτονίων που προκύπτουν από όλες τις δυνατές μεταπτώσεις.

0 -2,18 10-18 /9 J

-2,18 10-18 /4 J

α π ο δ ι ε γ ε ρ σ η

a

-2,18 10-18J

n=3 δ ι έ γ ε ρ σ η

διεγερμένες καταστάσεις

n=2

n=1 θεμελιώδης κατάσταση

Ε ΓΡΑΜΜΙΚΟ ΦΑΣΜΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ Είναι: Η σειρά των φωτεινών γραμμών που προκύπτει με ανάλυση του φωτός( με πρίσμα), που εκπέμπει ένα αέριο όταν εφαρμόσουμε τάση στα άκρα ενός σωλήνα που περιέχει το αέριο σε χαμηλή πίεση, Εξήγηση: Εφαρμόζοντας τάση στα άκρα ενός σωλήνα που περιέχει το αέριο τα ηλεκτρόνιά του θα διεγερθούν. Η παραμονή κάθε ηλεκτρονίου στη διεγερμένη κατάσταση διαρκεί ελάχιστα (10-10 -10-8 s). Τα ηλεκτρόνια αμέσως αποδιεγείρονται. Κάθε μετάπτωση συνοδεύεται από την εκπομπή ενός φωτονίου, του οποίου η συχνότητα καθορίζει το χρώμα των φωτεινών γραμμών και εξαρτάται από την ενεργειακή διαφορά των στοιβάδων:

ΔΕ = Εf– Εi = h ν

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

9

Υδρογόνο

Οι μεταπτώσεις του ηλεκτρονίου στην ενεργειακή στάθμη n = 1 έχουν μεγάλη ενέργεια, οπότε τα φωτόνια που εκπέμπονται έχουν συχνότητες στην υπεριώδη περιοχή (UV – σειρά Lyman). Οι μεταπτώσεις στην ενεργειακή στάθμη n = 2 έχουν μικρότερη ενέργεια και οι συχνότητες των φωτονίων εμφανίζονται στην περιοχή του ορατού φωτός (σειρά Balmer). Τέλος οι μεταπτώσεις στη στάθμη n = 3 και n = 4 αντιστοιχούν σε φωτόνια μικρότερης συχνότητας στην (IR) υπέρυθρη περιοχή (σειρά Paschen η μετάπτωση στην 3).

Φάσμα Εκπομπής Υδρογόνου Με βάση τη πρώτη συνθήκη του Bohr εξηγείται η σύγκλιση των φασματικών γραμμών προς μικρότερα μήκη κύματος (υψηλότερες ενέργειες) ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΟΥ ΑΤΟΜΙΚΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΤΟΥ BOHR 1. Δεν μπορεί να ερμηνεύσει: τα φάσματα εκπομπής πολυπλοκότερων του υδρογόνου ατόμων (που διαθέτουν περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια) Το χημικό δεσμό.

10

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

2. Εισάγει αυθαίρετα την έννοια του κύριου κβαντικού αριθμού και τη κβάντωση της ενέργειας.

3. Δέχεται ότι το ηλεκτρόνιο είναι σωματίδιο, κινούμενο γύρω από τον πυρήνα σε καθορισμένη θέση και με συγκεκριμένη ενέργεια.

Ερωτήσεις κατανόησης 1. Κατά τη διέγερση ατόμου υδρογόνου, ηλεκτρόνιο μεταπηδά από την ενεργειακή στάθμη n = 1 στην ενεργειακή στάθμη n = 4. Ποια από τα παρακάτω δεδομένα είναι σωστά και ποια λάθος; α. Η ενεργειακή στάθμη με n = 4 αποτελεί την πρώτη διεγερμένη κατάσταση του ατόμου του υδρογόνου. β. Χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για να ιοντιστεί ένα διεγερμένο άτομο υδρογόνου από ότι όταν το άτομο είναι στη θεμελιώδη του κατάσταση. γ. Το ηλεκτρόνιο όταν βρίσκεται σε κατάσταση διέγερσης είναι κατά μέσο όρο πιο μακριά από τον πυρήνα. δ. Η συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας κατά την μετάπτωση ηλεκτρονίου από n = 4 σε n = 1 είναι η ίδια με αυτή της ακτινοβολίας που εκπέμπεται κατά την μετάπτωση του ηλεκτρονίου από n = 4 σε n = 2. ε. Η συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας κατά την μετάπτωση ηλεκτρονίου από n = 4 σε n = 1 είναι μεγαλύτερη αυτής που προκύπτει κατά την μετάπτωση του ηλεκτρονίου από n = 4 σε n = 2.

2. Το άτομο του υδρογόνου βρίσκεται στη θεμελιώδη ενεργειακή κατάσταση: α. Ποια είναι η ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να απορροφήσει το άτομο του υδρογόνου, ώστε να διεγερθεί; β. Πόση ενέργεια πρέπει να έχει ένα φωτόνιο που θα απορροφήσει το άτομο του υδρογόνου, ώστε: i) να μεταβεί στη 2η διεγερμένη κατάσταση; ii) να ιοντιστεί; 3. Στο επόμενο σχήμα δίνεται το φάσμα εκπομπής του ατόμου του υδρογόνου που αντιστοιχεί στο ορατό φως. Οι μεταπτώσεις του ηλεκτρονίου προέρχονται από τις τροχιές με n = 3, 4, 5 και 6 προς την τροχιά n = 2. a. Τι σημαίνει ότι το φάσμα εκπομπής του υδρογόνου είναι γραμμικό; β. Να αντιστοιχίσετε κάθε φασματική γραμμή στο ορατό με την αρχική ενεργειακή στάθμη από την οποία μεταπίπτει το ηλεκτρόνιο.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

11

γ. Η φασματική γραμμή που αντιστοιχεί στη μετάπτωση του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου από n = 2 σε n = 1 εμφανίζεται στην υπεριώδη ή στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος;

4. Στις επόμενες μεταπτώσεις στο άτομο του υδρογόνου εκπέμπεται ακτινοβολία: i) n = 4

n=2

iii) n = 3 v) n = 4

n=2 n=1

ii) n = 3

n=1

iv) n = 2

n=1

vi) n = 4

n=3

Να διατάξετε τις μεταπτώσεις αυτές κατά σειρά: α. Αυξανόμενης συχνότητας της ακτινοβολίας. β. Αυξανόμενου μήκους κύματος της ακτινοβολίας.

5. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες, σύμφωνα με το ατομικό πρότυπο του Bohr. α. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου μπορεί να πάρει όλες τις τιμές από Ε1= -2,18·10-18 J έως Ε =0. β. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου καθώς κινείται σε μια επιτρεπόμενη τροχιά ακτινοβολεί. γ. Η θεμελιώδης κατάσταση αντιστοιχεί σε ενέργεια μηδέν. δ. Κατά τη μετάπτωση του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου από τη στιβάδα Μ στη στιβάδα L εκπέμπεται ακτινοβολία ορισμένης συχνότητας. ε. Κατά τη μετάπτωση Μ

L του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου εκπέμπεται ακτινοβολία

μικρότερου μήκους κύματος σε σχέση με αυτή που εκπέμπεται κατά τη μετάπτωση L

K.

6. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. α. Η ενέργεια που μεταφέρεται με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι κβαντισμένη. β. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου μπορεί να απορροφήσει οποιοδήποτε ποσό ενέργειας. γ. Μια διεγερμένη κατάσταση έχει ενέργεια μεγαλύτερη από την ενέργεια που έχει η θεμελιώδης κατάσταση.

12

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

δ. Σύμφωνα με τη θεωρία του Bohr, όταν διπλασιάζεται η τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού n του ηλεκτρονίου του ατόμου του υδρογόνου, η απόλυτη τιμή της ενέργειας του ηλεκτρονίου υποδιπλασιάζεται. ε. Το κινούμενο ηλεκτρόνιο εμφανίζει σωματιδιακές και κυματικές ιδιότητες.

7. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. α. Φωτόνιο με μήκος κύματος 400 nm έχει μεγαλύτερη ενέργεια από το φωτόνιο με μήκος κύματος 600 nm. β. Για τις ενέργειες του ηλεκτρονίου του ατόμου του υδρογόνου στις στιβάδες με n=1 και n=3 ισχύει: E3

E1 .

3

γ. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου είναι δυνατό να έχει ενέργεια -4,36·10-19 J. δ. Στο άτομο του υδρογόνου η ενέργεια του ηλεκτρονίου του μειώνεται με την αύξηση της τιμής του κύριου κβαντικού αριθμού. ε. Όταν ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο κινούνται με την ίδια ταχύτητα παρουσιάζουν ιδιότητες κύματος με την ίδια συχνότητα.

8. Σε δοχείο περιέχονται άτομα υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση. Θερμαίνοντας το δοχείο τα άτομα του υδρογόνου διεγείρονται και τα ηλεκτρόνιά τους μεταβαίνουν στη στιβάδα Μ (n=3). Πόσα είδη φωτονίων εκπέμπονται κατά την επιστροφή τους στη θεμελιώδη κατάσταση; Περιγράψτε το φάσμα εκπομπής του ατόμου του υδρογόνου κατά την παραπάνω αποδιέγερση.

9. Οι δυνατές συχνότητες των ακτινοβολιών που εκπέμπονται κατά την αποδιέγερση του ηλεκτρονίου του ατόμου του υδρογόνου από τη στιβάδα Μ είναι: α. μία

β. δύο

γ. τρεις

δ. τέσσερις

10. Κατά την μετάπτωση του ηλεκτρονίου του υδρογόνου από τροχιές ψηλότερης ενέργειας δημιουργούνται κάποιες σειρές φασματικών γραμμών. Προς την τροχιά n=3 η σειρά Paschen προς την τροχιά n=2 η σειρά Balmer (ορατό) και προς τη τροχιά n=1 η σειρά Lyman. α. Δικαιολογείστε ποια από τις δύο άλλες αντιστοιχούν στον υπέρυθρο και ποια στο υπεριώδες. β. Σε κάθε σειρά καθώς αυξάνεται το μήκος κύματος έχουμε σύγκλιση των φασματικών γραμμών, πως το δικαιολογείτε;

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

13

ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1.1.Α. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 1. Φωτόνιο έχει ενέργεια 5,0 10-19 J. α) Ποιο είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας σε nm; (Δίνεται ότι h= 6,63 10-34 J s και c=3 108 m/s ); β) Τι ενέργεια μεταφέρει 1 mol τέτοιων φωτονίων; (Δίνεται ότι NA=6 1023) Λύση α) Η ενέργεια του φωτονίου δίνεται από την σχέση: Ε = h ν (1) Η σχέση που συνδέει τη συχνότητα (ν) και το μήκος κύματος (λ) είναι η: c=νλ

ν = c/λ (2)

Εάν όπου ν στην (1) αντικαταστήσουμε την (2): Ε=hν

Ε = h (c/λ)

E λ =h c

λ=hc/E

λ = 6,63 10-34 J s 3 108 m s-1 / 5,0 10-19 J = 4,0 10-7 m = 400 nm β) 1 mol φωτονίων αποτελείται από 6 1023 φωτόνια και άρα μεταφέρει ενέργεια: ΕΟΛ=6 1023 5,0 1019

J=30 104 J.

Μεθοδολογία Στην περίπτωση που για μία ακτινοβολία μας ζητείται μία από τις παραμέτρους Ε (ενέργεια),

ν

(συχνότητα),

λ

(μήκος

κύματος)

ενώ

μας

δίνονται

οι

υπόλοιπες

χρησιμοποιούμε τις σχέσεις: Ε = h ν και c = λ ν

Ασκήσεις προς λύση 1. Κάθε γραμμή του παρακάτω πίνακα περιέχει χαρακτηριστικά μιας ακτινοβολίας. Χρησιμοποιώντας την κυματική εξίσωση c = λν, καθώς και την τιμή c = 3·108m/sec, για την ταχύτητα του φωτός, να συμπληρώσετε τα κενά του. Ποιες από τις ακτινοβολίες αυτές είναι ορατές; Δίνεται ότι το ορατό φως έχει μήκη κύματος που κυμαίνονται από 4·10-7m έως 7·10-7m. Μήκος κύματος λ (nm)

Μήκος κύματος λ (m)

Συχνότητα ν (sec-1)

450

4,5·10-7

6,66·1014

600 1·10-7 3·1014

14

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

2. Να υπολογίσετε τη συχνότητα ενός φωτονίου που έχει μήκος κύματος 500 nm. Τι ενέργεια μεταφέρει 1 mol τέτοιων φωτονίων; Δίνεται h = 6,63·10-34 J·s, c = 3·108 m/s.

3. Το φωτόνιο μιας ακτινοβολίας έχει ενέργεια 3·10-19 J. Δίνεται h = 6,63·10-34 J·s, c = 3·108 m/s. α) Ποιο είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας αυτής; Η ακτινοβολία αυτή ανήκει στο ορατό φως; β) Είναι δυνατόν η ακτινοβολία αυτή να έχει ολική ενέργεια 5·10-10 J. 4. Η ενέργεια που χρειάζεται για να σπάσει ο δεσμός C – C σε ένα μόριο είναι 348 kJ/mol. Μια ιώδης ακτινοβολία μήκους κύματος 420 nm είναι ικανή να διασπάσει το δεσμό; Δίνεται h = 6,63·10-34 J·s, c = 3·108 m/s, NA = 6,02·1023.

5. Το στρατοσφαιρικό όζον μας προστατεύει από την επικίνδυνη υπεριώδη ακτινοβολία. Απορροφά την ακτινοβολία σύμφωνα με την αντίδραση: O3(g)

O2(g) + O(g) ΔΗ = 105,2 kJ/mol. Ποιο είναι το

μέγιστο μήκος κύματος φωτονίου με την κατάλληλη ενέργεια για να πραγματοποιηθεί η παραπάνω διάσπαση; Δίνεται h = 6,63·10-34 J·s, c = 3·108 m/s, NA = 6,02·1023.

(Aπ. λ = 1,137·10-6 m) 6. Στους φούρνους μικροκυμάτων η ακτινοβολία των μικροκυμάτων απορροφάται από το Η 2Ο και μετατρέπεται σε θερμότητα. Αν το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι 12,5 cm, πόσο φωτόνια απαιτούνται για να ανυψώσουν τη θερμοκρασία 100 g H2O από τους 20ο C στους 100ο C. Δίνεται h = 6,63·10-34 J·s, c = 3·108 m/s, ειδική θερμοχωρητικότητα νερού 4,18 J/g·K. (Απ. 2,1·1028)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

15

1.1.Β. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟΥ ΣΤΟ ΑΤΟΜΟ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ – ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ – ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΟΝΙΟΥ 1. Ένα άτομο υδρογόνου, που βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση, απορροφά ένα φωτόνιο μήκους κύματος 97,2 nm. Σε ποιά στοιβάδα θα βρεθεί το ηλεκτρόνιό του μετά τη διέγερση; Δίνεται ότι h= 6,63 10-34 J s και c=3 108 m/s Λύση Η ενέργεια του ηλεκτρονίου του ατόμου του υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση προκύπτει από το τύπο: En

- 2,18 ·10 -18 J n2

για n=1 οπότε με αντικατάσταση έχουμε Ε1 =-2,18 10-18 J. Η ενέργεια του φωτονίου που απορροφά το ηλεκτρόνιο είναι ίση με: Εφωτον’ιου = h ν (1)

c=νλ

ν = c/λ (2)

Εάν όπου ν στην (1) αντικαταστήσουμε την (2): Εφωτον’ιου = h ν

Εφωτον’ιου = h (c/λ)

Εφωτον’ιου = 2,045 10-18J.

Το ηλεκτρόνιο αφού απορροφήσει το φωτόνιο μεταπηδά σε στιβάδα υψηλότερης ενέργειας Εn που είναι ίση με το άθροισμα της ενέργειας του υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση και της ενέργειας του φωτονίου που απορρόφησε: Εn = Ε1 +Εφωτον’ιο

-2,18·10-18/n2 =-2,18·10-18 J +2,045·10-18J

n= 4.

Δηλαδή το ηλεκτρόνιο βρέθηκε στη 4η στιβάδα.

2. Σε δοχείο περιέχονται άτομα υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση. Θερμαίνοντας το δοχείο τα άτομα του υδρογόνου διεγείρονται και τα ηλεκτρόνιά τους μεταβαίνουν στη στιβάδα Ν (n=4). Κατά την αποδιέγερσή τους (δηλαδή την επιστροφή τους στη θεμελιώδη κατάσταση), πόσα είδη φωτονίων (διαφορετικών συχνοτήτων) εκπέμπονται; Ποια σχέση συνδέει τη συχνότητα

του φωτονίου που

εκπέμπεται κατά την μετάπτωση ηλεκτρονίου από την n=3 στην n=2 με τη συχνότητα του φωτονίου που εκπέμπεται από την n=2 στην n=1 και τη συχνότητα του φωτονίου που εκπέμπεται από την n=3 στην n=1 ;

16

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Λύση

n=4 V4 V2 V1

V3

V5

V4

n=3

V6

n=2

V3

n=1

Από το σχήμα παρατηρούμε ότι η αποδιέγερση μπορεί να γίνει με ένα, δύο ή τρία άλματα. Οι δυνατές συχνότητες των φωτονίων που εκπέμπονται είναι έξι, άρα το φάσμα εκπομπής Θα περιέχει έξι γραμμές. Η ενέργεια του φωτονίου που εκπέμπεται από την n=3 n=2 είναι : Ε3,2= E3-E2= h v6 (1) Η ενέργεια του φωτονίου που εκπέμπεται από την n=2 n=1 είναι : Ε2,1= E2-E1= h v3 (2) Η ενέργεια του φωτονίου που εκπέμπεται από την n=3 n=1 είναι : Ε3,1= E3-E1= h v5 (3) Προσθέτω κατά μέλη τις (1) και (2) οπότε: E3-E2 + E2-E1 = h v6 + h v3 E3-E1 = h (v6 +v3 ) Oπότε λόγω της (3):h v5 = h (v6 +v3 )

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

v5 = v6 +v3

17

Μεθοδολογία Στην περίπτωση που μας ζητούνται οι παράμετροι ν (συχνότητα), λ (μήκος κύματος), Ε(ενέργεια) ακτινοβολίας που εκπέμπεται ή απορροφάται κατά την μεταπήδηση ενός ηλεκτρονίου του ατόμου του υδρογόνου από μία ενεργειακή στάθμη (ni) σε μία άλλη ενεργειακή στάθμη χρησιμοποιούμε τις σχέσεις: En

Όπου

- 2,18 10 -18 J n2

Εn η ενέργεια του ηλεκτρονίου του ατόμου του υδρογόνου και n = ο κύριος

κβαντικός αριθμός. Η ενέργεια του φωτονίου που εκπέμπεται η απορροφάται από μία μετάπτωση του ηλεκτρονίου είναι Εφωτονίου= h ν

|Ef – Ei |= h ν

h ν = | – 2,18 10-18 (1/nf2 – 1/ni2)|

Πρέπει να γνωρίζουμε ότι η διέγερση γίνεται πάντα με ένα άλμα, ενώ η αποδιέγερση μπορεί να γίνει με ένα ή περισσότερα άλματα. Όταν ένα άτομο υδρογόνου συγκρούεται με ένα φωτόνιο τότε το άτομο υδρογόνου ή θα απορροφήσει όλο το ποσό ενέργειας του φωτονίου μεταβαίνοντας σε μια επιτρεπόμενη ενεργειακή στάθμη ή δεν θα απορροφήσει καθόλου ενέργεια παραμένοντας στην κατάσταση στην οποία βρίσκεται.

Ασκήσεις προς λύση 1. Να υπολογίσετε το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας κατά τη μετάβαση ηλεκτρονίου από τη τροχιά n = 4 σε n = 2 στο άτομο του υδρογόνου. Δίνεται η σταθερά Planck, h = 6,63·10-34 J s.

2. Μερικά γυαλιά ηλίου διαθέτουν ειδικούς φακούς που αλλάζουν χρώμα. Δηλαδή, οι φακοί γίνονται σκουρόχρωμοι, όταν εκτίθενται σε έντονο φως και ανοιχτόχρωμοι, όταν εκτίθενται σε σκιά. Αυτό συμβαίνει επειδή οι φακοί διαθέτουν μικρή ποσότητα AgCℓ το οποίο διασπάται από το φως σύμφωνα με την αντίδραση: AgCℓ(s)

Ag(s) +Cℓ. Ο Ag(s) που σχηματίζεται σκουραίνει το χρώμα του φακού.

Απουσία φωτός η αντίστροφη αντίδραση λαμβάνει χώρα. Η ενέργεια που χρειάζεται για να γίνει η παραπάνω αντίδραση είναι 310 kJ mol-1. Με βάση τα παραπάνω δεδομένα να βρείτε την ελάχιστη συχνότητα ακτινοβολίας, ώστε να γίνει η παραπάνω αντίδραση. Δίνεται η σταθερά Planck, h = 6,63·10-34 J s και NA = 6,02·1023 mol-1.

3. Το άτομο του υδρογόνου βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση.

18

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

α. Πόση ενέργεια απαιτείται για τη διέγερση του ατόμου στην τροχιά με n = 2; Ποια είναι η συχνότητα και ποιο το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που απαιτείται για τη διέγερση αυτή; β. Πόσα φωτόνια πρέπει να έχει η ακτινοβολία ώστε να διεγερθούν όλα τα άτομα που περιέχονται σε 0,5 g υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση; Ποια είναι η συνολική ενέργεια της ακτινοβολίας αυτής; 4. Να υπολογίσετε τη συχνότητα και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που εκπέμπεται σε καθεμία από τις επόμενες μεταπτώσεις του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου: α. n = 2

n=1

β. n = 4

n=1

γ. n = 6

n=2

δ. n = 4

n=3

Σε ποια περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος αντιστοιχεί η κάθε ακτινοβολία που εκπέμπεται; 5. Κατά τη μετάπτωση του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου από τη στιβάδα με n = x προς τη στιβάδα n = 2 εκπέμπεται πράσινη ακτινοβολία με μήκος κύματος 486 nm. a. Ποια είναι η ενεργειακή διαφορά των δύο στιβάδων; β. Ποια είναι η τιμή x του κύριου κβαντικού αριθμού n της αρχικής στιβάδας; γ. Είναι δυνατόν κατά την αποδιέγερση του ηλεκτρονίου από την αρχική στιβάδα με n = x προς τη στιβάδα με n = 2 να γίνει εκπομπή και ιώδους ακτινοβολίας; Δίνεται ότι λιώδες < λπράσινο.

6. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου βρίσκεται σε μια διεγερμένη κατάσταση όπου έχει ενέργεια E

2,18 10 16

18

J.

α. Ποιος είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός της τροχιάς στην οποία βρίσκεται το ηλεκτρόνιο; Πόση ενέργεια πρέπει να προσλάβει το ηλεκτρόνιο, ώστε να διεγερθεί από τη θεμελιώδη κατάσταση και να μεταβεί στη τροχιά που υπολογίσατε; β. Κατά την αποδιέγερση του ηλεκτρονίου από την τροχιά αυτή εκπέμπονται φωτόνια με διαφορετικές συχνότητες. i) Πόσες διαφορετικές συχνότητες είναι δυνατόν να έχουν τα φωτόνια που εκπέμπονται; ii) Ποιο από τα φωτόνια αυτά έχει το μεγαλύτερο και ποιο έχει το μικρότερο μήκος κύματος; 7. Το άτομο του υδρογόνου βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση. α. Πόση ενέργεια πρέπει να απορροφήσει για να μεταβεί στη στιβάδα Μ (n = 3). β. Κατά την αποδιέγερση του ατόμου πραγματοποιούνται οι μεταπτώσεις του ηλεκτρονίου M K και M

L, L

K στις οποίες εκπέμπονται φωτόνια με συχνότητες αντίστοιχα ν1, ν2 και ν3.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

19

i) Να αποδείξετε ότι ισχύει ν1 + ν2 = ν3. ii) Να υπολογίσετε την τιμή του λόγου

2 1

8. Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την απόσπαση ενός ηλεκτρονίου από την επιφάνεια μεταλλικού ασβεστίου (Ca) όταν ακτινοβολείται με φως είναι 4,34·10-19 J (φωτοηλεκτρικό έργο εξαγωγής). α.Ποια είναι η ελάχιστη συχνότητα φωτός για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο στο Ca; β. Ποια είναι η ταχύτητα των ηλεκτρονίων που αποσπώνται από το Ca αν χρησιμοποιηθεί φως μήκους κύματος 345 nm; Δίνεται: me = 9,1·10-31 kg, h = 6,63·10-34 J·s, c= 3·108 m/s.

9. Κατά τη μετάπτωση ηλεκτρονίων από εξωτερικές στιβάδες στη δεύτερη στιβάδα (n = 2) στο άτομο του υδρογόνου προκύπτει ορατή ακτινοβολία. Από ποια στιβάδα προέρχονται τα ηλεκτρόνια που αποδίδουν ιώδη ακτινοβολία μήκους κύματος 4,10·10-7m; Από ποιά στιβάδα προέρχονται τα ηλεκτρόνια που αποδίδουν κόκκινη ακτινοβολία μήκους κύματος 6,56·10-7 m; Χωρίς να κάνετε υπολογισμούς, τι υποθέτετε για τις ενδιάμεσες ακτινοβολίες, που είναι γαλάζια (4,34·10-7m) και πράσινη (4,86·10-7m); 10. α. Ποια είναι η ελάχιστη ενέργεια του φωτονίου, το οποίο όταν προσπίπτει στο άτομο του υδρογόνου, στη θεμελιώδη κατάσταση, προκαλεί τον ιοντισμό του; β. Ποια είναι η ελάχιστη ενέργεια φωτονίου που όταν προσπίπτει στο άτομο του υδρογόνου, στη θεμελιώδη κατάσταση, προκαλεί τη διέγερση του ηλεκτρονίου του; γ. Φωτόνιο ακτινοβολίας με μήκος κύματος λ=3000 nm προσπίπτει σε άτομο υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση. Να εξετάσετε αν θα συμβεί διέγερση του ηλεκτρονίου του ατόμου του υδρογόνου.

11. Ένα άτομο υδρογόνου που βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση απορροφά ένα φωτόνιο κύματος 97,2 nm. Στη συνέχεια εκπέμπει ένα φωτόνιο μήκους κύματος λ1=486 nm και τελικά επανέρχεται στη θεμελιώδη κατάσταση εκπέμποντας ένα ακόμη φωτόνιο μήκους κύματος λ2. α. Πόσες γραμμές έχει το φάσμα εκπομπής που αντιστοιχεί σ’ αυτές τις μεταπτώσεις και ποιες είναι οι συχνότητες των αντίστοιχων ακτινοβολιών; β. Σε ποιες στιβάδες βρέθηκε το ηλεκτρόνιο κατά τη διέγερση και την αποδιέγερσή του; Δίνονται: h=6.63·10-34 J·s , c=3·108 m/s.

20

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

12. Ποια η ενέργεια σε kJ/mol που ελευθερώνεται κατά την μετάπτωση ενός ηλεκτρονίου από την στοιβάδα Ο στην στοιβάδα L του ατόμου του υδρογόνου. Είναι η ενέργεια αυτή ικανή για να σπάσει ο δεσμός Η – Η. Για την διάσπαση του δεσμού Η – Η απαιτούνται 436 kJ/mol. Δίνεται ΝΑ = 6,02·1023.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

21

1.2 ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΤΟΥ DE BROGLIE Πότε : Το 1924 Διατυπώνεται:

Κάθε κινούμενο μικρό σωματίδιο π.χ. ηλεκτρόνιο, παρουσιάζει διττή φύση,

σωματιδίου (κβάντα) και κύματος (ηλεκτρομαγνητικό κύμα) . Το μήκος κύματος, λ, ενός σωματιδίου μάζας, m, και ταχύτητας, υ, δίνεται από τη σχέση: h m

Προσέξτε: Για να εκδηλωθεί ο κυματικός χαρακτήρας ενός σωματιδίου θα πρέπει αυτό να έχει μικρή μάζα και μεγάλη ταχύτητα. Π.χ. μπάλα του τένις, κινούμενη με ταχύτητα 65 km h-1 αντιστοιχεί σε υλικό μήκους κύματος λ < 10-33 m, το οποίο υπολείπεται κατά πολύ ακόμη και της διαμέτρου των ατομικών πυρήνων. Αντίθετα, η πολύ μικρή μάζα των ηλεκτρονίων μας επιτρέπει να ανιχνεύσουμε την κυματική φύση της κίνησης τους (λ

10-10 m). Έτσι ένα ηλεκτρόνιο που

περιστρέφεται γύρω από ένα πυρήνα μπορεί να παρασταθεί από ένα στάσιμο κύμα που έχει περίμετρο τροχιάς ίση με κάποιο ακέραιο πολλαπλάσιο του μήκους κύματος όπως ορίζεται από την παραπάνω σχέση (Σχήμα 3).

Σχήμα 3: Αναπαράσταση του ηλεκτρονίου ως στάσιμο κύμα Στηρίζεται: στη θεωρία Planck- Einstein για τη δυαδική υπόσταση του φωτός και διατυπώνει την υπόθεση για τη διπλή υπόσταση (σωματιδίου-κύματος) και των στοιχειωδών σωματιδίων της ύλης. Αποδείχτηκε: πειραματικά το 1927 γιατί τα ηλεκτρόνια περιθλώνται από τους κρυστάλλους όπως ακριβώς τα κύματα ( ακτίνες Χ).

22

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ ΤΟΥ PLANCK-ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΤΟΥ DE BROGLIE Τόσο η ύλη όσο και το φως έχουν δυαδική υπόσταση, μία σωματιδιακή που χαρακτηρίζεται από ασυνέχεια και μια κυματική με κύριο χαρακτηριστικό τη συνέχεια.

ΑΡΧΗ ΤΗΣ ΑΒΕΒΑΙΟΤΗΤΑΣ (ΑΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΤΙΑΣ) Ποιός – Πότε: Ο Heisenberg το 1927 Διατυπώνεται: Είναι αδύνατο να προσδιορίσουμε με ακρίβεια συγχρόνως τη θέση και την ορμή (p= m u) ενός μικρού σωματιδίου π.χ. ηλεκτρονίου. Προσέξτε: Στην περίπτωση μεγάλων σωμάτων, π.χ. αυτοκίνητο, μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια ταυτόχρονα η θέση και η ταχύτητα τους, οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Στην περίπτωση, όμως, υποατομικών σωματιδίων π.χ. ηλεκτρονίων όσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια για τον προσδιορισμό της θέσης του σωματιδίου τόσο μεγαλύτερο είναι το σφάλμα, δηλαδή, τόσο μεγαλύτερη αβεβαιότητα υπάρχει κατά τον προσδιορισμό της ορμής του. Καταρρίπτει: Το ατομικό πρότυπο του Bohr. Η παραδοχή

της κίνησης του ηλεκτρονίου σε

καθορισμένη κυκλική τροχιά προϋποθέτει, με βάση τους νόμους της κυκλικής κίνησης, επακριβή γνώση της θέσης και της ταχύτητας. ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ SCHRÖDINGER Πότε: Το 1927 Είναι: μία μαθηματική εξίσωση η οποία έχει εξαχθεί λαμβάνοντας υπόψη

τη σωματιδιακή και

κυματική φύση του ηλεκτρονίου. Η λύση της δίνει: την ενέργεια Εn του ηλεκτρονίου Τις κυματοσυναρτήσεις ψ, που αποτελούν συναρτήσεις θέσης του ηλεκτρονίου στο άτομο (είναι της μορφής ψ(x, y, z), όπου x, y, z είναι οι συντεταγμένες σημείων γύρω από τον πυρήνα του ατόμου) και ονομάζονται ατομικά τροχιακά. Το ψ αποτελεί κατά κάποιο τρόπο μια ένδειξη της παρουσίας, ή μη, του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα (ψ =0 υποδηλώνει την απουσία και ψ 0 την παρουσία του ηλεκτρονίου).

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

23

Είναι ακριβής για το ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου, και

προσεγγιστική στα

πολυηλεκτρονικά άτομα. Η ΤΙΜΗ Ψ2-ΓΡΑΦΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ Εκφράζει: την πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο σε ένα ορισμένο σημείο του χώρου γύρω από τον πυρήνα ή την

πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους στο χώρο γύρω από τον πυρήνα. Έτσι σε

αντίθεση με τις αντιλήψεις του Bohr (καθορισμένες τροχιές) δε μιλάμε για τη θέση ενός ηλεκτρονίου, αλλά για την πιθανότητα να βρίσκεται σε μια ορισμένη θέση. Παραδείγματα: Στη θέση Α ψ=0,1 τότε ψ2=0,01. Στη θέση Β ψ=0,3 τότε ψ2=0,09. Άρα η πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο στη θέση Β είναι εννιά φορές μεγαλύτερη από όσο στη θέση Α. Απεικονίζεται: α. Με περίγραμμα καμπύλης. Το περίγραμμα καμπύλης ορίζει ένα χώρο μέσα στον οποίο βρίσκεται το ηλεκτρόνιο με πιθανότητα 90-99% . β. Με κουκίδες (ηλεκτρονικό νέφος) Στην απεικόνιση με κουκίδες η πυκνότητα του ηλεκτρονικού νέφους, που είναι και ανάλογη της πιθανότητας παρουσίας του ηλεκτρονίου, καθορίζεται από τον αριθμό των κουκκίδων ανά μονάδα όγκου. Το ηλεκτρονιακό νέφος έχει τη μεγίστη πυκνότητα κοντά στον πυρήνα γ. Με πυκνότητα χρώματος. Ισχύει ότι και προηγούμενα. δ. με γραφική παράσταση της ακτινικής πιθανότητας. Παρατηρούμε οτι η πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου κοντά στον πυρήνα είναι μέγιστη και τείνει στο μηδέν σε μεγάλη απόσταση από αυτόν.

24

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Ερωτήσεις κατανόησης 1. Ένα ηλεκτρόνιο, ένας πυρήνας ηλίου (He2+) και μία μπάλα ποδοσφαίρου κινούνται με την ίδια ταχύτητα. Να συγκρίνετε τις συχνότητες των αντίστοιχων κυμάτων.

2. Για τις θέσεις Α και Β γύρω από τον πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου η κυματοσυνάρτηση ψ έχει τις εξής τιμές: Στη θέση Α: ψ=0,1. Στη θέση Β: ψ=-0,2. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι: α. Στη θέση Β η πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο είναι διπλάσια από ότι στη θέση Α. β. Στη θέση Α η πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο είναι τετραπλάσια από ότι στη θέση Α. γ. Στη θέση Β η πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο είναι τετραπλάσια από ότι στη θέση Α. δ. Στη θέση Α υπάρχει πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο, ενώ στη θέση Β δεν υπάρχει πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

25

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΞΙΣΩΣΗ DE BROGLIE 1. Να υπολογίσετε το μήκος κύματος κατά de Broglie μιας μάζας m που είναι 0,011kg και έχει ταχύτητα 10 m/s. Δίνεται ότι h= 6,63 10-34 J s Λύση Γνωρίζουμε ότι:

6, 63 10 34 J s 0, 011kg 10m / s

h m

6, 03 10

33

m

Θα πρέπει να σχολιάσουμε πως για να παρατηρήσει κανείς τη κυματική φύση αυτού του σωματιδίου (όπως φαινόμενα περίθλασης ή συμβολής) θα πρέπει να χρησιμοποιήσει σχισμές που το πλάτος τους θα να είναι της τάξεως του μήκους κύματος κατά de Broglie. Η τιμή όμως που προέκυψε από τον υπολογισμό είναι κατά πολύ μικρότερη από κάθε δυνατό άνοιγμα σχισμής!

Μεθοδολογία Στην περίπτωση που για ένα σωματίδιο μας ζητείται μία από τις παραμέτρους P (ορμή), υ (ταχύτητα), λ (μήκος κύματος), m (μάζα) ενώ μας δίνονται οι υπόλοιπες χρησιμοποιούμε τη σχέση:

=

h p

h m

Ασκήσεις προς λύση 1. Να υπολογίσετε το μήκος κύματος κατά de Broglie το οποίο αντιστοιχεί στα παρακάτω σώματα: α. Ηλεκτρόνιο που κινείται με ταχύτητα 107 m/s. β. Πρωτόνιο που κινείται με ταχύτητα 105 m/s. γ. Νετρόνιο που κινείται με ταχύτητα 4,15 km/s. (Νετρόνια με τέτοια ταχύτητα παράγονται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες). δ. Μπάλα μάζας 100 g που κινείται σε ταχύτητα 50 m/s. ε. Αθλητής μάζας 80 kg που κινείται με ταχύτητα 10 m/s. στ. Αυτοκίνητο μάζας 1000 kg που κινείται με ταχύτητα 108 km/h. Δίνονται Μάζα πρωτονίου: 1,7·10-27 kg, Μάζα νετρονίου: 1,7·10-27 kg, Μάζα ηλεκτρονίου: 9,1·10-31kg, h = 6,63·10-34 Js.

26

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

2. Να υπολογίσετε το μήκος κύματος κατά de Broglie ενός μορίου οξυγόνου (Ο2) το οποίο κινείται με ταχύτητα υ = 200 m/s. Είναι δυνατόν να ανιχνευτεί η ακτινοβολία αυτού του μήκους κύματος; Δίνονται Ar(O) = 16 και NA = 6,02·1023. Δίνονται: h = 6,63·10-34 Js. 3. Για την απόσπαση ενός ηλεκτρονίου από το άτομο του αργύρου απαιτείται ενέργεια 7,52·10-19 J. Ένα φύλλο αργύρου απορροφά ακτινοβολία συχνότητας 1,15·1015 Hz και εκπέμπει ηλεκτρόνια με ταχύτητα υ, τα οποία προσπίπτουν σε άτομα υδρογόνου που βρίσκονται στη θεμελιώδη κατάσταση. α. Να υπολογίσετε την ταχύτητα με την οποία αποσπώνται τα ηλεκτρόνια από τα άτομα αργύρου. β. Να υπολογίσετε το μήκος κύματος κατά de Broglie των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από τον άργυρο. γ. Να εξετάσετε αν η πρόσπτωση των ηλεκτρονίων στα άτομα υδρογόνου προκαλεί τη διέγερσή τους. Δίνονται: h = 6,63·10-34 Js, Μάζα ηλεκτρονίου: 9,1·10-31 kg, c=3·108 m/s.

4. Το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου υδρογόνου που βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση απορροφά ενέργεια 4,18·10-18 J. Δίνεται: μάζα ηλεκτρονίου: 9,1·10-31 kg, h=6,63·10-34 J·s. α. Να εξετάσετε αν το άτομο του υδρογόνου θα ιοντιστεί. β. Ποιο είναι το μήκος κύματος De Broglie για το ηλεκτρόνιο μετά την απορρόφηση του παραπάνω ποσού ενέργειας.

5. Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ονομάζεται η απόσπαση ηλεκτρονίων από την επιφάνεια ενός μετάλλου όταν προσπίπτει ακτινοβολία με συχνότητα μεγαλύτερη ή ίση από μια ορισμένη οριακή τιμή νο. Ένα φύλλο αργύρου απορροφά ακτινοβολία μήκους κύματος 240 nm και εκπέμπει ηλεκτρόνια με ταχύτητα υ. Αν η ελάχιστη συχνότητα που πρέπει να έχει η προσπίπτουσα ακτινοβολία για την απόσπαση ηλεκτρονίων από τον άργυρο είναι νο=1,13·1015 Ηz να βρεθούν: α. Η ταχύτητα υ των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται. β. Το μήκος κύματος De Broglie που αντιστοιχεί στην κίνηση των ηλεκτρονίων που αποσπώνται. Δίνονται: h=6,63·10-34 J·s, c=3·108 m/s, me=9,1·10-31 kg.

6. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο χρησιμοποιείται ευρέως για τη λήψη υψηλής μεγέθυνσης εικόνων από βιολογικά υλικά. Όταν ένα ηλεκτρόνιο επιταχύνεται σε πεδίο 100 V αποκτά ταχύτητα 5,93·106 m/s. Ποιο είναι το μήκος κύματος του ηλεκτρονίου; Συγκρίνεται με το μέγεθος του ατόμου. Δίνεται me = 9,1·10-31 kg, h=6,63·10-34 J·s, το μέγεθος του ατόμου είναι περίπου της τάξης των 10-1 nm.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

27

1.3 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ Προκύπτουν: από την επίλυση της

εξίσωσης Schrödinger για το άτομο του υδρογόνου αλλά

εφαρμόζονται και σε άλλα άτομα εκτός του υδρογόνου. Είναι: ο κύριος κβαντικός αριθμός (n), ο δευτερεύων κβαντικός αριθμός ή αζιμουθιακός (ℓ) και ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός (mℓ). Οι τιμές μίας τριάδας κβαντικών αριθμών (n, ℓ, mℓ) καθορίζουν: ένα συγκεκριμένο τροχιακό του ατόμου και οδηγούν σε μια λύση της εξίσωσης Schrödinger. Προσέξτε: για την εξήγηση κάποιων πειραματικών δεδομένων ορίστηκε και τέταρτος κβαντικός αριθμός, ο κβαντικός αριθμός του spin (ms), ο οποίος όμως δεν προκύπτει από την επίλυση της εξίσωσης Schrödinger ( δεν συμμετέχει στη διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας του ηλεκτρονίου) και κατά συνέπεια στο καθορισμό του ατομικού τροχιακού. Κβαντικός αριθμός

Σύμβολο

Καθορίζει

Τιμές

Κύριος

n

Το μέγεθος και την ενέργεια του 1,2,3... τροχιακού Την

ελκτική

δύναμη

πυρήνα-

ηλεκτρονίου Τη στιβάδα που ανήκει το τροχιακό Αζιμουθιακός

ℓ

Το σχήμα και την ενέργεια του 0,1,2,...n-1 τροχιακού Τις απωστικές δυνάμεις ηλεκτρονίουηλεκτρονίου Μαζί

με

τον

n

καθορίζει

την

υποστιβάδα που ανήκει το τροχιακό

28

Μαγνητικός

mℓ

Τον προσανατολισμό του ηλεκτρονιακού νέφους στους άξονες χ,y, z. Μαζί με το n, ℓ καθορίζει το τροχιακό.

- ℓ,…,0,…,+ ℓ

Του spin

ms

Την ιδιοπεριστοφή του ηλεκτρονίου

+1/2,-1/2

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Προσέξτε: Τροχιακά με τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό (n) συγκροτούν την ίδια στιβάδα ή φλοιό. Η στοιβάδα δεν έχει πλέον την έννοια της κυκλικής τροχιάς (Bohr) αλλά του ενεργειακού επιπέδου. Καθώς αυξάνει το n,

τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από τον πυρήνα ( συνεπώς κατέχουν

μεγαλύτερη ενέργεια) και αυξάνει το μέγεθος του τροχιακού.

n=1

φ ρ n=2 ά σ η

κύριος κβαντικός αριθμός, n

1

στιβάδα ή φλοιός

Κ

α2 π όL

n=3

3

4

….

M

N

….

τ ο

Ο δευτερεύων κβαντικός αριθμός ℓ προσδιορίζει το σχήμα των ατομικών τροχιακών που συμβολίζονται με γράμματα.

αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός, ℓ

0

ατομικό τροχιακό

s

σχήμα

έ γ γ ρ 1α φ ο p ή

2

3

d

f

τ η

σφαιρικό

σ ύ ν ο Διπλός λοβός ψ η

γ ατομικών τροχιακών που έχουν ίδιους τους Υποστιβάδα ή υποφλοιός ονομάζεται το σύνολο των ι

κβαντικούς αριθμούς n και ℓ. Η υποστοιβάδα έχει έννοια ενεργειακού επιπέδου. Μία υποστιβάδα α

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

έ ν α ε

29

συμβολίζεται από τον κύριο κβαντικό αριθμό της στιβάδας στην οποία ανήκει και το σύμβολο s,p,d, και f

ανάλογα με την τιμή του ℓ. Π.χ. (1s: n=1, ℓ=0)

(2s: n=2, ℓ=0)

( 2p: n=2, ℓ=1)

(3d: n=3,

ℓ=2) (4p: n=4, ℓ=1) (4f: n=4, ℓ=3). Ο αζιμουθιακός (ℓ) παίρνει όλες τις ακέραιες τιμές μέχρι και την τιμή (n-1). Δηλαδή: Όταν n=1, τότε ℓ =0 . Όταν n=2, τότε ℓ =0 ή ℓ =1. Όταν n=3, τότε ℓ =0 ή ℓ =1 ή ℓ =2. Όταν n=4, τότε ℓ =0 ή ℓ = 1 ή ℓ =2 ή ℓ =3. Στοιβάδα

Τιμές κβαντικών

Υποστιβάδα

Αριθμός

αριθμών n

υποστιβάδων σε κάθε στιβάδα

ℓ

(n) K

1

0

1s

1

L

2

0

2s

2

1

2p

0

3s

1

3p

2

3d

0

4s

1

4p

2

4d

3

4f

M

Ν

3

4

3

4

 O μαγνητικός κβαντικός αριθμός mℓ παίρνει όλες τις ακέραιες τιμές από – ℓ έως + ℓ. Σε κάθε τριάδα κβαντικών αριθμών n, ℓ και mℓ αντιστοιχεί ένα τροχιακό. Έτσι οι διαφορετικές τιμές του mℓ (2 ℓ +1) είναι ίσες με τον αριθμό των τροχιακών που έχει μία υποστιβάδα (n, ℓ). Συνεπώς: Όταν ℓ = 0 (υποστιβάδα s), έχουμε (mℓ=0)

δηλαδή 1 τροχιακό s

Όταν ℓ = 1 (υποστιβάδα p), έχουμε (mℓ=-1,0,+ 1) δηλαδή 3 τροχιακά p.

30

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

μαγνητικός κβαντικός αριθμός , mℓ

+1

0

-1

ατομικό τροχιακό

px

pz

py

σχήμα

Παράδειγμα: Αν n=2, ℓ=1, mℓ= +1 τότε 2px. Αν n=2, ℓ=1, mℓ= -1 : 2py. Αν n=3, ℓ=1, mℓ= 0 : 3pz Όταν ℓ = 2 (υποστιβάδα d), έχουμε (mℓ =-2,-1,0,+ 1,+2) δηλαδή 5 τροχιακά d

Όταν ℓ = 3 (υποστιβάδα f), έχουμε (mℓ=-3,-2,-1,0,+ 1,+2,+3) δηλαδή 7 τροχιακά f

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

31

ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΙ ΤΡΙΑΔΩΝ ΚΒΑΝΤΙΚΩΝ ΑΡΙΘΜΩΝ (ΤΡΟΧΙΑΚΑ) n

1

ℓ

Πλήθος

Πλήθος

(τροχιακό)

τροχιακών

τροχιακών

υποστιβάδας

στιβάδας

(2 ℓ+1)

(n2)

0

1,0,0 (1s)

1

1

0

0

2,0,0 (2s)

1

4

-1

2,1,-1 (2py)

3

0

2,1,0 (2pz)

+1

2,1,+1 (2px)

0

3,0,0 (3s)

1

-1

3,1,-1 (3py)

3

0

3,1,0 (3pz)

+1

3,1,+1 (3px)

-2

3,2,-2

-1

3,2,-1

0

3,2,0

+1

3,2,+1

+2

3,2,+2

1

0

1

2

•

n, ℓ, mℓ

0

2

3

mℓ

9

5

Για τιμή ms = +1/2, λέμε ότι έχουμε παράλληλο spin ( αντιστοιχεί σε αριστερόστροφη

περιστροφή) ή spin προς τα πάνω (

), ενώ για τιμή ms = -1/2, λέμε ότι έχουμε αντιπαράλληλο spin

( αντιστοιχεί σε δεξιόστροφη περιστροφή) ή spin προς τα κάτω (

). Όταν δύο ηλεκτρόνια βρίσκονται

στο ίδιο τροχιακό τότε έχουν αντιπαράλληλα spin (↑↓)

32

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Αριθμός τροχιακών που αντιστοιχούν σε κάθε υποστιβάδα και στιβάδα. Σε κάθε υποστιβάδα αντιστοιχούν 2 ℓ + 1 τροχιακά γιατί ο mℓ παίρνει ℓ θετικές, ℓ αρνητικές τιμές και την τιμή. Επομένως σε κάθε υποστιβάδα αντιστοιχούν 2ℓ + 1 τροχιακά ή 2(n – 1) + 1 τροχιακά ή 2n – 1 τροχιακά. Σε κάθε στιβάδα αντιστοιχούν 1 + 3 + 5 + . . . . + 2n – 1 τροχιακά. Το παραπάνω άθροισμα είναι S

n (1 2n 1) n2 2

Άρα σε κάθε στιβάδα αντιστοιχούν n2 τροχιακά. Συγκρίνοντας τα s και p τροχιακά 1. Το τροχιακό s είναι σφαιρικό ενώ το p αποτελείται από δύο λοβούς 2. Το τροχιακό s έχει πάντα τον ίδιο προσανατολισμό (mℓ =0) ενώ το p εμφανίζει τρεις προσανατολισμούς (mℓ= -1,0,+1) 3. Τα s τροχιακά μιας στοιβάδας έχουν μικρότερη ενέργεια από τα p τροχιακά της ίδιας στοιβάδας, στα πολυηλεκτρονικά άτομα. (Στο άτομο του υδρογόνου είναι ίδιας ενέργειας).

4. Στο τροχιακό s η πιθανότητα του ηλεκτρονίου να βρεθεί πολύ κοντά στον πυρήνα του ατόμου είναι μεγάλη, ενώ στο τροχιακό p είναι ελάχιστη.

5. Τα s τροχιακά διαφορετικών στιβάδων έχουν ίδιο σχήμα αλλά διαφέρουν στο μέγεθος και την ενέργεια τους.

6. Τα p τροχιακά διαφορετικών στιβάδων έχουν ίδιο σχήμα αλλά διαφέρουν στο μέγεθος, την ενέργειά και ίσως στον προσανατολισμό τους.

7. Τα p τροχιακά ίδιας υποστιβάδας έχουν ίδιο σχήμα και ενέργεια, αλλά διαφέρουν στον προσανατολισμό. Συνοψίζοντας:

Κβαντικός αριθμός

Στιβάδα

n

Υποστιβάδα

n και ℓ

Τροχιακό

n, ℓ και mℓ

Κίνηση, Ενέργεια, Θέση ηλεκτρονίου

n, ℓ, mℓ, ms

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

33

Ερωτήσεις κατανόησης 1. Σε ένα άτομο υπάρχει το επίπεδο ενέργειας για το οποίο έχουμε n = 4. Ποιες είναι οι επιτρεπτές τιμές του ℓ; Ποιες είναι οι επιτρεπτές τιμές του mℓ για το υποεπίπεδο ενέργειας, για το οποίο έχουμε ℓ = 2; 2. Όταν ο κύριος κβαντικός αριθμός n ενός ηλεκτρονίου ισούται με 4, ποιο είναι το πεδίο τιμών: α. Του δευτερεύοντος κβαντικού αριθμού, ℓ. β. Του μαγνητικού κβαντικού αριθμού, mℓ. γ. Του μαγνητικού κβαντικού αριθμού του σπιν ms.

3. Να αντιστοιχίσετε τις στήλες του παρακάτω πίνακα: ηλεκτρόνιο 1.

1. s, p, d, f

ηλεκτρονιακό νέφος 2.

2. στιβάδες K, L, M, N, O, P, Q

είδος τροχιακών 3.

3. κατανομή ηλεκτρονιακής πυκνότητας

κύριος κβαντικός αριθμός 4.

4. σωματίδιο - κύμα

4. Ποιος από τους παρακάτω κβαντικούς αριθμούς συμβολίζεται με τα γράμματα s, p, d και f, αντί με αριθμούς; a. n

β. mℓ

γ. ℓ

δ. κανένας απ’ αυτούς.

5. Ποια είναι η μικρότερη τιμή του n, αν mℓ = 3; 6. Ποιες τιμές παίρνει ο κβαντικός αριθμός mℓ, όταν ο κύριος κβαντικός αριθμός n και ο δεύτερος κβαντικός αριθμός ℓ έχουν τις τιμές: α. n = 3, ℓ = 2,

β. n = 4, ℓ = 2,

γ. n = 4, ℓ = 3;

7. Τι τύπος τροχιακού περιγράφεται από τους κβαντικούς αριθμούς n = 5, ℓ = 2; α. 3s

β. 5p

γ. 4f

δ. 5d

ε. 5s

8. Όλα τα ηλεκτρόνια σε μια d υποστιβάδα έχουν κβαντικό αριθμό: α. n = 3

34

β. mℓ = 2

γ. ℓ = 2

δ. n = 4

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

9. Να γράψετε τους συνδυασμούς των κβαντικών αριθμών που περιγράφουν τα 3p, τα 3d και τα 4d τροχιακά.

10. Ο ολικός αριθμός των τροχιακών για οποιαδήποτε τιμή του ℓ θα είναι: α. 2n2

β. 2 ℓ + 1

γ. 2 ℓ – 1

δ. n - 1

ε. (ℓ – 1)1/2

11. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. α. Στο άτομο του υδρογόνου δεν υπάρχει τροχιακό 3s. β. Η στιβάδα Μ περιέχει τρεις υποστιβάδες. γ. Για την πληρέστερη δυνατή περιγραφή ενός ηλεκτρονίου απαιτούνται οι τρεις κβαντικοί αριθμοί n, ℓ και mℓ. δ. Στις τιμές n=3 και ℓ=0 των δύο πρώτων κβαντικών κβαντικών αριθμών αντιστοιχεί ένα μόνο ατομικό τροχιακό. ε. Όταν ένα τροχιακό έχει ℓ=0, έχει σφαιρική συμμετρία. στ. Ο δευτερεύων ή αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός καθορίζει τον προσανατολισμό του ηλεκτρονιακού νέφους. ζ. Ατομικά τροχιακά που έχουν τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς n και ℓ ανήκουν στην ίδια υποστιβάδα ή υποφλοιό.

12. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. α. Η υποστιβάδα 4p έχει περισσότερα τροχιακά από την υποστιβάδα 3p. β. Στην τιμή n=1 αντιστοιχεί ένα μόνο ατομικό τροχιακό. γ. Η στιβάδα Μ έχει εννέα τροχιακά. δ. Όταν ένα τροχιακό χαρακτηρίζεται με ℓ=3, έχει τρεις δυνατούς προσανατολισμούς στο χώρο. ε. Οι κβαντικοί αριθμοί n, ℓ, mℓ και ms προκύπτουν με την επίλυση της εξίσωσης Schrοdinger. στ. Τα ηλεκτρόνια της ίδιας υποστιβάδας έχουν τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό και τον ίδιο αζιμουθιακό κβαντικό αριθμό. ζ. Τα ηλεκτρόνια της ίδιας στιβάδας έχουν και τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς ίδιους.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

35

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΣΤΙΒΑΔΑΣ - ΥΠΟΣΤΙΒΑΔΑΣ- ΤΡΟΧΙΑΚΟΥ 1. Εξακριβώστε ποιες από τις παρακάτω τριάδες κβαντικών αριθμών θα ήταν επιτρεπτές και ποιες όχι για ένα τροχιακό. α) n = 0, ℓ = 0, mℓ = 0

β) n = 1, ℓ = 1, mℓ = 0

γ) n = 1, ℓ = 0, mℓ = 1

δ) n = 2, ℓ = 1, mℓ = –1

Λύση α. Μη επιτρεπτή (ο n δεν παίρνει ποτέ την τιμή 0) β. Μη επιτρεπτή (ο ℓ δεν γίνεται ποτέ ίσος με τον n) γ. Μη επιτρεπτή ( όταν ℓ = 0 τότε και mℓ =0 γιατί ο mℓ παίρνει ακέραιες τιμές από – ℓ μέχρι + ℓ) δ. Επιτρεπτή 2. α. Πώς χαρακτηρίζεται η υποστοιβάδα με τους κβαντικούς αριθμούς n = 4, ℓ = 2; β. Ποιοι είναι οι τρεις κβαντικοί αριθμοί που αντιστοιχούν στο τροχιακό 5px; γ. Πόσα τροχιακά έχουν τις τιμές n = 5 και ℓ= 2; Ποιες τριάδες κβαντικών αριθμών τα περιγράφουν; Λύση α. ℓ = 2 σημαίνει d τροχιακό άρα η υποστοιβάδα είναι η 4d β. Κάθε τροχιακό περιγράφεται από τους τρεις κβαντικούς αριθμούς, n, ℓ, mℓ. To τροχιακό 5px έχει n = 5, ℓ = 1 και mℓ =+1. γ. Όταν ℓ = 2 τότε το mℓ μπορεί να πάρει τις τιμές + 2, +1, 0, –1, –2 οπότε θα προκύπτουν 5 τροχιακά με τις εξής τριάδες κβαντικών αριθμών: (5,2,-2), (5,2,-1), (5,2,0),(5,2,1),(5,2,2) .

3. Ποιοι κβαντικοί αριθμοί περιγράφουν τα τροχιακά της στιβάδας Μ; Λύση Kάθε τροχιακό περιγράφεται από τους τρεις κβαντικούς αριθμούς, n, ℓ, mℓ. H στιβάδα Μ έχει κύριο κβαντικό αριθμό n=3.

36

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

n

ℓ

mℓ

τροχιακό

0

0

(3,0,0)

-1

(3,1,-1)

0

(3,1,0)

+1

(3,1,+1)

-2

(3,2,-2)

-1

(3,2,-1)

0

(3,2,0)

+1

(3,2,+1)

+2

(3,2,+2)

1

2 3

Άρα σι τριάδες των κβαντικών αριθμών που περιγράφουν τα τροχιακά της στιβάδας Μ είναι: (3,0,0), (3,1 ‚-1), (3,1,0), (3,1,1), (3,2,-2), (3,2,-1), (3,2,0), (3,2,1), (3,2,2).

Ασκήσεις προς λύση 1. Γράψε όλες τις πιθανές τετράδες των κβαντικών αριθμών για ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται σε τροχιακό της 3d υποστιβάδας.

2. Ποιες είναι οι δυνατές τιμές για τους υπόλοιποuς κβαντικούς αριθμούς όταν: α. n = 4;

β. ℓ = 2;

γ. mℓ = -1;

δ. n = 4 και mℓ = +1;

3. Οι τιμές των κβαντικών αριθμών ενός ηλεκτρονίου είναι 3, 1, 0,

1 .

2

α. Σε ποιο τροχιακό ανήκει το ηλεκτρόνιο αυτό; β. Να γίνει η γραφική απεικόνιση του ηλεκτρονιακού νέφους του τροχιακού αυτού. γ. Τι γνωρίζετε για το spin του ηλεκτρονίου αυτού; δ. Να γραφούν οι κβαντικοί αριθμοί των άλλων ατομικών τροχιακών που ανήκουν στην ίδια στιβάδα με το παραπάνω ατομικό τροχιακό και έχουν: i) ίδιο σχήμα

ii) ίδια τιμή mℓ,

iii) διαφορετικό σχήμα.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

37

4. Να γράψετε τα σύμβολα των υποστιβάδων και να υπολογίσετε τον αριθμό των ατομικών τροχιακών που περιγράφονται από τα επόμενα σύνολα κβαντικών αριθμών: a. n = 5, ℓ = 1 και mℓ = 0

β. n = 4 και ℓ = 0

δ. n = 5, ℓ = 2 και mℓ = +1

ε. n = 2 και ℓ = 1

ζ. n = 3 και mℓ = -2

γ. n = 4, ℓ = 1 και mℓ = -1 στ. n = 3 και mℓ = 0

θ. n = 4 και mℓ = +3

ι. n = 5 και mℓ = +1

5. Να γράψετε τους κβαντικούς αριθμούς που περιγράφουν: α. τη στιβάδα Ν

β. την υποστιβάδα 5d

γ. το τροχιακό 4pz

δ. το ηλεκτρόνιο που ανήκει στο τροχιακό 3py. ε. ένα ηλεκτρόνιο που ανήκει σε ένα τροχιακό 2p.

6. Να γραφούν οι κβαντικοί αριθμοί των τροχιακών: α. 2s, 4pz και 5s

β. των υποστιβάδων 3d και 4f

δ. της στιβάδας Μ

γ. της στιβάδας L

ε. που έχουν ℓ = 0

7. Ποια από τα παρακάτω σύνολα κβαντικών αριθμών δεν είναι επιτρεπτά και γιατί; a. n = 3, ℓ = 3

β. n =4, ℓ = 2

γ. n = 5, ℓ = 0

δ. ℓ = 0, mℓ = 1,

ε. ℓ = 1, mℓ = 0.

8. Ποιες από τις παρακάτω τετράδες κβαντικών αριθμών (n, ℓ, mℓ, ms) που περιγράφουν ηλεκτρόνια δεν είναι επιτρεπτές; α. (3, 1, 0,

1 ) 2

β. (4, 2, -2,

ε. (5, 3, -1,

1 ) 2

στ. (4, 0, +1,

θ. (2, 1, -1,

1 ) 2

ι. (4, -2, +1,

38

1 ) 2 1 ) 2

γ. (1, 1, 0, ζ. (4, 1, +2,

1 ) 2 1 ) 2

δ. (3, 2, 0, 0) η. (5, 0, 0,

1 ) 2

1 ) 2

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΤΡΟΧΙΑΚΟ – ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΘΕΜΑ 1ο 1. Σωστό - Λάθος α. Ο κβαντικός αριθμός του spin (ms) συμμετέχει στη διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας του ηλεκτρονίου.

(2003/Μον. 2) β. Ο κβαντικός αριθμός του spin δεν συμμετέχει στη διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας του ηλεκτρονίου, ούτε στον καθορισμό του τροχιακού.

(2005/Μον. 1) γ. Το τροχιακό 1s και το τροχιακό 2s έχουν ίδιο σχήμα και ίδια ενέργεια.

(2005/Mον. 1) δ. Τα τροχιακά με τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό n συγκροτούν μια υποστιβάδα. (Εσπ. 2006/Μον. 2 – Επαν. 2006/Mον. 1) ε. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τα ηλεκτρόνια κινούνται σε κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα του ατόμου.

(2007/Mον. 1) ζ. Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός (mℓ) καθορίζει το μέγεθος του ηλεκτρονιακού νέφους.

(2004/Mον. 1) η. Ατομικά τροχιακά που έχουν τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς n και ℓ ανήκουν στην ίδια υποστιβάδα ή υποφλοιό. (Εσπ. 2008/Μον. 2) θ. Σε κάθε τιμή του μαγνητικού κβαντικού αριθμού (mℓ) αντιστοιχούν δύο τροχιακά. (Επαν. 2008/Μον. 1) ι. Ο αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός ℓ καθορίζει το σχήμα του τροχιακού.

(2009/Μον. 1) κ. Όλα τα ατομικά τροχιακά της ίδια υποστοιβάδας έχουν ίδιες τιμές των μεγεθών: n και ℓ (OΕΦΕ 2005/Μον.1) λ. Ο κβαντικός αριθμός ℓ καθορίζοντας το σχήμα του τροχιακού, καθορίζει και τον προσανατολισμό του. (ΟΕΦΕ 2007/Μον. 1) μ. Τα s τροχιακά έχουν σφαιρική συμμετρία.

(2010/Μον. 1) ν. Ο αριθμός τροχιακών σε μία υποστιβάδα, με αζιμουθιακό κβαντικό αριθμό ℓ, δίνεται από τον τύπο: 2 ℓ + 1.

(2011/Μον. 1)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

39

2. Για κύριο κβαντικό αριθμό n = 2, ο δευτερεύων ή αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός ℓ μπορεί να πάρει τις τιμές: α. 1 και 2 β. 0 και 1 γ. 0, 1 και 2 δ. 0 και 2 (Εσπ. 2001./Μον. 3) 3. Η μάζα του πρωτονίου (mp) είναι 1836 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου (me).Αν τα δύο αυτά σωματίδια κινούνται με την ίδια ταχύτητα, ποια είναι η σχέση των αντιστοίχων μηκών κύματος λp και λe , σύμφωνα με την κυματική θεωρία της ύλης του de Broglie; α. λe=1836λp

β. λe=λ p/ 1836

γ. λe=λp

4. Τα ατομικά τροχιακά 1s και 3s διαφέρουν α. κατά το σχήμα. β. κατά το μέγεθος. γ. κατά τον προσανατολισμό στο χώρο. δ. σε όλα τα παραπάνω.

5. Τα ατομικά τροχιακά 2s και 2px του 7Ν α. έχουν το ίδιο σχήμα. β. έχουν την ίδια ενέργεια. γ. έχουν τον ίδιο προσανατολισμό στο χώρο. δ. διαφέρουν σε όλα τα παραπάνω.

δ. λe= 1836/λ p.

(2002/Μον. 5)

(Επαν. Εσπ. 2003/Μον. 5)

(Εσπ. 2004/Μον. 4)

6. Τι είδους τροχιακό περιγράφεται από τους κβαντικούς αριθμούς n = 3 και ℓ = 2; α. 3d β. 3f γ. 3ρ δ. 3s

(2004/Μον. 5)

7. Για κύριο κβαντικό αριθμό n=3, ο δευτερεύων ή αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός ℓ μπορεί να πάρει τις τιμές: α. 0, 1, 2, 3. β. 0, 1, 2. γ. 1, 2. δ. 1, 2, 3. (Εσπ. 2005/Μον. 5)

8. Οι αριθμοί της Στήλης Ι αποτελούν τετράδα τιμών των κβαντικών αριθμών ενός ηλεκτρονίου. Να γράψετε στο τετράδιό σας τον αριθμό της Στήλης ΙΙ και δίπλα σε κάθε αριθμό το γράμμα της Στήλης Ι, το οποίο αντιστοιχεί στη σωστή τιμή του κάθε κβαντικού αριθμού.

Στήλη Ι α. -1 β. +1/2 γ. 1 δ. 2

40

Στήλη ΙΙ 1. ℓ 2. mℓ 3. n 4. ms

(Επαν.2005/Μον. 5)

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

9. Ο δευτερεύων κβαντικός αριθμός (ℓ) καθορίζει: α. τον προσανατολισμό του ηλεκτρονιακού νέφους. β. την ιδιοπεριστροφή του ηλεκτρονίου. γ. το σχήμα του ηλεκτρονιακού νέφους. δ. το μέγεθος του ηλεκτρονιακού νέφους.

(Εσπ.2007/Μον. 5)

10. Ποια από τις παρακάτω τριάδες των κβαντικών αριθμών (n, ℓ, mℓ) δεν αντιστοιχεί σε ατομικό τροχιακό; α. (2, 1, 1) β. (5, 2, –1) γ. (3, 2, 1) δ. (3, 1, 2) (Ομογ. 2005/Μον. 5) 11. Τα ατομικά τροχιακά 2s και 3s διαφέρουν α. κατά το σχήμα. β. κατά το μέγεθος. γ. κατά τον προσανατολισμό στον χώρο. δ. σε όλα τα παραπάνω. (Εσπ. 2008/Μον. 5) 12. Η υποστιβάδα 3d αποτελείται από: α. ένα ατομικό τροχιακό. β. τρία ατομικά τροχιακά. γ. πέντε ατομικά τροχιακά. δ. ένα έως πέντε ατομικά τροχιακά, ανάλογα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιέχει. (Επαν. 2008/Μον. 5) 13. Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός (mℓ) καθορίζει: α. την ιδιοπεριστροφή του ηλεκτρονίου (spin) β. τον προσανατολισμό του ηλεκτρονιακού νέφους (τροχιακού) σε σχέση με τους άξονες x, y, z. γ. το μέγεθος του ηλεκτρονιακού νέφους (τροχιακού). δ. το σχήμα του ηλεκτρονιακού νέφους (τροχιακού). (Εσπ. 2002/Μον. 5 – Ομογ. 2005/Μον. 5) 14. Ποιος τύπος τροχιακού αντιστοιχεί στην τριάδα των κβαντικών αριθμών n = 3, ℓ = 0 και mℓ = 0 ; α. 3px β. 3py γ. 3s δ. 3pz (Ομογ. 2003/Μον. 5) 15. Να αντιστοιχίσετε την κάθε υποστιβάδα της Στήλης Ι με το σωστό ζεύγος τιμών των κβαντικών αριθμών (n, ℓ) της Στήλης ΙΙ. (δύο ζεύγη της Στήλης ΙΙ περισσεύουν).

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

41

Στήλη Ι (υποστιβάδα) 1.

2.

3.

4.

5.

Στήλη ΙΙ (n, ℓ)

2p 3s 3d 4s 4d

α. (3, 2) β. (4, 0) γ. (3, 0) δ. (2, 0) ε. (2, 1) στ. (4, 1) ζ. (4, 2) (Εσπ. 2006/Μον. 5)

16. Να γράψετε στο τετράδιό σας τις υποστιβάδες της Στήλης Ι και δίπλα σε κάθε υποστιβάδα τον αντίστοιχο αριθμό ατομικών τροχιακών της Στήλης ΙΙ. Στήλη Ι (υποστοιβάδες) 2s 4p 3d 5f

Στήλη ΙΙ (αριθμός ατομικών τροχιακών) 3 5 7 1 4 (Εσπ. 2003/Μον. 4)

17. Το ατομικό τροχιακό, στο οποίο βρίσκεται το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου υδρογόνου, καθορίζεται από τους κβαντικούς αριθμούς: α. n και ℓ

β. ℓ και mℓ

γ. n, ℓ και mℓ

δ. n, ℓ, mℓ και ms

(2009/Μον. 5)

18. Τα ατομικά τροχιακά 1s και 3s έχουν α. ίδιο μέγεθος β. ίδια ενέργεια γ. ίδιο κβαντικό αριθμό n δ. ίδιο κβαντικό αριθμό ℓ (OEΦΕ 2003/Μον. 4) 19. Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός mℓ σε ένα ατομικό τροχιακό καθορίζει: α. το μέγεθος β. το σχήμα γ. τον προσανατολισμό δ.την αυτοπεριστροφή (spin) (OΕΦΕ 2004/Μον.2) 20. Τα ατομικά τροχιακά 3s και 4s έχουν: α. το ίδιο μέγεθος β. ίδια ενέργεια γ. δύο λοβούς δ. ίδιο κβαντικό αριθμό ℓ (OΕΦΕ 2004/Μον.2) 21. Σε ποια από τις επόμενες μεταπτώσεις του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου, αντιστοιχεί ακτινοβολία με μικρότερο μήκος κύματος. α. από n=3 σε n=2 β. από n=4 σε n=2 γ. από n=2 σε n=1 δ. από n=4 σε n=3 (OΕΦΕ 2004/Μον.2)

42

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

22. Τα τροχιακά 3s και 3p σε ένα πολυηλεκτρονικό άτομο έχουν: α. διαφορετικό σχήμα

β. ίδια ενέργεια

γ. ίδιο ℓ (OΕΦΕ 2005/Μον.3)

23. Η υποστοιβάδα 4f αποτελείται από: α. ένα ατομικό τροχιακό

β. επτά ατομικά τροχιακά

γ. τρία ατομικά τροχιακά

δ. πέντε ατομικά τροχιακά (ΟΕΦΕ 2009/Μον.5)

24. Τι καθορίζει ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός; α. Το σχήμα του τροχιακού.

β. Τον προσανατολισμό των τροχιακών.

γ. Το μέγεθος του τροχιακού.

δ. Την ιδιοπεριστροφή του ηλεκτρονίου. (Ομογ. 2009/Μον. 5)

25. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι ορθή σύμφωνα με το κβαντικομηχανικό μοντέλο του ατόμου; α. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε ορισμένες κυκλικές ή ελλειπτικές τροχιές. β. Προσδιορίζεται με ακρίβεια ταυτόχρονα τόσο η θέση όσο και η ταχύτητα του ηλεκτρονίου οποιαδήποτε χρονική στιγμή. γ. Προσδιορίζεται η πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου σε ορισμένο χώρο. (Ομογ. 2011/Μον. 5) 26. Στο φάσμα εκπομπής του ατόμου του υδρογόνου που προκύπτει από την μετάπτωση του ηλεκτρονίου από την στιβάδα Μ στην στιβάδα Κ, το μέγιστο πλήθος φασματικών γραμμών που μπορούν να καταγραφούν είναι: α. μία

β. δύο

γ. τρεις

δ. έξι (ΟΕΦΕ 2012/Μον.5)

27. Ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένας πυρήνας ηλίου (2He), που κινούνται με ταχύτητες υ1, υ2, υ3 αντίστοιχα, έχουν το ίδιο μήκος κύματος κατά de Broglie. Για τις ταχύτητες υ1, υ2, υ3 ισχύει ότι: α. υ1=υ2=υ3 β. υ1<υ2<υ3 γ. υ2>υ1>υ3 δ. υ1=υ2>υ3 (Επαν. 2012/Μον. 5)

ΘΕΜΑ 2Ο 1. Να αιτιολογήσετε τις προτάσεις: α. Ο αριθμός των ατομικών τροχιακών της στιβάδας με κύριο κβαντικό αριθμό n είναι ίσος με n2.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

43

(Επαν. 2010/Μον. 2) β. Κατά τη μετάπτωση του ηλεκτρονίου, στο άτομο του υδρογόνου, από ενεργειακή στάθμη με n = 2 σε n = 1 εκλύεται, μεγαλύτερο ποσό ενέργειας απ’ ότι κατά τη μετάπτωση του ηλεκτρονίου από ενεργειακή στάθμη με n = 4 σε n = 2. (Επαν. 2011/Μον. 2) 2. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου (1Η) κινείται στην ενεργειακή στάθμη που χαρακτηρίζεται από τον κύριο κβαντικό αριθμό n=1 με ενέργεια Ε1. Απορροφώντας την κατάλληλη ενέργεια, Ε1

3

(συχνότητα ακτινοβολίας ν1), μεταπηδά στην ενεργειακή στάθμη με n=3, και σε

ελάχιστο χρόνο εκπέμποντας την κατάλληλη ενέργεια, Ε3

2

(συχνότητα ακτινοβολίας ν2), βρίσκεται

στην ενεργειακή στάθμη με n=2. Στηριζόμενοι στις αρχές του ατομικού προτύπου του Bohr: α. Να βρείτε την ενέργεια που απορρόφησε το ηλεκτρόνιο για να βρεθεί στην στάθμη με n=3, συναρτήσει της ενέργειας της θεμελιώδους κατάστασης Ε1. β. Να βρεθεί ο λόγος

1

.

2

γ. Ένα άτομο υδρογόνου (1Η) βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση (n=1). Πόση ενέργεια απαιτείται ώστε το άτομο αυτό να ιοντιστεί;

(ΟΕΦΕ 2011/Μον. 2+2+1) 3. Να χαρακτηρίσετε την πρόταση σωστή ή λανθασμένη: Σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο οι ενεργειακές στάθμες των ηλεκτρονίων καθορίζονται μόνο από τις ελκτικές δυνάμεις πυρήνα – ηλεκτρονίου. Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας. (Επαν. 2012/ Μον. 1+2)

44

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

1.4 ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΑΠΑΓΟΡΕΥΤΙΚΗ ΑΡΧΗ ΤΟΥ PAULI Διατυπώνεται: «Είναι αδύνατον να υπάρχουν στο ίδιο άτομο δύο ηλεκτρόνια με την ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών». Καθορίζει: Το μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων ενός τροχιακού σε δύο. Ένα τροχιακό, που καθορίζεται από τους τρεις κβαντικούς αριθμούς(n, ℓ, mℓ), δεν μπορεί να χωρέσει πάνω από δύο ηλεκτρόνια τα οποία θα διαθέτουν τις εξής τετράδες κβαντικών αριθμών: (n, ℓ, mℓ, +1/2) και (n, ℓ, mℓ,-1/2) Επίσης καθορίζεται και ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε κάθε υποστοιβάδα με βάση τον αριθμό των τροχιακών της. Υποστοιβάδα

Πλήθος

τροχιακών Μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων

υποστιβάδας (2 ℓ +1)

υποστιβάδας 2 (2 ℓ +1)

ns

1

2

np

3

6

nd

5

10

nf

7

14

O μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε κάθε υποστοιβάδα γράφεται σαν εκθέτης της υποστιβάδας: ns2 np6 nd10 nf 14. ΑΡΧΗ ΕΛΑΧΙΣΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διατυπώνεται: κατά την ηλεκτρονιακή δόμηση ενός πολυηλεκτρονικού ατόμου, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τροχιακά με τη μικρότερη ενέργεια, ώστε να αποκτήσουν τη μέγιστη σταθερότητα στη θεμελιώδη κατάσταση. Παράγοντες που καθορίζουν την ενέργεια του ηλεκτρονίου Οι ελκτικές δυνάμεις πυρήνα - ηλεκτρονίου (που καθορίζονται από τον κύριο κβαντικό αριθμό). Όσο μικραίνει η τιμή του n, τόσο το ηλεκτρόνιο πλησιάζει τον πυρήνα και τόσο μειώνεται η ενέργεια του. Οι απώσεις ηλεκτρονίου - ηλεκτρονίου (που καθορίζονται από τον δευτερεύοντα

κβαντικό

αριθμό) και επηρεάζουν μόνο τα πολυηλεκτρονικά άτομα και όχι τα άτομα του υδρογόνου και των

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

45

υδρογονοειδών (ιόντων με ένα μόνο ηλεκτρόνιο π.χ. He+, Li2+ κλπ.). Όσο μικραίνει η τιμή του ℓ, μικραίνουν οι απωστικές δυνάμεις και τόσο μειώνεται η ενέργεια του. Προσοχή! Στο υδρογόνο και στα υδρογονοειδή οι ενεργειακές στάθμες των υποστιβάδων που ανήκουν στην ίδια στιβάδα ταυτίζονται. Συμπέρασμα: Ανάμεσα σε δύο υποστιβάδες, τη χαμηλότερη ενέργεια έχει εκείνη που παρουσιάζει το μικρότερο άθροισμα των δύο πρώτων κβαντικών αριθμών (n+ ℓ) Στην περίπτωση που το άθροισμα (n+ ℓ) είναι το ίδιο για δύο υποστιβάδες, τότε μικρότερη ενέργεια έχει η υποστιβάδα με το μικρότερο n.

Μνημονικός κανόνας για τη διαδοχική συμπλήρωση των ατομικών τροχιακών Στο παρακάτω διάγραμμα, η συμπλήρωση των τροχιακών ακολουθεί μια - μια, με τη σειρά τις διαγώνιες, με τη φορά που δείχνουν τα βέλη. Κατ΄ αυτό τον τρόπο δομείται ηλεκτρονιακά το άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση

1s Σειρά

2s

2p

συμπλήρωσης

3s

3p

3d

ατομικών

4s

4p

4d

4f

τροχιακών

5s

5p

5d

5f

6s

6p

6d

7s

7p

Παραδείγματα: 7N:

1s2 2s2 2p3

19K:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

26Fe:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2

Στη τελευταία ηλεκτρονιακή

δομή

γράφουμε πρώτα την 3d και μετά την 4s, παρόλο που η

υποστιβάδα 4s συμπληρώθηκε πρώτη, σύμφωνα με την αρχή ελάχιστης ενέργειας. Αυτό συμβαίνει

46

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

επειδή μετά την εισαγωγή ηλεκτρονίων στην υποστιβάδα 3d αυτή αποκτά μικρότερη ενέργεια από την 4s . Προσοχή! 1. Στο άτομο του υδρογόνου όλες οι υποστιβάδες μιας στιβάδας έχουν την ίδια ενέργεια, γιατί υπάρχει ένα ηλεκτρόνιο κατά συνέπεια δεν υπάρχουν απώσεις, άρα ο παράγοντας που καθορίζει την ενέργεια είναι μόνο ο κύριος κβαντικός αριθμός n.

2. Για πολυηλεκτρονιακά άτομα διακρίνουμε δύο περιπτώσεις: α. Κενές υποστιβάδες. Η σειρά ενέργειας καθορίζεται από το άθροισμα n + ℓ. β. Υποστιβάδες που περιέχουν ηλεκτρόνια. Η σειρά ενέργειας καθορίζεται από τον κύριο κβαντικό αριθμό n. Στην περίπτωση που έχουν τον ίδιο n, τότε η μικρότερη ενέργεια έχει η υποστιβάδα με το μικρότερο ℓ.

3. Σύγκριση ενεργειών υποστιβάδων ή τροχιακών σημαίνει ότι είναι κενές/α (2α).

4. Σύγκριση ενεργειών ηλεκτρονίων γίνεται με βάση σε ποια υποστιβάδα ανήκουν (2β).

5. Ημισυμπληρωμένη d η συμπληρωμένη d έχουν χαμηλότερη ενέργεια.

ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΟΥ HUND Διατυπώνεται: Ηλεκτρόνια που καταλαμβάνουν τροχιακά της ίδιας ενέργειας, έχουν κατά προτίμηση παράλληλα spin, ώστε τα ηλεκτρόνια να αποκτήσουν το μέγιστο άθροισμα κβαντικών αριθμών “spin”. Καθορίζει: Τη κατανομή ηλεκτρονίων σε τροχιακά μη συμπληρωμένης υποστιβάδας. Για παράδειγμα στο άτομο του αζώτου 7Ν η κατανομή σε υποστιβάδες είναι: 7Ν:

1s2 2s2 2p3

1s

2s 2px 2py 2pz

ή αναλυτικότερα, αν θέλουμε να δείξουμε την κατανομή των ηλεκτρονίων στα τροχιακά: 7Ν

οπότε αφού τα ηλεκτρόνια της υποστιβάδας 2p είναι παράλληλα έχουν και το μέγιστο άθροισμα κβαντικών αριθμών “spin”: ½ +½+½=3/2 Προσέξτε: Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται μόνα τους σε κάποιο τροχιακό ονομάζονται μονήρη ή ασύζευκτα. Τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια βρίσκονται στην εξωτερική στοιβάδα (εξαιρούνται τα στοιχεία μετάπτωσης

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

47

που θα δούμε παρακάτω) όπως φαίνεται και στο παρακάτω πίνακα. Εξωτερική στιβάδα ενός ατόμου είναι η στιβάδα ηλεκτρονίων του με το μεγαλύτερο κύριο κβαντικό αριθμό. Τα δύο ηλεκτρόνια που πληρώνουν κάποιο τροχιακό ονομάζονται συζευγμένα και αποτελούν ζεύγος ηλεκτρονίων.

1s

2s

2p

OMH

3

Li

1s 2 2s1

4

Be

1s 2 2s 2

5

B

1s 2 2s 2 2p1

6

C

1s 2 2s 2 2p 2

7

N

1s 2 2s 2 2p 3

8

O

1s 2 2s 2 2p 4

9

F

1s 2 2s 2 2p 5

Ne

1s 2 2s 2 2p 6

10

Ερωτήσεις κατανόησης 1. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε κάθε στιβάδα προκύπτει με εφαρμογή: α. Της απαγορευτικής αρχής του Pauli. β. Την αρχή της ελάχιστης ενέργειας των υποστιβάδων. γ. Τον κανόνα του Hund. δ. Όλων των παραπάνω.

2. Δίνεται η παρακάτω ηλεκτρονιακή δομή ατόμου στοιχείου: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p2 Προσδιόρισε τα παρακάτω: α. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου; β. Ποιος είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός της εξωτερικής στιβάδας; γ. Ποιος είναι ο αριθμός των εξωτερικών ηλεκτρονίων; 3. Να εξετάσετε αν οι παρακάτω προτάσεις είναι σωστές:

48

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

α. Σε ένα τροχιακό μπορούν να βρίσκονται το πολύ δύο ηλεκτρόνια. β. Ο ms μπορεί να πάρει μόνο δύο τιμές. Στην περίπτωση που και οι δύο προτάσεις είναι σωστές, να εξετάσεις αν η δεύτερη πρόταση αποτελεί σωστή εξήγηση για την πρώτη πρόταση.

4. Να αντιστοιχίσεις τις στήλες του παρακάτω πίνακα: Υποεπίπεδο ενέργειας

n

ℓ

Πλήθος τιμών mℓ

Μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων

2p

5

0

1

2

3s

3

1

3

6

5d

2

2

5

10

5. Σύγκρινε: α. Σε τι διαφέρει ένα ηλεκτρόνιο στο τροχιακό 2px από ένα ηλεκτρόνιο στο τροχιακό 2py δύο ατόμων υδρογόνου; β. Πότε δύο ηλεκτρόνια στο υποεπίπεδο ενέργειας 3p έχουν μεγαλύτερη ενέργεια, όταν βρίσκονται και τα δύο στα 3px ή όταν το ένα βρίσκεται στο 3px και το άλλο στο 3py; 6. α. Να συγκρίνετε την ενέργεια των τροχιακών: 2s, 2px, 2py και 2pz i) σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο. ii) στο άτομο του υδρογόνου. β. Οι κβαντικοί αριθμοί έξι τροχιακών σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο είναι: i) (3, 1, -1)

ii) (4, 0, 0)

iii) (3, 2, -1)

iv) (3, 1, 0)

v) (4, 2, -2)

vi) (4, 1, +1)

Να διατάξετε τα τροχιακά κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας.

7. Να εξηγήσετε ποιος είναι ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων που μπορούν να τοποθετηθούν: α. στο τροχιακό 4s

β. στο τροχιακό 3px

γ. στην υποστιβάδα 5s

δ. στην υποστιβάδα 2p

ε. στην υποστιβάδα 3d

στ. στην στιβάδα L

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

49

ζ. στη στιβάδα Ν 8. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. α. Στο άτομο του υδρογόνου τα τροχιακά 2s και 2p έχουν την ίδια ενέργεια. β. Για το άτομο του οξυγόνου (8Ο) στη θεμελιώδη κατάσταση, η κατανομή των ηλεκτρονίων είναι: 1s2 2s2 2p2x 2p2y .

γ. Όταν σε ένα άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι άρτιος, το άθροισμα των κβαντικών αριθμών spin είναι μηδέν.

1 στο ίδιο ατομικό τροχιακό έρχεται σε αντίθεση με τον 2

δ. Η τοποθέτηση δύο ηλεκτρονίων με m s κανόνα του Hund.

ε. Οι κβαντικοί αριθμοί mℓ και ms συμμετέχουν στη διαμόρφωση της τιμής ενέργειας του ηλεκτρονίου. στ. Η δομή της υποστιβάδας 3d, που περιέχει 2 μονήρη ηλεκτρόνια, είναι υποχρεωτικά η παρακάτω: ↑

↑

ζ. Σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο τα τροχιακά 3px και 3py είναι ισοενεργειακά. η. Ο μεγαλύτερος ατομικός αριθμός ενός στοιχείου που έχει συνολικά έξι ηλεκτρόνια σε s τροχιακά, στη θεμελιώδη κατάσταση, είναι 18. θ. Ένα τροχιακό 3p χωράει το πολύ έξι ηλεκτρόνια. ι. Το μοναδικό ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου βρίσκεται στο τροχιακό 1s.

9. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες είναι λανθασμένες.

α. Η ηλεκτρονιακή δομή

1s

2s

2p

↑↓ ↑↑

↑↓ ↑↓

έρχεται σε αντίθεση με τον κανόνα του Hund. ↑

β. Η ηλεκτρονιακή δομή 1s22s32p2 έρχεται σε αντίθεση με την απαγορευτική αρχή του Pauli. γ. Σε μια υποστιβάδα με ℓ =2 μπορούν να τοποθετηθούν μέχρι πέντε ηλεκτρόνια.

50

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

δ. Στην υποστιβάδα 3p τοποθετούνται περισσότερα ηλεκτρόνια από την υποστιβάδα 2p. ε. Μονήρη ηλεκτρόνια υπάρχουν μόνο στην εξωτερική στιβάδα ενός πολυηλεκτρονιακού ατόμου στη θεμελιώδη καταστασή του. στ. Τα s τροχιακά του ατόμου του μαγνησίου (12Μg) στη θεμελιώδη κατάσταση είναι ενεργειακά ισοδύναμα. ζ. Δύο ηλεκτρόνια που ανήκουν στην ίδια υποστιβάδα, έχουν ίδια τριάδα κβαντικών αριθμών n, l και ml. η. Στα πολυηλεκτρονιακά άτομα οι ενεργειακές στάθμες των υποστιβάδων της ίδιας στιβάδας ταυτίζονται. θ. Το τροχιακό 1s και το τροχιακό 2s έχουν ίδιο σχήμα και ίδια ενέργεια.

10. Να διατάξετε τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές ατόμου με 6 ηλεκτρόνια κατά αυξανόμενη τιμή ενέργειας. α. 1s2 2s2 2p1x 2p1y

β. 1s2 2s1 2p1x 2p1y 2p1z

γ. 1s1 2s2 2p1x 2p1y 2p1z

δ. 1s1 2s1 2p1x 2p1y 2p1z 3s1

11. Οι κβαντικοί αριθμοί πέντε ηλεκτρονίων που ανήκουν στο ίδιο άτομο είναι: α. n 3, l 2, m l δ. n 3, l 1, m l

1 2

1, m s

0, m s

1 2

β. n 4, l 1, m l 1, m s ε. n 3, l 2, m l

2, ms

1 2

γ. n 4, l 0, m l

0, m s

1 2

1 2

12. Οι αρχές της ηλεκτρονιακής δόμησης δεν περιλαμβάνουν: α. Τον κανόνα του Hund.

β. Την απαγορευτική αρχή του Pauli.

γ. Την αρχή αβεβαιότητας.

δ. Την αρχή ελάχιστης ενέργειας.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

51

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΣΕ ΣΤΙΒΑΔΕΣ-ΥΠΟΣΤΙΒΑΔΕΣ- ΤΡΟΧΙΑΚΑ 1. Να τοποθετηθούν σε υποστιβάδες, στιβάδες και τροχιακά τα ηλεκτρόνια των ατόμων 25

8

Ο και

Μn στη θεμελιώδη κατάσταση.

Λύση Κατανέμουμε τα ηλεκτρόνια σε υποστιβάδες 8Ο:

1s2 2s2 2p4

25Μn:

Κ:2, L:6

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2 Κ=2, L=8, M=13, N=2

Για να γράψουμε την ηλεκτρονιακή δομή σε στιβάδες ενός ατόμου, γράφουμε πρώτα την ηλεκτρονιακή δομή του σε υποστιβάδες και αθροίζουμε τα ηλεκτρόνια των υποστιβάδων με τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό. Τοποθετούμε τα ηλεκτρόνια στα τροχιακά, γνωρίζοντας ότι σε κάθε συμπληρωμένη υποστιβάδα, τα τροχιακά της περιέχουν ζεύγη ηλεκτρονίων με αντίθετα spin (

) ενώ σε κάθε ελλιπώς

συμπληρωμένη υποστιβάδα η δημιουργία ζευγών αρχίζει, αφού πρώτα όλα τα τροχιακά της έχουν ημισυμπληρωθεί. Σε κάθε ημισυμπληρωμένο τροχιακό το ηλεκτρόνιο βρίσκεται κατά σύμβαση με ms=+1/2 ( ).

1s

2s 2px 2py 2pz

8O

Το συνολικό άθροισμα spin στα 2ρ τροχιακά είναι: ½+½+½- ½=+1 που είναι το μεγαλύτερο από οποιαδήποτε άλλη διάταξη. Προσοχή: Το τέταρτο ηλεκτρόνιο της υποστιβάδας 2ρ μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε τροχιακό της υποστιβάδας (2ρχ, 2ρy ή 2ρz) αφού τα τροχιακά αυτά είναι ισοενεργειακά.

1s

2s

2p

3s

3p

3d

4s

25 Mn

Το συνολικό άθροισμα spin στα 3d τροχιακά είναι:

1 1 1 1 1 2 2 2 2 2

5 που είναι το μεγαλύτερο από 2

οποιαδήποτε άλλη διάταξη.

52

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

2. Πόσα ηλεκτρόνια στο άτομο του

15Ρ,

στη θεμελιώδη κατάσταση, έχουν μαγνητικό κβαντικό αριθμό

mℓ = -1; Λύση Η κατανομή των ηλεκτρονίων του φωσφόρου σε υποστιβάδες και τροχιακά είναι:

1s2

2s2

2p6

3s2

3p3

15 P

mℓ=0 mℓ=0 mℓ=-1,0,1

mℓ=0 mℓ=-1,0,1

Όπως παρατηρούμε τρία ηλεκτρόνια έχουν μαγνητικό κβαντικό αριθμό mℓ=-1. Δύο από αυτά βρίσκονται στο τροχιακό 2py και ένα από αυτά βρίσκεται στο τροχιακό 3 py

3. α. Γράψτε την ηλεκτρονιακή δομή για το άτομο του κασσίτερου

50Sn

β. Ποιος είναι ο αριθμός των ασύζευκτων ηλεκτρονίων στο ουδέτερο άτομο του Sn; γ. Γράψτε την

ηλεκτρονιακή δομή του ιόντος Sn4+ . Ποιος είναι ο

αριθμός των ασύζευκτων

ηλεκτρονίων στο ιόν Sn4+; δ. Το ιόν του ινδίου (49Ιnx+) είναι ισοηλεκτρονικό με το Sn4+. Να βρείτε το φορτίο του. Λύση α. Η ηλεκτρονιακή δομή για το άτομο του κασσίτερου 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p2 ή σωστότερα

50Sn

είναι:

1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2

β. Ασύζευκτα ηλεκτρόνια βρίσκονται στην εξωτερική στοιβάδα. Συγκεκριμένα υπάρχουν

2

ασύζευκτα ηλεκτρόνια στα 5p τροχιακά.

5s

5px 5py 5pz

γ. Το άτομο του Sn αποβάλει 4 ηλεκτρόνια και προκύπτει το κατιόν Sn4+. Η ηλεκτρονιακή δομή του Sn4+ είναι: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d10 Δεν υπάρχουν ασύζευκτα

ηλεκτρόνια

στο Sn4+ γιατί στην 4d υποστοιβάδα υπάρχουν πέντε

τροχιακά με δύο ηλεκτρόνια το καθένα

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

53

δ. Το ιόν του ινδίου είναι ισοηλεκτρονικό με το Sn4+ δηλαδή έχει ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων. Το Sn4+ έχει 50-4 = 46 ηλεκτρόνια. Επομένως το In πρέπει να αποβάλλει 3 ηλεκτρόνια ώστε τελικά να έχει 49-3 =46. Επομένως το ιόν που θα σχηματισθεί είναι το In3+.

4. Ποιοι κβαντικοί αριθμοί περιγράφουν τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας του ατόμου του 7Ν στη θεμελιώδη κατάσταση; Λύση Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του αζώτου είναι: 7Ν:

1s2 2s2 2ρ3. Τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας είναι εκείνα με το μεγαλύτερο κύριο

κβαντικό αριθμό, δηλαδή n=2. Οι τετράδες των κβαντικών αριθμών που περιγράφουν τα πέντε ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας είναι: (2,0,0,+1/2), (2,0,0,-1/2), (2,1,-1,+1/2), (2,1,0,+1/2), (2,1,1,+ 1/2) 5. Να εξηγήσετε γιατί οι παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές ατόμων, στη θεμελιώδη κατάσταση, είναι λανθασμένες. a. 1s2 2s2 2ρ6 3s2 3ρ6 3d1 β. 1s2 2s3 2ρ2 Λύση α. Η παραπάνω ηλεκτρονιακή δομή έρχεται σε αντίθεση με την αρχή της ελάχιστης ενέργειας, γιατί η uποστιβάδα 4s έχει χαμηλότερη ενέργεια από την uποστιβάδα 3d και πρέπει να συμπληρωθεί πρώτη. Συνεπώς η σωστή ηλεκτρονιακή δομή είναι: 1s2 2s2 2ρ6 3s2 3ρ6 4s1 . β. Η παραπάνω ηλεκτρονιακή δομή έρχεται σε αντίθεση με την απαγορευτική αρχή του Pauli, γιατί δύο από τα τρία ηλεκτρόνια της 2s υποστιβάδας θα έχουν την ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών. Η σωστή ηλεκτρονιακή δομή είναι 1s2 2s2 2ρ3 6. Ποιες από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές ατόμων αντιστοιχούν σε διεγερμένη κατάσταση; α. 1s2 2s1 2ρ1 β. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2

54

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Λύση Για να μπορέσουμε να διακρίνουμε αν μία ηλεκτρονιακή δομή αντιστοιχεί σε θεμελιώδη ή διεγερμένη κατάσταση, πρέπει να εξετάσουμε αν ακολουθείται η σειρά διαδοχής των υποστιβάδων με βάση την αρχή της ελάχιστης ενέργειας (δηλαδή με βάση το μνημονικό κανόνα) και εάν σε κάθε υποστιβάδα (εκτός της τελευταίας) τοποθετήθηκε ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων. Αυτό γίνεται ως εξής: i) Υπολογίζουμε το συνολικό αριθμό ηλεκτρονίων του ατόμου. ii) Γράφουμε την ηλεκτρονιακή του δομή, σύμφωνα με τις αρχές δόμησης. iii) Συγκρίνουμε τις δύο δομές. α. Αριθμός ηλεκτρονίων: 4 Ηλεκτρονιακή δομή θεμελιώδους κατάστασης: 1s2 2s2 Συγκρίνοντας τις δύο δομές παρατηρούμε ότι έχουμε διεγερμένη κατάσταση, αφού ένα ηλεκτρόνιο της υποστιβάδας 2s έχει μεταπηδήσει στην υποστιβάδα 2ρ. β. Έχουμε θεμελιώδη κατάσταση, αφού η υποστιβάδα 4s συμπληρώνεται πριν την τοποθέτηση ηλεκτρονίων στην υποστιβάδα 3d.

7. Η εξωτερική στιβάδα για το άτομο ενός στοιχείου στη θεμελιώδη κατάσταση είναι η Ο και περιέχει τρία ηλεκτρόνια. Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου και ποιος ο ατομικός αριθμός του στοιχείου; Λύση Αφού η εξωτερική στιβάδα είναι η Ο, ο μέγιστος κύριος κβαντικός αριθμός για το άτομο αυτό είναι n=5. Τα τρία ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας, θα τοποθετηθούν σε υποστιβάδες με n=5. Άρα η εξωτερική στιβάδα του ατόμου θα έχει τη δομή: 5s2 5ρ1. Ακολουθώντας το μνημονικό κανόνα της ηλεκτρονιακής δόμησης, θα έχουμε την παρακάτω ηλεκτρονιακή δομή για τη θεμελιώδη κατάσταση του ατόμου του στοιχείου: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p1 Αθροίζοντας τα ηλεκτρόνια συμπεραίνουμε ότι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου είναι Ζ=49 (γιατί ο ατομικός αριθμός δηλαδή ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων στα αφόρτιστα άτομα των στοιχείων).

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

55

8. Το άτομο ενός στοιχείου στη θεμελιώδη κατάσταση έχει 2 μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα L. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου; Λύση Η στιβάδα L (n=2) έχει δύο υποστιβάδες, τη 2s και τη 2ρ. Επειδή η υποστιβάδα 2s έχει ένα τροχιακό, δεν μπορεί παρά να διαθέτει ένα μόνο μονήρες ηλεκτρόνιο. Άρα τα 2 μονήρη ηλεκτρόνια, θα βρίσκονται στην υποστιβάδα 2ρ. Με βάση τον κανόνα του Hund σι πιθανές ηλεκτρονιακές δομές είναι:

1s2

2s2

2p2 συνεπώς Ζ=6

1s2

2s2

2p4 συνεπώς Ζ=8

Προσοχή: Όταν γνωρίζουμε τον αριθμό των μονήρων ηλεκτρονίων διακρίνουμε δύο περιπτώσεις: α. Τα υπόλοιπα τροχιακά κενά. β. Τα υπόλοιπα τροχιακά συμπληρωμένα.

9. Ποιος είναι ο ελάχιστος ατομικός αριθμός στοιχείου, το άτομο του οποίου στη θεμελιώδη κατάσταση περιέχει: α. πέντε ηλεκτρόνια σε s τροχιακά, β. δύο ηλεκτρόνια σε d τροχιακά, γ. ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε d υποστιβάδα. Λύση α. Τοποθετούμε ηλεκτρόνια σύμφωνα με τις αρχές ηλεκτρονιακής δόμησης, μέχρι το άτομο να αποκτήσει στα s τροχιακά 5 ηλεκτρόνια.

1s22s22p63s1 Άρα ο ατομικός αριθμός του στοιχείου είναι Ζ=11. β. Τοποθετούμε ηλεκτρόνια σύμφωνα με τις αρχές ηλεκτρονιακής δόμησης, μέχρι το άτομο να αποκτήσει στα d τροχιακά 2 ηλεκτρόνια.

1s22s22p63s23p63d24s2 Άρα ο ατομικός αριθμός του στοιχείου είναι Ζ=22.

56

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

γ. Αφού ζητείται ο ελάχιστος ατομικός αριθμός του στοιχείου με ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε d υποστιβάδα, αυτά θα βρίσκονται στην 3d υποστιβάδα. Όμως, σύμφωνα με τον κανόνα του Hund, πρώτα θα τοποθετήσουμε ένα μονήρες ηλεκτρόνιο σε καθένα από τα πέντε τροχιακά της 3d υποστιβάδας και στη συνέχεια θα εισάγουμε σε κάποιο από αυτά τα τροχιακά ηλεκτρόνιο με αντίθετο spin. Συνεπώς η δομή είναι3d6

Άρα η ηλεκτρονιακή δομή του στοιχείου είναι η εξής: 1s22s22p63s23p63d64s2 Και ο ατομικός αριθμός του Ζ=26.

10. Να γραφούν οι ηλεκτρονιακές δομές των ιόντων: 13Αl3+ , 16S2-, 22Τi2+ Λύση α. Αρχικά γράφουμε την ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου στη Θεμελιώδη κατάσταση.

1s22s22p63s23p1

13Αl:

+

Επειδή το Αl3 είναι κατιόν, θα έχει τρία ηλεκτρόνια λιγότερα (όσα δηλαδή το φορτίο του) απ’ ότι το αντίστοιχο άτομο. Η ηλεκτρονιακή δομή του κατιόντος προκύπτει

εάν αφαιρέσουμε τα τρία

ηλεκτρόνια από τις υποστιβάδες του ατόμου με την υψηλότερη ενέργεια.

13Αl

3+

: 1s22s22p6

β. Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 16S:

1s22s22p63s23p4

Επειδή το

16S

2-

είναι ανιόν, θα έχει δύο ηλεκτρόνια περισσότερα (όσα δηλαδή το φορτίο του) απ’ ότι

το αντίστοιχο άτομο. Η ηλεκτρονιακή δομή του ιόντος είναι: 16S

2-

: 1s22s22p63s23p6

γ. Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 22Τι:

1s22s22p63s23p63d24s2

Επειδή το Τi2+ είναι κατιόν θα έχει δύο ηλεκτρόνια λιγότερα (όσα δηλαδή το φορτίο του) απ’ ότι το αντίστοιχο άτομο. Η ηλεκτρονιακή δομή του κατιόντος είναι: Τi2+ : 1s22s22p63s23p63d2

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

57

Παρατηρούμε ότι τα δύο ηλεκτρόνια αφαιρέθηκαν από την υποστιβάδα 4s, που έχει, μετά την κατανομή των ηλεκτρονίων, τη μεγαλύτερη ενέργεια.

Προσοχή: Για την εύρεση της ηλεκτρονιακής δομής ενός κατιόντος πρέπει απαραίτητα να γραφεί πρώτα η ηλεκτρονιακή δομή του αντίστοιχου ουδέτερου ατόμου και ακολούθως να αφαιρεθούν ηλεκτρόνια, ίσα με το θετικό φορτίο του ιόντος, από την υποστιβάδα με τη μεγαλύτερη πλέον ενέργεια. Για την εύρεση της ηλεκτρονιακής δομής ενός ανιόντος κατανέμουμε το συνολικό αριθμό των ηλεκτρονίων του ανιόντος σύμφωνα με τις αρχές της ηλεκτρονιακής δόμησης.

+

+

11. Να γραφεί η ηλεκτρονιακή δομή σε υποστιβάδες των ιόντων Fe2 και Fe3 . Ποιο από τα δύο κατιόντα είναι σταθερότερο; Δίνεται: ZFe =26. Λύση Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του Fe στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 26Fe:

1s22s22p63s23p63d64s2

Οι ηλεκτρονιακές δομές των κατιόντων είναι: i) Fe2+: 1s22s22p63s23p63d6 ii) Fe3+: 1s22s22p63s23p63d5 Σταθερότερο είναι το ιόν Fe3+ γιατί έχει ημισυμπληρωμένη d υποστιβάδα.

12. Οι κβαντικοί αριθμοί τεσσάρων ηλεκτρονίων που ανήκουν στο ίδιο άτομο είναι: α. n=4, ℓ =0, mℓ =0, ms=+1/2 β. n=3, ℓ =2, mℓ =1, ms=+1/2 γ. n=3, ℓ =2, mℓ = -2, ms=-1/2 δ. n=3, ℓ =1, mℓ =1, ms=-1/2 Να διατάξετε τα ηλεκτρόνια κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας. Λύση Με βάση τον κύριο κβαντικό αριθμό (n) και το δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό (ℓ) προσδιορίζουμε σε ποια υποστιβάδα ανήκει καθένα από τα ηλεκτρόνια. α. n=4, ℓ =0 άρα 4s

58

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

β. n=3, ℓ =2 άρα 3d γ. n=3, ℓ =2 άρα 3d δ. n=3, ℓ =1 άρα 3p Αφού πρέπει να συγκρίνουμε την ενέργεια ηλεκτρονίων συμπεραίνουμε ότι αυτά έχουν τοποθετηθεί στις υποστιβάδες. Η ενέργεια των υποστιβάδων στις οποίες έχουν τοποθετηθεί ηλεκτρόνια αυξάνεται σύμφωνα με την παρακάτω σειρά: 3ρ < 3d < 4s Συνεπώς τα ηλεκτρόνια διατάσσονται κατά αυξανόμενη ενέργεια ως εξής: δ<β=γ<α Προσοχή: Η ενεργειακή σειρά κενών υποστιβάδων ή τροχιακών καθορίζεται από το άθροισμα n + ℓ . Μικρό άθροισμα n + ℓ σημαίνει μικρή ενέργεια. Για το ίδιο άθροισμα μικρότερη ενέργεια παρουσιάζει η υποστιβάδα ή το τροχιακό με μικρότερο n. Για υποστιβάδες ή τροχιακά που έχουν ηλεκτρόνια, ή για ηλεκτρόνια, η ενεργειακή σειρά καθορίζεται από το n. Μικρό n σημαίνει μικρότερη ενέργεια. Για ίδιο n, η ενεργειακή σειρά καθορίζεται από το ℓ. Μικρό ℓ

σημαίνει

μικρότερη ενέργεια.

13. Ποιες από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές αντιστοιχούν σε: α. θεμελιώδη κατάσταση ατόμου, β. διεγερμένη κατάσταση ατόμου, γ. δομή ιόντος; i. 17Cℓ: 1s22s22p63s23p4 4s1 ii. 9F: 1s22s22p6 iii. 28Νi: 1s22s22p63s23p63d84s2 iν. 21Sc: 1s22s22p63s23p6 Λύση

Μεθοδολογία Για να διαπιστώσουμε εάν ένα σωματίδιο είναι άτομο (το οποίο βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση ή σε διεγερμένη κατάσταση) ή είναι ιόν, ακολουθούμε την εξής διαδικασία: Υπολογίζουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων που έχουν τοποθετηθεί στις υποστιβάδες του σωματιδίου και το συγκρίνουμε με τον αριθμό των πρωτονίων του πυρήνα του σωματιδίου. Αν ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι διαφορετικός από τον αριθμό των πρωτονίων, συμπεραίνουμε ότι το σωματίδιο είναι ιόν.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

59

Αν ο αριθμός των ηλεκτρονίων ισούται με τον αριθμό των πρωτονίων συμπεραίνουμε ότι το σωματίδιο είναι ουδέτερο άτομο. Σε περίπτωση που η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου ακολουθεί το μνημονικό κανόνα, συμπεραίνουμε ότι το άτομο βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση. Σε περίπτωση που η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου δεν ακολουθεί το μνημονικό κανόνα (δηλαδή έχουν τοποθετηθεί ηλεκτρόνια σε μια υποστιβάδα με μεγαλύτερη ενέργεια και ταυτόχρονα έχουμε τοποθετήσει λιγότερα ηλεκτρόνια από το μέγιστο αριθμό σε κάποιες από τις προηγούμενες υποστιβάδες), συμπεραίνουμε ότι το άτομο βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση.

i. 17Cℓ: 1s22s22p63s23p4 4s1 : ουδέτερο άτομο σε διεγερμένη κατάσταση. Η ηλεκτρονιακή δομή του παραπάνω σωματιδίου έχει 17 ηλεκτρόνια όσα δηλαδή και τα πρωτόνια του πυρήνα (Ζ=17). Συνεπώς το παραπάνω σωματίδιο είναι ουδέτερο άτομο. Όμως ένα ηλεκτρόνιο της υποστιβάδας 3ρ έχει μεταπηδήσει σε υποστιβάδα υψηλότερης ενέργειας (4s). Συνεπώς το άτομο βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση. Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του χλωρίου στη θεμελιώδη κατάσταση είναι:

17Cl:

1s22s22p63s23p5. ii. 9F: 1s22s22p6: ανιόν με φορτίο -1, στη θεμελιώδη κατάσταση. Η ηλεκτρονιακή δομή του παραπάνω σωματιδίου έχει 10 ηλεκτρόνια, ενώ ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα είναι 9 (Ζ=9). Συνεπώς το παραπάνω σωματίδιο αντιστοιχεί στο ανιόν F1-, στη θεμελιώδη κατάσταση. iii.

28Νi:

1s22s22p63s23p63d84s2: ουδέτερο άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση. Η ηλεκτρονιακή δομή

του παραπάνω σωματιδίου έχει 28 ηλεκτρόνια όσα δηλαδή και τα πρωτόνια του πυρήνα (Ζ=28). Συνεπώς το παραπάνω σωματίδιο είναι ουδέτερο άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση, αφού η ηλεκτρονιακή του δομή υπακούει στο μνημονικό κανόνα. iν.

21Sc:

1s22s22p63s23p6: κατιόν με φορτίο +3, στη θεμελιώδη κατάσταση. Η ηλεκτρονιακή δομή του

παραπάνω σωματιδίου έχει 18 ηλεκτρόνια, ενώ ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα είναι 21 (Ζ=21). Συνεπώς το παραπάνω σωματίδιο αντιστοιχεί στο κατιόν Sc3+ στη θεμελιώδη κατάσταση.

60

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

14. Ποιες από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές παραβιάζουν την απαγορευτική αρχή του Pauli και ποιες τον κανόνα του Hund; Κάθε τροχιακό παριστάνεται με τετράγωνο πλαίσιο.

P

P

P

d

d

d

Λύση α. Υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια με την ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών, spin (+1/2) στο ίδιο τροχιακό, οπότε παραβιάζουν την απαγορευτική αρχή του Pauli β. Παραβιάζεται ο κανόνας

του Hund. Θα έπρεπε στα δύο

ημισυμπληρωμένα τροχιακά τα

ηλεκτρόνια να έχουν ms=+1/2 ( ). γ. Η δομή είναι σύμφωνη με την απαγορευτική αρχή του Pauli και τον κανόνα του Hund. δ. Παραβιάζεται ο κανόνας του Hund. Θα έπρεπε όλα τα τροχιακά να ήταν ημισυμπληρωμένα και τα ηλεκτρόνια να έχουν ms=+1/2 ( ). ε. Παραβιάζεται ο κανόνας του Hund. Θα έπρεπε και στα τέσσερα

ημισυμπληρωμένα τροχιακά τα

ηλεκτρόνια να έχουν ms=+1/2 ( ). στ. Υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια με την ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών spin (-1/2) στο ίδιο τροχιακό, οπότε παραβιάζουν την απαγορευτική αρχή του Pauli

15. Να βρείτε το μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων, σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο, τα οποία περιγράφονται από τους παρακάτω κβαντικούς αριθμούς. α. n=4

β. η=3, ℓ =2

γ. η=3, ℓ =1, mℓ = -1

δ. n=3, mℓ =0

ε. n=2, ms= +1/2

στ. n=2, ℓ =2

ζ. n=3, ℓ =2, mℓ =2,

η. n=3, ℓ =1, mℓ =-1,

ms=+1/2

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

61

Λύση Υπενθυμίζουμε ότι: μια στιβάδα έχει η υποστιβάδες μια στιβάδα έχει n2 τροχιακά μια στιβάδα έχει το πολύ 2 n2 ηλεκτρόνια μια υποστιβάδα έχει (2 ℓ +1) τροχιακά μια υποστιβάδα έχει το πολύ 2(2 ℓ +1) ηλεκτρόνια ένα τροχιακό έχει το πολύ 2 ηλεκτρόνια α. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων για μια στιβάδα δίνεται από τον τύπο 2n2. Άρα για τη στιβάδα Ν, με κύριο κβαντικό αριθμό n=4, ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων θα είναι: 2 42 = 32 . β. Οι κβαντικοί αριθμοί n=3, ℓ =2 περιγράφουν την 3d υποστιβάδα. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων κάθε d υποστιβάδας είναι 10, όπως προκύπτει από τον τύπο 2 (2 ℓ +1). γ. Οι κβαντικοί αριθμοί n=3, ℓ =1, mℓ = -1 περιγράφουν το τροχιακό 3py. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων κάθε τροχιακού είναι 2. δ. Τα τροχιακά που αντιστοιχούν σε κύριο κβαντικό αριθμό n είναι n2. Άρα για n=3 έχουμε 9 τροχιακά. n

ℓ

mℓ

0

0 -1

1

0 +1 -2 -1

3

2

0 +1 +2

Από το παραπάνω πίνακα παρατηρούμε ότι υπάρχουν τρία τροχιακά με n=3 και mℓ =0. Άρα ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων που περιέχεται σ’ αυτά τα τροχιακά είναι 6.

62

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ε. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων για τη στιβάδα με n=2, είναι 8. Από αυτά τα μισά έχουν ms=+1/2 και τα υπόλοιπα ms=-1/2. Άρα ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων με n=2 και ms=-1/2 είναι 4 στ. Όπως γνωρίζουμε για δεδομένη τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού n, η μέγιστη τιμή του δευτερεύοντα κβαντικού αριθμού είναι ℓ =n-1. Συνεπώς ηλεκτρόνια με κβαντικούς αριθμούς n=2 και l=2 δεν μπορούν να υπάρχουν. ζ. Όπως γνωρίζουμε για δεδομένη τιμή του δευτερεύοντα κβαντικού αριθμού ℓ =1, o μαγνητικός κβαντικός αριθμός mℓ παίρνει μόνο τις τιμές: -1, 0, +1. Συνεπώς ηλεκτρόνια με τέτοιους κβαντικούς αριθμούς δεν υπάρχουν. η. Γνωρίζουμε ότι μια τετράδα κβαντικών αριθμών n, ℓ, mℓ και ms περιγράφει ένα ηλεκτρόνιο ( αρχή του Pauli).

Ασκήσεις προς λύση 1. Ποιος είναι ο ελάχιστος ατομικός αριθμός στοιχείου με άτομα που έχουν: α. 4 ηλεκτρόνια σε s τροχιακό. β. 4 ηλεκτρόνια σε p τροχιακό.

2. Δώσε την τετράδα των κβαντικών αριθμών του ηλεκτρονίου της εξωτερικής στιβάδας ατόμου νατρίου (11Νa) στη θεμελιώδη κατάσταση ενέργειας.

3. Ποια από τα παρακάτω σύνολα κβαντικών αριθμών της μορφής (n, mℓ, ms) δεν είναι επιτρεπτά και γιατί; α. (2, 1, -2, ε. (1, 0, 0,

1 ) 2 1 ) 2

β. (3, 0, 1, στ. (2, 1, 0,

1 ) 2

γ. (2, 2, 2,

1 ) 2

δ. (3, 2, 1, 0)

1 ) 2

4. Ένα άτομο Si (Z = 14) έχει ολικό αριθμό p ηλεκτρονίων: α. 2

β. 4

γ. 6

δ. 8

ε. 20

5. Ποια από τα παρακάτω σύνολα κβαντικών αριθμών είναι επιτρεπτά;

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

63

n

ℓ

mℓ

1

2

1

0

1 2

2

3

0

+1

1 2

3

1

1

0

1 2

4

2

1

0

5

3

2

-2

ms

0

1 2

6. Να δοθούν οι τιμές όλων των κβαντικών αριθμών για τα παρακάτω ηλεκτρόνια: α. του 13ου στη θεμελιώδη κατάσταση του Aℓ.

β. του 15ου στη θεμελιώδη κατάσταση του P.

γ. του 26ου στη θεμελιώδη κατάσταση του Fe.

δ. του 36ου στη θεμελιώδη κατάσταση του Kr.

ε. του 63ου στη θεμελιώδη κατάσταση του Eu.

7. Πόσα d ηλεκτρόνια, πόσα ηλεκτρόνια με ℓ = 1 και πόσα μονήρη ηλεκτρόνια υπάρχουν στα άτομα που έχουν τους παρακάτω ατομικούς αριθμούς: α. Ζ = 15

β. Ζ = 26

γ. Ζ = 32

8. α. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή σε υποστιβάδες και σε στιβάδες για τα επόμενα άτομα στη θεμελιώδη κατάσταση: 3Li,

4Be,

8O,

13Aℓ

,

17Cℓ,

20Ca,

22Ti,

25Mn,

32Ge,

38Sr,

40Zr,

47Ag,

51Sb,

56Ba,

60Nd,

63Eu,

71Lu, 79Au, 83Bi, 87Fr, 95Am

β. Πόσα ηλεκτρόνια έχει η εξωτερική στιβάδα και πόσα μονήρη ηλεκτρόνια έχει το καθένα από τα άτομα αυτά;

9. α. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή σε υποστιβάδες και σε στιβάδες για τα επόμενα ιόντα στη θεμελιώδη κατάσταση: 1Η

-

64

, 2Ηe2+, 6C-, 8O2-, 9F-,

16S

2-

,

+

19K

,

22Ti

2+

,

28Ni

2+

,

2+ 22+ 2+ 2+ 30Zn , 34Se , 50Sn , 53I , 56Ba , 63Eu

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

β. Πόσα ηλεκτρόνια έχει η εξωτερική στιβάδα και πόσα μονήρη ηλεκτρόνια έχει το καθένα από τα ιόντα αυτά;

10. Να γράψετε τους κβαντικούς αριθμούς των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας για τα επόμενα άτομα στη θεμελιώδη κατάσταση: α. 10Ne

β. 15P

γ. 19Κ

δ. 25Mn

11. Ποιες από τις επόμενες ηλεκτρονιακές δομές παραβιάζουν την απαγορευτική αρχή του Pauli; α. 1s22s22p53s3

β. 1s22s22p63s23p44s1

δ. 1s22s22p63s23p63d5

γ. 1s22s22p7

ε. 1s22s22p63s23p63d114s2

στ. K(2) L(8) M (12) N (4)

ζ.

↑↓

↑↓

1s

η.

↑

2s

↑

↑

2s

↑

↑

2p

↑↓

1s

↑

2p

↑↓ 1s

θ.

↑↑

↓

2s

2p

12. Ποιες από τις επόμενες ηλεκτρονιακές δομές παραβιάζουν τον κανόνα του Hund; α.

β.

1s

2s

↑↑

↑

1s

2s

↑↑

↑

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

2p ↑

↑

↑↓

2p ↓

↑

↑

65

γ.

δ.

ε.

1s

2s

↑↑

↑

1s

2s

↑↓

↑↓

1s

2s

↑

↑↓

στ.

1s

2s

↑↓

↓

ζ. 1s2 2s2 2 px2 2 p1y

↑

2p ↑↓

↑

2p ↑

↑

↑↓

2p ↓ η. 1s 2 2s 2 2 p1x 2 py2 2 p1z

θ.

η.

2p

1s

2s

↑↓

↓

1s

2s

↑↓

↑↑

2p ↑

↑

2p ↑

↑↓

↑

13. Ποιες από τις επόμενες ηλεκτρονιακές δομές ατόμων στη θεμελιώδη κατάσταση είναι λανθασμένες; α. 1s22s12p2

γ. 1s22s22p63s33p1

β. 1s2 2s2 2 p1x 2 p1y

δ. [ Ne]3s 2 3 px2 3 p1y 3 p1z

ε. [Ar]3d74s2

στ.

ζ.

1s

2s

2p

1s

2s

2p

14. Δίνονται οι κβαντικοί αριθμοί (n, ℓ, mℓ, ms) έξι ηλεκτρονίων ενός πολυηλεκτρονιακού ατόμου: α. (3, 1, -1,

1 ) 2

β. (3, 2, +1,

1 ) 2

ε. (3, 1, +1,

1 ) 2

στ. (5, 0, 0,

1 ) 2

66

γ. (4, 0, 0,

1 ) 2

δ. (4, 1, 0,

1 ) 2

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Να διατάξετε τα ηλεκτρόνια αυτά κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας.

15. Ποιες από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές αντιστοιχούν σε: i) θεμελιώδη κατάσταση ατόμου;

ii) διεγερμένη κατάσταση ατόμου;

α. 12Mg: 1s22s22p6

β. 9F: 1s22s22p5

δ. 10Νe: 1s22s22p53s1

ε. 15P: 1s22s22p63s13p3

γ. 11Na: 1s22s22p6 στ. 17Cℓ: 1s22s22p63s23p6

ζ.

22Ti:

1s22s22p63s23p63d4

η. 24Cr: 1s22s22p63s23p63d3

ι.

29Cu:

1s22s22p63s23p63d10

ια.

35Br:

iii) δομή ιόντος;

θ. 33As: 1s22s22p63s23p63d104s2

[Ar]3d104s24p5

16. Να υπολογίσετε τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση τα οποία χαρακτηρίζονται με κβαντικούς αριθμούς: α. n = 3

β. n = 4 και ℓ = 1

ε. n = 3 και ℓ = 3

στ. n = 2 και ms =

θ. ℓ = 0 και ms =

1 2

ιβ. n = 5, ℓ = 2 και mℓ = +3

γ. n = 5 και ℓ = 3

1 2

ζ. n = 3 και mℓ = -1

ι. n = 4 και mℓ = +1 ιγ. n = 4, ℓ = 2 και ms =

δ. n = 2 και mℓ = 0 η. n = 5 και ℓ = 0

ια. n = 4, ℓ = 1 και mℓ = -1

1 2

ιδ. n = 3, ℓ = 1, mℓ = -1 και ms =

1 2

ιε. n = 4, ℓ = 2 και mℓ = 0

17. Ποιος είναι ο ελάχιστος ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείου, το άτομο του οποίου στη θεμελιώδη κατάσταση έχει: α. πέντε ηλεκτρόνια σε τροχιακά s;

β. δύο ηλεκτρόνια σε τροχιακά p;

γ. συμπληρωμένη τη στιβάδα L;

δ. δύο ηλεκτρόνια σε τροχιακά με ℓ = 2;

ε. τρία μονήρη ηλεκτρόνια; ζ. ημισυμπληρωμένη d υποστιβάδα;

στ. τρία ηλεκτρόνια σε τροχιακά με ℓ = 3; θ. συμπληρωμένη πλήρως τη στιβάδα Ν;

18. Να υπολογίσετε τους δυνατούς ατομικούς αριθμούς των χημικών στοιχείων, τα άτομα των οποίων στη θεμελιώδη κατάσταση διαθέτουν: α. 1 μονήρες ηλεκτρόνιο στη στιβάδα L.

β. 2 μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα Μ.

γ. 3 μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα L.

δ. 7 μονήρη ηλεκτρόνια και έχει ατομικό αριθμό Ζ < 80.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

67

ε. 1 μονήρες ηλεκτρόνιο στη στιβάδα Μ.

19. Για το άτομο ενός χημικού στοιχείου Χ στη θεμελιώδη κατάσταση γνωρίζουμε τα έξης: Ι. Έχει ημισυμπληρωμένα τα τροχιακά p της εξωτερικής στιβάδας. ΙΙ. Διαθέτει ηλεκτρόνια που χαρακτηρίζονται με mℓ = 2. α. Ποιος είναι ο ελάχιστος ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείου Χ; β. Πόσα ηλεκτρόνια του ατόμου του χημικού στοιχείου Χ στη θεμελιώδη κατάσταση χαρακτηρίζονται με: i. ℓ = 1;

ii. mℓ = -1;

iii. n = 3 και mℓ = 0;

iv. ms =

1 ; 2

20. Να βρεθεί ο ατομικός αριθμός του στοιχείου Σ, το άτομο του οποίου στη θεμελιώδη κατάσταση διαθέτει τον ίδιο αριθμό μονήρων ηλεκτρονίων και ηλεκτρονιακών ζευγών.

21. Το άτομο του νατρίου εκπέμπει φως στα 389 nm όταν διεγερμένα ηλεκτρόνια μεταπίπτουν από το τροχιακό 4s στο 3s, και 300 nm όταν μεταπίπτουν από τροχιακό 4p στο 3s. Ποια είναι η ενεργειακή διαφορά μεταξύ του 4s και του 4p τροχιακού στο άτομο του Na. Δίνεται h = 6,63·10-34 J·s, c = 3·108 m/s, NA = 6,02·1023. (Απ. 91,5 kJ/mol) 22. Εξηγείστε αν η παρακάτω πρόταση είναι σωστή ή λανθασμένη: Ένα ηλεκτρόνιο σθένους του

16S

στη θεμελιώδη κατάσταση μπορεί να βρίσκεται σε ατομικό τροχιακό

με την εξής τριάδα κβαντικών αριθμών (3, 1, 0).

68

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΘΕΜΑ 1ο 1.Σωστό - Λάθος α. Στα πολυηλεκτρονιακά άτομα οι ενεργειακές στάθμες των υποστιβάδων της ίδιας στιβάδας ταυτίζονται.

(2002/Μον. 1) β. Ο δευτερεύων ή αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός καθορίζει τον προσανατολισμό του ηλεκτρονιακού νέφους.

(2002/Μον. 1) γ. Για το άτομο του οξυγόνου (8Ο), στη θεμελιώδη κατάσταση, η κατανομή των ηλεκτρονίων είναι: 1s2 2s2 2px2 2py2 .

(2003/Μον. 2) δ. Σύμφωνα με την απαγορευτική αρχή του Pauli είναι αδύνατο να υπάρχουν στο ίδιο άτομο δύο ηλεκτρόνια με ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών. (Επαν.Εσπ.2005/Μον. 2) ε. Η ηλεκτρονιακή δόμηση των πολυηλεκτρονιακών ατόμων στη θεμελιώδη κατάσταση γίνεται μόνο με βάση την απαγορευτική αρχή του Pauli. (Επαν. 2006/Μον. 1) ζ. Στο άτομο του υδρογόνου δεν υπάρχει τροχιακό 3p (OΕΦΕ 2005/Μον.1) η. Η υποστιβάδα 5p έχει περισσότερα ατομικά τροχιακά από την υποστοιβάδα 3p (OΕΦΕ 2005/Μον.1) θ. Στο άτομο του υδρογόνου (1Η) η υποστοιβάδα 2s έχει μικρότερη ενέργεια από την υποστοιβάδα 2p. (ΟΕΦΕ 2009/Μον.1) ι. Στο άτομο του υδρογόνου οι υποστοιβάδες 2s και 2p έχουν την ίδια ενέργεια. (ΟΕΦΕ 2008/Μον.1) κ. Η ηλεκτρονιακή δομή 1s 2s 2p 2p 2p δεν είναι σύμφωνη με τον κανόνα του Hund.

2

2

2 x

1 y

0 z

(ΟΕΦΕ 2010/Μον. 1) λ. Η ηλεκτρονιακή δομή του 15P στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 1s 2s 2p 3s2 3p3 (Επαν. 2010/Μον. 1) + μ. Η ενεργειακή ταξινόμηση των υποστιβάδων στο κατιόν 2Ηe είναι 1s < 2s = 2p < 3s = 3p = 3d. (ΟEΦΕ 2012/Μον. 1) 2

2

6

2. Το πλήθος των ατομικών τροχιακών στις στιβάδες L και Μ είναι αντίστοιχα: α. 4 και 9 β. 4 και 10 γ. 8 και 18 δ. 4 και 8.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

(2001/Μον. 5)

69

3. Να αντιστοιχίσετε σε κάθε ηλεκτρονιακή δομή της Στήλης Ι το σωστό σώμα (στοιχείο σε θεμελιώδη ή διεγερμένη κατάσταση, ιόν) της Στήλης ΙΙ, γράφοντας στο τετράδιό σας το γράμμα της Στήλης Ι και δίπλα τον αριθμό της Στήλης ΙΙ.

Στήλη Ι 2

2

Στήλη ΙΙ 6

2

6

α. 1s 2s 2p 3s 3p β. 1s22p1

γ. 1s22s22p63s23p4 δ. 1s22s22p2

1. 3Li

2. 7N+ 3. 14Si

4. 17Cℓ5. 16S (2001/Μον. 4)

4. Η ηλεκτρονιακή δομή (διαμόρφωση) του φθορίου (ατομικός αριθμός = 9), σε θεμελιώδη κατάσταση, είναι: α. 1s2 2s2 2p3 3s2 β. 1s2 2s2 2p4 3s1 γ. 1s2 2s2 2p5 δ. καμιά από τις παραπάνω (Εσπ. 2001/Μον. 4) 5. Η κατανομή των ηλεκτρονίων του ατόμου του οξυγόνου (Z = 8) στη θεμελιώδη κατάσταση παριστάνεται με το συμβολισμό:

1s 2s α. (↑↓) (↑↓) β. (↑↓) (↑↓) γ. (↑↓) ( ↑) δ. ( ↑) ( ↑)

2p (↑↓) (↑↓) ( ) (↑↓) ( ↑) ( ↑) (↑↑) (↑↑) ( ↑) (↑↓) (↑↓) (↑↓)

(2002/Μον. 5)

6. Σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων με κβαντικούς αριθμούς n=2 και ms = - 1/2 είναι: α. οκτώ β. τέσσερα

γ. δύο

δ. ένα

(Ομογ. 2002/Μον. 5)

7. Στο ιόν 26Fe2+ ο αριθμός των ηλεκτρονίων στην υποστιβάδα 3d και στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: α. 2 β. 5 γ. 3 δ. 6 (2003/Μον. 4 - OΕΦΕ 2005/Μον.3) 8. Ποια από τις παρακάτω τετράδες κβαντικών αριθμών (n, ℓ, mℓ, ms) δεν είναι επιτρεπτή για ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο ; α. (4, 2, 2, +1/2) β. (4, 1, 0, - 1/2) γ. (4, 2, 3, +1/2) δ. (4, 3, 2, - 1/2) (2003/Μον. 4) 9. Σε ένα άτομο, ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων που χαρακτηρίζονται από τους κβαντικούς αριθμούς n=2 και mℓ = -1 είναι

70

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

α. 1

β. 2

γ. 4

δ. 6

(Επαν. 2003/Μον. 5)

10. Να αντιστοιχίσετε καθένα από τα στοιχεία της Στήλης Ι με τον αριθμό των ηλεκτρονίων της εξωτερικής τους στιβάδας που αναγράφεται στη Στήλη II. (δύο από τους αριθμούς της Στήλης II περισσεύουν).

Στήλη Ι 1. 7Ν 2. 3Li 3. 8Ο 4. 10Ne

Στήλη II α. 6 β. 1 γ. 8 δ. 2 ε. 3 στ. 5 (Εσπ. 2004/Μον. 6)

11. Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές αντιστοιχεί σε διεγερμένη κατάσταση του ατόμου του φθορίου (9F); α. 1s22s22p6 β. 1s22s22p5 γ. 1s2 2s1 2p6 δ. 1s1 2s1 2p7 (2004/Μον. 5) 12. Σε ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές παραβιάζονται η αρχή του Pauli και ο κανόνας του Hund; 3s 3p α. ( ↑↑) (↑) (↑) (↑) β. (↑↓) (↑) (↑) (↑) γ. (↑↓) (↑) (↑) (↓) δ. (↑↑) (↑) (↑) (↓) (Επαν. 2004/Μον. 5) 13. Η ηλεκτρονιακή δομή που αναφέρεται στη θεμελιώδη κατάσταση του ατόμου του 5Β είναι η: 1s 2s 2p α. (↑↓) (↑↓) (↑) ( ) ( ) β. (↑↓) (↑↑) (↑) ( ) ( ) γ. (↑↓) ( ) (↑↓) (↑) ( ) δ. (↑↓) (↑) (↑) (↑) ( ) (Εσπ.2005/Μον. 4) 14. Ο μέγιστος αριθμός των ηλεκτρονίων που είναι δυνατόν να υπάρχουν σε ένα τροχιακό, είναι: α. 2. β. 14. γ. 10. δ. 6.

(2005/Μον. 5) 15. Από τις παρακάτω υποστιβάδες τη χαμηλότερη ενέργεια έχει η υποστιβάδα: α. 3d. β. 3p. γ. 3s. δ. 4s. (Επαν. Εσπ. 2005/Μον. 5)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

71

16. Ο αριθμός των τροχιακών σε μια f υποστιβάδα είναι: Α. α. 1. β. 3. γ. 5. δ. 7. Β.

α. 6

β. 5

γ. 7

(2006/Μον. 5)

δ. 14

(Επαν. 2005/Μον. 5)

17. Στη θεμελιώδη κατάσταση όλα τα ηλεκτρόνια σθένους ενός στοιχείου ανήκουν στην 3s υποστιβάδα. Το στοιχείο αυτό μπορεί να έχει ατομικό αριθμό: α. 8. β. 10. γ. 12. δ. 13.

(2006/Μον. 5) 18. Στη θεμελιώδη κατάσταση το μοναδικό ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου βρίσκεται στην υποστιβάδα 1s, διότι: α. το άτομο του υδρογόνου διαθέτει μόνο s ατομικά τροχιακά. β. το άτομο του υδρογόνου έχει σφαιρικό σχήμα. γ. η υποστιβάδα 1s χαρακτηρίζεται από την ελάχιστη ενέργεια. δ. τα p τροχιακά του ατόμου του υδρογόνου είναι κατειλημμένα. (Επαν.2006/Μον. 5) 19. Πόσα ηλεκτρόνια στη θεμελιώδη κατάσταση του στοιχείου 18Ar έχουν μαγνητικό κβαντικό αριθμό mℓ = –1 ; α. 6. β. 8.

γ. 4.

20. H ηλεκτρονιακή δομή του α. 1s22s22p63s23p63d5. β. 1s22s22p63s23p63d34s2. γ. 1s22s22p63s23p63d44s1. δ. 1s22s22p63s23p53d44s2.

δ. 2.

2+ 25Μn στη

(2007/Μον. 5) θεμελιώδη κατάσταση είναι:

(2007/Μον. 5)

21. Ποιο από τα παρακάτω ατομικά τροχιακά ενός πολυηλεκτρονιακού ατόμου στη θεμελιώδη κατάσταση έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια; (οι αριθμοί στην παρένθεση αντιστοιχούν στους τρεις πρώτους κβαντικούς αριθμούς). α. (3, 1, 0) β. (3, 2, 0) γ. (3, 0, 1) δ. (4, 0, 0) (Επαν.2007/Μον. 5) 22. Tο ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στιβάδας του Νa (Ζ=11) μπορεί να έχει την εξής τετράδα κβαντικών αριθμών στη θεμελιώδη κατάσταση: α. (3, −1, 0, +1/2). β. (3, 0, 0, +1/2). γ. (3, 1, 1, +1/2). δ. (3, 1, −1, +1/2).

(2008/Μον. 5)

72

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

23. Το άτομο ενός στοιχείου έχει ηλεκτρονιακή δομή: [Ar]3d24s2. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου αυτού; α. 20 β. 21 γ. 22 δ. 23 (Ομογ. 2006/Μον. 5) 24. Ποιο από τα παρακάτω ιόντα δεν έχει ηλεκτρονιακή δομή 1s2 στη θεμελιώδη κατάσταση; α. 1Η

-

+

β. 2He

γ. 3Li

+

+

δ. 4Be2

(Ομογ. 2006/Μον. 5)

25. Ποια από τις επόμενες τετράδες κβαντικών αριθμών (n, ℓ, mℓ, ms) δεν είναι δυνατή; α. (2, 1, 0, +

1 ) 2

β. (3, 1, −1, −

1 ) 2

γ. (2, 2, 0, +

1 1 ) δ. (3, 2, −2, − ) 2 2

(Ομογ. 2008/Μον. 5)

26. Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές ατόμων εκφράζει άτομο σε διεγερμένη κατάσταση; α. 1s22s1 β. 1s22s22p63s1 γ. 1s22s22p6 δ. 1s12s2 (Ομογ. 2008/Μον. 5) 27. Ποια από τις παρακάτω τριάδες των κβαντικών αριθμών (n, ℓ , mℓ) αντιστοιχεί στο ατομικό τροχιακό 3pχ ; α. (3,1,1) β. (3,0,0) γ. (3,2,1) δ. (4,1,1) (Ομογ. 2007/Μον. 5) −

28. Ποιο από τα παρακάτω ιόντα έχει την ίδια ηλεκτρονιακή δομή με το ιόν 17Cℓ στη θεμελιώδη κατάσταση; − + + + α. 9F β. 11Na γ. 19K δ. 20Ca (Ομογ. 2007/Μον. 5) 29. Ποια από τις παρακάτω τετράδες κβαντικών αριθμών (n, ℓ, mℓ, mS) αντιστοιχεί στο ηλεκτρόνιο σθένους του ατόμου 3Li στη θεμελιώδη κατάσταση; α. (2 , 1 , 0 , +1/2) β. (2 , 0 , 0 , +1/2) γ. (2 , 1 , 1 , +1/2) δ. (1 , 0 , 0 , -1/2) (Ομογ. 2004/Μον. 5) 30. Σε ποια από τα παρακάτω άτομα ή ιόντα αντιστοιχεί η ηλεκτρονιακή δομή: 1s22s22p6 ; α. 8Ο

β.

11Νa

γ. 8Ο2-

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

δ.

+

10Νe

(Ομογ. 2004/Μον. 5)

73

31. Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές είναι σύμφωνη με την απαγορευτική αρχή του Pauli; 1s 2s 2p α. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) β. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) γ. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) δ. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (Ομογ. 2003/Μον. 5) 32. Ποιο από τα παρακάτω τροχιακά δεν υπάρχει σε ένα άτομο; α. 5s β. 3p γ. 4f δ. 2d

(Ομογ. 2004/Μον 5)

33. «Είναι αδύνατο να υπάρχουν στο ίδιο άτομο δύο ηλεκτρόνια με ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών (n, ℓ, mℓ, ms)». Η αρχή αυτή διατυπώθηκε από τον: α. Planck. β. Pauli. γ. De Broglie. δ. Hund.

(Εσπ. 2006/Μον. 5)

34. Από τις παρακάτω τετράδες κβαντικών αριθμών (n, ℓ, mℓ, ms) δεν είναι δυνατή : α. (5,0,0,-

1 ) 2

β. (3,2,3,+

1 ) 2

γ. ( 2,1,0,

1 ) 2

δ. ( 3,1, 1,

1 ) 2

(Εσπ. 2009/Μον. 5)

35. Ένα ηλεκτρόνιο που ανήκει σε τροχιακό της 3p υποστιβάδας είναι δυνατόν να έχει την εξής τετράδα κβαντικών αριθμών: α. (3, 0, 0, +1/2) β. (3, 2, -1, -1/2) γ. (3, 3, -1, +1/2) δ. (3, 1, 1, +1/2) (Επαν. 2009/Μον. 5) 36. Σε ποια από τις επόμενες υποστιβάδες μπορούν να τοποθετηθούν περισσότερα ηλεκτρόνια; α. 1p

β. 3d

γ. 5p

δ.2s (OΕΦΕ 2003/Μον.)

37. Από τα επόμενα τροχιακά μικρότερη ενέργεια έχει το: α. 3d

β. 3p

γ. 4s

δ. 4p (OΕΦΕ 2004/Μον.2)

38. Οι παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές, σε θεμελιώδη κατάσταση είναι λανθασμένες. Να αναφέρετε μόνο την αρχή ή τον κανόνα που παραβιάζεται σε κάθε ηλεκτρονιακή δομή. α. 1s22s22p63s23p63d2 β. 1s22s32p2

74

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

γ.

1s ↑↓

δ.

2s ↑↓

2p ↑↓ ↑↓

1s

2s

↑↓

↑↓

2p

↑↓

↑↑

↑

(ΟΕΦΕ 2004/Μον 8) 39. Η κατανομή των ηλεκτρονίων του ατόμου οξυγόνου (Ζ=8) στη θεμελιώδη κατάσταση παριστάνεται με τον συμβολισμό: α.

1s

2s

1s

2s

2p

β.

2p

γ.

1s

2s

2p (ΟΕΦΕ 2005/Μον. 3)

40. Πόσα ηλεκτρόνια μπορούν να υπάρχουν σ’ ένα άτομο, τα οποία να έχουν: α. n=4 , ℓ=3

β. n=5 , ℓ=1 γ. n=5 ℓ=2 , mℓ=3 δ. n=2 , mℓ=0 ε. n=2 , ms=+1/2 (OΕΦΕ 2006/Μον.5)

41. Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές αντιστοιχούν στη θεμελιώδη κατάσταση του ατόμου

25Μn;

α. K(2)L(8)M(8)N(7)

β. K(2)L(8)M(13)N(2)

γ. K(2)L(8)M(15)

δ. K(2)L(8)M(14)N(1). (ΟΕΦΕ 2008/Μον.4)

42. Οι παρακάτω τετράδες κβαντικών αριθμών αντιστοιχούν σε ηλεκτρόνια του ίδιου ατόμου. Ποιο από αυτά έχει την υψηλότερη ενέργεια; α. 2,1, 0,

1 2

β. 3,1, 0,

1 2

γ. 3, 2, 2,

1 2

δ. 4, 0, 0,

1 2 (ΟΕΦΕ 2010/Μον. 5)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

75

43. Στοιχείο Χ βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση. Στο άτομό του το άθροισμα των κβαντικών αριθμών ms των ηλεκτρονίων του ισούται με τρία (3). Ο μικρότερος ατομικός αριθμός που αντιστοιχεί σε τέτοιο στοιχείο είναι ο: α. 7

β. 24

γ. 26

δ. 62 (ΟΕΦΕ 2010/Μον. 5)

44. Ένα ηλεκτρόνιο που ανήκει σε τροχιακό της 2p υποστιβάδας είναι δυνατόν να έχει την εξής τετράδα κβαντικών αριθμών (n, ℓ, mℓ, ms): a.

2,1, 1,

1 1 1 1 . β. 2, 2,1, . γ. 2, 0, 0, . δ. 3,1,1, .

2 2 2 2 (Εσπ. 2010/Μον. 5)

45. Η ηλεκτρονιακή δομή, στη θεμελιώδη κατάσταση, της εξωτερικής στιβάδας του 7Ν είναι: 2s

2px

2py

2pz

α.

↑↓

↑

↑

↓

β.

↑↓

↑

↑

↑

γ.

↑↓

↑

↓

↑

δ.

↑↓

↑↓

↑ (2010/Μον. 5)

46. Ποιος είναι ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων που μπορεί να περιέχει η υποστιβάδα p; α. 3

β. 6

γ. 10

δ. 14 (Ομογ. 2010/Μον. 5)

47. Το στοιχείο που περιέχει στη θεμελιώδη κατάσταση τρία ηλεκτρόνια στην 2p υποστιβάδα έχει ατομικό αριθμό: α. 5

β. 7

γ. 9

δ. 15 (2011/Μον. 5)

48. Πόσα ηλεκτρόνια στο 12Mg έχουν αζιμουθιακό κβαντικό αριθμό ℓ =0;

76

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

α. 4

β. 6

γ. 8

δ. 10 (Επαν. 2011/Μον. 5)

49. Να διατυπώσετε την Απαγορευτική Αρχή του Pauli.

(2012/Μον. 3)

50. Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές για το άτομο που έχει Z=7 παραβιάζει τον κανόνα του Hund; 1s

2s

2px

2py

↑↓

↑↓

↑

↑

↑↓

↑

↑

γ.

↑↓

↑↓

↑

δ.

↑↓

↓

↑

α.

β.

2pz

3s

↑

↓

↓↓

↓

↑

↑

↑↓

↑ (ΟΕΦΕ 2013/Μον. 5)

ΘΕΜΑ 2ο 1. Ποια από τις παρακάτω υποστιβάδες έχει τη χαμηλότερη ενέργεια; α. 2s β. 3s γ. 2p δ. 1s

(Εσπ.2001/Μον. 4) 2+

2. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή, σε υποστιβάδες, του ιόντος 26Fe . Να γράψετε τις τετράδες των κβαντικών αριθμών των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας του ατόμου 26Fe στη θεμελιώδη κατάσταση. (Εσπ. 2002/Μον. 4+4) 3. Να αιτιολογήσετε τις προτάσεις: α. Σε κάθε τροχιακό δεν μπορούμε να έχουμε περισσότερα από 2 ηλεκτρόνια.

(2010/Μον. 2)

β. Ο 30Zn δεν έχει μονήρη ηλεκτρόνια, στη θεμελιώδη κατάσταση.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

77

(Επαν. 2011/Μον. 2) +

+

4. Δίνονται τα άτομα/ιόντα: 12Mg2 , 15P, 19K, 26Fe2 . a. Να γράψετε τις ηλεκτρονιακές δομές τους (κατανομή ηλεκτρονίων σε υποστιβάδες). β. Να γράψετε τον αριθμό των μονήρων ηλεκτρονίων που περιέχει καθένα από τα άτομα/ιόντα: 19K, 26Fe

2+

15P,

.

(2011/Μον. 4+3)

5. Να χαρακτηρίσετε την παρακάτω πρόταση σαν σωστή ή λανθασμένη και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Ένα ηλεκτρόνιο σθένους του ατόμου

34Se

στη θεμελιώδη κατάσταση μπορεί να βρίσκεται σε ατομικό

τροχιακό με τους εξής κβαντικούς αριθμούς: n=4, ℓ=1, mℓ=0.

78

(2012/Μον. 1+2)

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

1.5 ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ - ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕΤΑΠΤΩΣΗΣ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ Είναι: Ένας πίνακας που περιλαμβάνει όλα τα στοιχεία κατά αύξοντα ατομικό αριθμό Στηρίζεται: στο νόμο περιοδικότητας του Moseley «η χημική συμπεριφορά των στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατομικού τους αριθμού» Αποτελείται: Από 7 γραμμές και 18 στήλες και χωρίζεται σε τομείς, περιόδους και ομάδες. ΠΕΡΙΟΔΟΣ Είναι: Η οριζόντια γραμμή του Π.Π. που περιέχει στοιχεία με ίδιο αριθμό ηλεκτρονιακών στοιβάδων. Υπάρχουν 7 περίοδοι (7 γραμμές) . Ο αριθμός της ταυτίζεται με:

Τον αριθμό των στιβάδων που έχουν χρησιμοποιηθεί για τη

ηλεκτρονιακή δόμηση του ατόμου ενός στοιχείου. Για παράδειγμα το άζωτο (7N: 1s2 2s2 2p3 ) ανήκει στη 2η περίοδο επειδή έχει τα ηλεκτρόνια του δομημένα σε δύο στιβάδες. ΟΜΑΔΑ Είναι: Η κατακόρυφη στήλη του Π.Π. που περιέχει στοιχεία με παρόμοιες χημικές ιδιότητες επειδή διαθέτουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων στην εξωτερική στοιβάδα. Υπάρχουν 18 ομάδες, αφού υπάρχουν 18 στήλες, οι οποίες αριθμούνται είτε με αραβικούς αριθμούς (1-18 νέα αρίθμηση κατά IUPAC) είτε με λατινικούς αριθμούς (I έως VIII ευρωπαϊκή παραδοσιακή). Διακρίνονται: Σε κύριες, οι οποίες χαρακτηρίζονται από το λατινικό αριθμό (I έως VIII) και γράμμα Α, και σε δευτερεύουσες οι οποίες χαρακτηρίζονται από το λατινικό αριθμό(I έως VIII) και γράμμα Β. Ο λατινικός αριθμός κύριας ομάδας ταυτίζεται με: Τον αριθμό των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας. Το άζωτο (7N: 1s2 2s2 2p3 ) ανήκει στη VA (ή 15) ομάδα επειδή έχει 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα (n=2) Ονομασίες κυριότερων ομάδων: αλκάλια :

1η ομάδα ή IA ομάδα ( Το υδρογόνο δεν είναι αλκάλιο αλλά ανήκει στην ΙΑ ομάδα).

αλκαλικές γαίες : 2η ομάδα ή IIA ομάδα. αλογόνα :

17η ομάδα ή VIIA ομάδα

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

79

ευγενή αέρια :

18η ομάδα ή VIIIA

ομάδα ή

0 (μηδενική ομάδα). Στην ομάδα αυτή

περιλαμβάνεται το 2Ηe: 1s2 (παρόλο που διαθέτει 2 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα) γιατί εμφανίζει τις ιδιότητες των ευγενών αερίων τα οποία, όπως και το Ηe, έχουν συμπληρωμένη την εξωτερική τους στοιβάδα. Επίσης η IIIΑ ομάδα (13) ονομάζεται ομάδα του βορίου, η ΙVA ομάδα (14) ονομάζεται ομάδα του άνθρακα, η VA ομάδα ονομάζεται ομάδα του αζώτου, και η VIA ομάδα ονομάζεται ομάδα του θείου. ΤΟΜΕΙΣ Είναι: ένα σύνολο στοιχείων των οποίων τα τελευταία τους ηλεκτρόνια έχουν τοποθετηθεί στον ίδιο τύπο υποστιβάδας. Ο περιοδικός πίνακας διαιρείται σε τέσσερις τομείς s, p, d και f. Για παράδειγμα το άζωτο, με ηλεκτρονιακή δομή 1s2 2s2 2p3, ανήκει στον τομέα p, επειδή το τελευταίο του ηλεκτρόνιο έχει τοποθετηθεί στην υποστιβάδα p . ΤΟΜΕΑΣ s Περιλαμβάνει στοιχεία των οποίων τα τελευταία τους ηλεκτρόνια έχουν τοποθετηθεί σε υποστιβάδα s. Επειδή η υποστιβάδα s έχει το πολύ δύο ηλεκτρόνια γι’ αυτό και ο τομέας s έχει δύο κύριες ομάδες, την ΙΑ ( s1 ) και την ΙΙΑ (s2) Προσοχή! Το He ανήκει στην 18η ομάδα αλλά στον τομέα s. ‘Αρα ο τομέας s περιλαμβάνει 14 στοιχεία. ΤΟΜΕΑΣ p Περιλαμβάνει στοιχεία των οποίων τα τελευταία τους ηλεκτρόνια έχουν τοποθετηθεί σε υποστιβάδα

p. Η υποστιβάδα p περιέχει το πολύ έξι ηλεκτρόνια γι’ αυτό και ο τομέας p περιλαμβάνει έξι κύριες ομάδες στοιχείων τις IIIA (p1),

IVA (p2),

(p6). Περιλαμβάνει 36 στοιχεία (6 ομάδες

VA (p3),

VIA (p4), VIIA (p5), και

VIIIA

6 περιόδους).

ΤΟΜΕΑΣ d Περιλαμβάνει τα στοιχεία μετάπτωσης στα οποία το τελευταίο ηλεκτρόνιο, κατά την ηλεκτρονιακή δόμηση των ατόμων τους, τοποθετείται σε υποστιβάδα d. Αποτελείται από 10 ομάδες (δευτερεύουσες), γιατί η υποστιβάδα d χωράει 10 ηλεκτρόνια και τρεις περιόδους. Οι ομάδες ονομάζονται:

80

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

d1

με βάση τους τομείς : με την κλασική αρίθμηση: με τη νέα αρίθμηση:

d2

d3…

ΙΙΙΒ, IVB

VB …

3

4

5

d 10 IIB

… 12

Οι τρεις περίοδοι καθορίζουν τις τρεις σειρές των στοιχείων μετάπτωσης: 1η σειρά:

στοιχεία 4ης περιόδου πληρώνεται η 3d υποστιβάδα (η υποστιβάδα 4s είναι ήδη

συμπληρωμένη γιατί όταν είναι κενή έχει μικρότερη ενέργεια).

2η σειρά:

στοιχεία 5ης περιόδου πληρώνεται η 4d υποστιβάδα, ενώ η 5s είναι συμπληρωμένη.

3η σειρά:

στοιχεία 6ης περιόδου πληρώνεται η 5d υποστιβάδα, ενώ η 6s είναι συμπληρωμένη.

Εμφανίζουν κοινές ιδιότητες:αν και ανήκουν σε διαφορετικές ομάδες του Π.Π. Αυτό συμβαίνει, γιατί δεν έχουν συμπληρωμένη την εσωτερική υποστιβάδα d, ενώ η εξωτερική στιβάδα σε όλα σχεδόν αυτά τα στοιχεία παραμένει με δύο ηλεκτρόνια. Έχουν μεταλλικό χαρακτήρα Σχηματίζουν σύμπλοκα ιόντα. Σχηματίζουν έγχρωμες ενώσεις Έχουν πολλούς αριθμούς οξείδωσης. Υπάρχει η άποψη ότι τα στοιχεία Sc και Zn καταχρηστικά ονομάζονται στοιχεία μετάπτωσης γιατί δεν έχουν πολλούς αριθμούς οξείδωσης και δεν σχηματίζουν έγχρωμες ενώσεις.

Αριθμοί οξείδωσης της 1ης σειράς των στοιχείων μετάπτωσης.

Sc

+3

Ti

+3 +4

V +2 +3 +4 +5

Cr

Mn

+2 +3

+2 +3 +4

+6

+6 +7

Fe +2 +3

Co +2 +3

Ni

Cu

Zn

+2 +3

+1 +2 +3

+2

Έχουν καταλυτική δράση.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

81

Είναι παραμαγνητικά, δηλαδή τα άτομά τους έλκονται από το μαγνητικό πεδίο, γιατί έχουν ένα ή περισσότερα μονήρη ηλεκτρόνια. Προσοχή! Ο χαρακτηρισμός παραμαγνητικά ή διαμαγνητικά αφορά άτομα (ή ιόντα). Όταν δέσμη ατόμων περάσει μέσα από μαγνητικό πεδίο εκτρέπονται προς δύο αντίθετες κατευθύνσεις αν περιέχουν μονήρη ηλεκτρόνια. Για την ερμηνεία του φαινομένου ορίστηκε ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin, τα άτομα αυτά χαρακτηρίζονται ως παραμαγνητικά. Όταν όμως το άτομο περιέχει μόνο ζεύγη ηλεκτρονίων δεν παρατηρείται εκτροπή και χαρακτηρίζεται διαμαγνητικό. Να θυμηθούμε ότι σιδηρομαγνητικά υλικά χαρακτηρίζονται τα υλικά (όχι τα άτομα) από τα οποία κατασκευάζονται οι μαγνήτες και τα οποία έλκουν οι μαγνήτες. Είναι ο Fe, τo Co, το Ni και τα κράματα τους. Ηλεκτρονιακή δομή της 1η σειράς των στοιχείων μετάπτωσης.

Sc: [Ar]

ή [Ar] 3d

1

Ti: [Ar]

ή [Ar] 3d

2

V: [Ar]

ή [Ar] 3d

3

Cr: [Ar]

ή [Ar] 3d

5

Mn: [Ar]

ή [Ar] 3d

5

Fe: [Ar]

ή [Ar] 3d

6

Co: [Ar]

ή [Ar] 3d

7

Ni: [Ar]

ή [Ar] 3d

8

Cu: [Ar] `

ή [Ar] 3d

10

Zn: [Ar]

ή [Ar] 3d

10

3d

4s 4s 4s 4s 4s 4s 4s 4s 4s

2 2 2 1 2 2 2 2 1`

4s

2

4s

Η ηλεκτρονιακή δομή του ευγενούς αερίου Ar:1s2 2s2 2p63s2 3p6 είναι ίδια με την ηλεκτρονική δομή των εσωτερικών στοιβάδων όλων των παραπάνω στοιχείων. Σε όλες τις ηλεκτρονιακές δομές γράφουμε πρώτα την 3d και μετά την 4s, παρόλο που η υποστιβάδα 4s συμπληρώθηκε πρώτη, σύμφωνα με την αρχή ελάχιστης ενέργειας. Αυτό συμβαίνει επειδή μετά την εισαγωγή ηλεκτρονίων στην υποστιβάδα 3d αυτή αποκτά λιγότερη ενέργεια από την 4s . Τα στοιχεία

Cr και Cu

έχουν ιδιόρρυθμη ηλεκτρονιακή

διαμόρφωση λόγω της μεγάλης

σταθερότητας( μικρής ενέργειας) που έχουν τα συμπληρωμένα με 10 ηλεκτρόνια d τροχιακά ( 3d10 ) και τα ημισυμπληρωμένa με 5 ηλεκτρόνια d τροχιακά (3d5). Έτσι η παραπάνω ηλεκτρονιακή δομή του Cr είναι μικρότερης ενέργειας από την (Ar) 3d4 4s2 και προτιμάται. Όμοια προτιμάται η παραπάνω ηλεκτρονική δομή του Cu γιατί έχει μικρότερη ενέργεια από την (Ar) 3d9 4s2.

82

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

83

Προσέξτε: Ο αριθμός όλων των επιπλέον ηλεκτρονίων που διαθέτουν τα άτομα των παραπάνω στοιχείων από τα ηλεκτρόνια που διαθέτει το προηγούμενο ευγενές αέριο (ηλεκτρόνια σθένους), δηλώνει και την ομάδα (σύμφωνα με τη νέα αρίθμηση) που ανήκει το στοιχείο. Για παράδειγμα το στοιχείο Sc έχει τρία περισσότερα ηλεκτρόνια από το Αr και ανήκει στην 3η ομάδα.

Ομάδα

3

4

5

6

7

8

9

10

11

ΙΙΙΒ

ΙVB

VB

VIB

VIIB

VIIIB VIIIB VIIIB IB

12

Νέα αρίθμηση Ομάδα

IIB

Λατινική αρίθμηση Ηλεκτρονιακή (s2)d1 (s2)d2 (s2)d3 (s1)d5 (s2)d5 (s2)d6 Δομή

(s2)d7

(s2)d8

(s1)d10 (s2)d10

d

τροχιακών

ΤΟΜΕΑΣ f Περιλαμβάνει τις λανθανίδες δηλαδή στοιχεία με ατομικούς αριθμούς από 57-71 οι οποίες ανήκουν στην 6η περίοδο, και τις ακτινίδες δηλαδή στοιχεία με ατομικούς αριθμούς από 89-103 οι οποίες ανήκουν στην 7η περίοδο. Οι λανθανίδες και οι ακτινίδες ανήκουν στην 3η ομάδα του Π.Π. Τα παραπάνω συνοψίζονται στο παρακάτω πίνακα:

Ο αριθμός των στιβάδων καθορίζει τον αριθμό της περιόδου s

p

d

f

ns1, ή ns2

ns2, npx

ns2, (n-l)dx

ns2, (n-2)fx

Αριθμός ομάδων

2

6

10

1

Ομάδες

ΙΑ και ΙΙΑ

ΙΙΙΑ

ή 1η και 2η

VΙΙΙΑ ή 13η

VIIIB

περιοδικού

έως 18η

ή 3η έως 12η

πίνακα

Τομείς Ηλεκτρονιακή δομή εξωτερικής στοιβάδας

84

έως

IB

έως

Παράρτημα

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ΠΕΡΙΟΔΙΚΗ ΤΑΣΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Κατά μήκος μιας περιόδου ορισμένες ιδιότητες των στοιχείων και των ενώσεων τους μεταβάλλονται προοδευτικά. Όταν αλλάζουμε περίοδο τα στοιχεία ή οι ενώσεις τους που αντιστοιχούν στην ίδια ομάδα έχουν παραπλήσιες ιδιότητες. Αυτή η περιοδικότητα στις φυσικές και χημικές ιδιότητες φαίνεται στους παρακάτω πίνακες.

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΧΛΩΡΙΔΙΩΝ

2η περίοδος

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

μοριακός τύπος

LiCℓ

BeCℓ2

BCℓ3

CCℓ4

NCℓ3

Cℓ2O

FCℓ

-

φυσική κατάσταση

στερεό

στερεό

αέριο

υγρό

υγρό

αέριο

αέριο

-

1350

487

12

77

71

2

-101

-

3η περίοδος

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

μοριακός τύπος

NaCℓ

MgCℓ2

Al2Cℓ6 SiCℓ4

Cℓ2

-

(20 οC) σημείο βρασμού /ºC

φυσική κατάσταση

στερεό

στερεό

στερεό

υγρό

( 20 ºC ) σημείο βρασμού

1465

1418

423

57

PCℓ3

, SCℓ2,

PCℓ5

S2Cℓ2

υγρό,

υγρό,

στερεό

υγρό

74, 164

59, 138

αέριο

-35

-

/ºC

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

85

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΟΞΕΙΔΙΩΝ

2η περίοδος

μοριακός τύπος

χημικός χαρακτήρας φυσική κατάσταση

Li

Be

B

C

N

O

F

Li2O

BeO

B2O3

CO2, CO

N2O, NO…

O2

OF2

βασικός

επαμφ.

όξινος

όξινος

όξινος

-

όξινος

στερεό

στερεό

στερεό

αέριο

αέριο

αέριο

αέριο

Na

Mg

Aℓ

Si

P

S

Cℓ

Ne -

-

( 20 ºC ) 3η περίοδος

Ar -

μοριακός τύπος

Na2O

MgO

Aℓ2O3

SiO2

P4O10 , P4O6

SO2,

Cℓ2O

SO3 χημικός

βασικός

βασικός

επαμφ.

όξινος

όξινος

όξινος

όξινος

χαρακτήρας φυσική

στερεό

στερεό

στερεό

στερεό

κατάσταση

στερεό

αέριο

αέριο

-

(υγρό)

(20 ºC ) Συμπέρασμα: Κατά μήκος μιας περιόδου από αριστερά προς τα δεξιά αυξάνεται ο αμέταλλος χαρακτήρας των στοιχείων και ελαττώνεται ο μεταλλικός. Έτσι από ετεροπολικά χλωρίδια ή οξείδια μεταβαίνουμε σε ομοιοπολικές ενώσεις κατά συνέπεια από στερεές σε υγρές και στη συνέχεια σε αέριες ενώσεις. Ειδικά για τα οξείδια από βασικά μεταβαίνουμε σε επαμφοτερίζοντα και στη συνέχεια σε όξινα. ΟΙ ΔΙΑΦΩΝΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΠΙΝΑΚΑ 1. Έχουν προταθεί δύο διαφορετικά συστήματα αρίθμησης των ομάδων του περιοδικού πίνακα: α) το «Ευρωπαϊκό παραδοσιακό» με λατινικούς αριθμούς από Ι έως VIII και β) το σχετικά πρόσφατα προταθέν από την IUPAC, με αραβικούς αριθμούς από 1 έως 18.

86

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

2. Η δεύτερη διαφωνία αφορά τη θέση του υδρογόνου στον περιοδικό πίνακα. Οι περισσότεροι επιστήμονες τοποθετούν το υδρογόνο στην 1η ομάδα (ΙΑ) μαζί με τα αλκάλια, αφού έχουν ανάλογη ηλεκτρονιακή διαμόρφωση. Ωστόσο, το υδρογόνο είναι αέριο και όχι μέταλλο, συνεπώς η τοποθέτηση του με τα αλκάλια θεωρείται ανάρμοστη. Έτσι, πολλοί επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η σωστή θέση του υδρογόνου είναι έξω από το «κύριο σώμα» του περιοδικού πίνακα, μόνο του, υπό μορφή παραρτήματος (όπως συμβαίνει με τις λαναθανίδες) 3. Η τρίτη διαφωνία αφορά το παράρτημα που βρίσκεται στο κάτω μέρος του περιοδικού πίνακα και αφορά τις λανθανίδες και ακτινίδες. Ορισμένοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η θέση του λανθανίου (La) είναι στο κύριο σώμα του περιοδικού πίνακα (ομάδα 3, περίοδος 6), ενώ άλλοι ότι βρίσκεται στο αριστερό άκρο του παραρτήματος των λανθανίδων. Οι ίδιες αντιρρήσεις διατυπώνονται για και για το ακτίνιο (Ac). Η ίδια ασυμφωνία δυστυχώς επεκτείνεται και στο άλλο άκρο του παραρτήματος (το τελευταίο στοιχείο) των λανθανίδων. Ορισμένοι ερευνητές διατείνονται ότι το στοιχείο λουτέτσιο (Lu) θα πρέπει να αποτελεί το δεξιό άκρο του παραρτήματος των λανθανίδων και ορισμένοι υποστηρίζουν ότι η θέση του είναι στο κύριο σώμα του περιοδικού πίνακα. Το ίδιο ισχύει και για το στοιχείο λωρέντσιο (Lr).

Ερωτήσεις κατανόησης 1. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λάθος. Εξηγείστε την απάντηση σας. α. Το ύτριο με Ζ=39 είναι το πρώτο στοιχείο στον Π.Π. με ένα ηλεκτρόνιο σε υποστοιβάδα f. β. Ο μεγαλύτερος αριθμός ηλεκτρονίων σε ένα d τροχιακό είναι 10. γ. Ο μεγαλύτερος αριθμός ηλεκτρονίων στην στιβάδα Ν είναι 18. δ. Σε κάθε στιβάδα η υποστιβάδα με την μεγαλύτερη ενέργεια είναι η f.

2. Ποιος θα είναι ο μικρότερος ατομικός αριθμός στοιχείου που έχει: α. Τρία d ηλεκτρόνια δ. Τέσσερα s ηλεκτρόνια.

β. Δέκα p ηλεκτρόνια.

γ. Πλήρη d υποστιβάδα.

ε. Ένα f ηλεκτρόνιο.

3. Ποιος θα είναι ο ατομικός αριθμός ενός στοιχείου που βρίσκεται στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα μ’ ένα στοιχείο που έχει ατομικό αριθμό: α. 3

β. 25

γ. 32

δ. 44

ε. 15

4. Στον παρακάτω πίνακα δίνεται η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση πέντε διαφορετικών στοιχείων.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

87

Στοιχείο

Ηλεκτρονιακή δομή

Α

1s22s22p63s23p1

Β

1s22s22p63s23p3

Γ

1s22s22p63s23p63d54s2

Δ

1s22s22p63s23p63d104s24p65s2

Ε

1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6

Να επιλέξετε από τα γράμματα Α έως Ε αυτό που περιγράφει σωστά το καθένα από τα παρακάτω στοιχεία (το γράμμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί μία, περισσότερες ή καμία φορές). α. Ένα ευγενές αέριο.

β. Μια αλκαλική γαία (ομάδα ΙΙΑ).

γ. Ένα στοιχείο του d- τομέα.

δ. Ένα στοιχείο που σχηματίζει ανιόν με φορτίο 3-.

5. Γιατί η τρίτη περίοδος περιέχει οκτώ και όχι δεκαοκτώ στοιχεία; 6. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες: α. Στοιχείο Χ με ατομικό αριθμό 56 σχηματίζει υδρίδιο του τύπου ΧΗ2. β. Στοιχείο Χ με ατομικό αριθμό 55 σχηματίζει οξείδιο του τύπου Χ2Ο. γ. Στοιχείο Χ με ατομικό αριθμό 32 σχηματίζει δύο χλωρίδια με τύπους XCℓ2 και XCℓ4.

7. Η πρώτη σειρά των στοιχείων μετάπτωσης, στα οποία αρχίζει να συμπληρώνεται με ηλεκτρόνια η 3d υποστιβάδα, αρχίζει με τον ατομικό αριθμό. α. 19

β. 21

γ. 11

δ. 13

8. Ένα στοιχείο της 3ης περιόδου έχει δύο μονήρη ηλεκτρόνια. Η ομάδα του Π.Π. στην οποία ανήκει το στοιχείο είναι η: α. 2η

β. 14η

γ. 16η

δ. 14η ή 16η

9. Ο ατομικός αριθμός του δεύτερου αλκαλίου είναι: α. 2

β. 3

γ. 11

δ. 19

10. Το δεύτερο στοιχείο της πρώτης σειράς των στοιχείων μετάπτωσης έχει ατομικό αριθμό: α. 12

β. 21

γ. 22

δ. 40

11. Από τα παρακάτω στοιχεία παραμαγνητικό είναι το: α. 2Ηe

88

β. 4Be

γ. 12Mg

δ. 22Ti

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

12. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. α. Η Τρίτη περίοδος δεν περιλαμβάνει στοιχεία του τομέα d. β. Το ήλιο, με δομή 2He: 1s2 ανήκει στη 2η (ΙΙΑ) ομάδα του Π.Π. γ. Οι λανθανίδες ανήκουν στην 3η (ΙΙΙΒ) ομάδα του Π.Π. δ. η 1η (ΙΑ) ομάδα του Π.Π. περιλαμβάνει επτά αλκάλια. ε. Στα άτομα των στοιχείων της 4ης περιόδου το τελευταίο ηλεκτρόνιο έχει τοποθετηθεί σε τροχιακό με τιμή κύριου κβαντικού αριθμού n=4. στ. Το στοιχείο, του οποίου το άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση έχει ηλεκτρονιακή δομή [Ar] 3d84s2 ανήκει στον τομέα s. ζ. Το κοβάλτιο (27Co) σχηματίζει σύμπλοκα ιόντα. η. Το ανιόν Α- έχει ηλεκτρονιακή δομή 1s22s22p6. Συνεπώς το στοιχείο Α ανήκει στην ομάδα των ευγενών αερίων.

13. Για τα στοιχεία μετάπτωσης ο πιο συνηθισμένος αριθμός οξείδωσης είναι ο +2. Μπορείτε να το εξηγήσετε;

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

89

ΑΣΚΗΣΕΙΣ Α. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΕΤΑΠΤΩΣΗΣ 1. Ποια η ηλεκτρονιακή δομή του

29Cu;

Με βάση την κατανομή αυτή να βρεθεί η ηλεκτρονιακή δομή

των ιόντων Cu+ και Cu2+; Λύση Με βάση τις αρχές δόμησης έχουμε: 29Cu

: 1s22s22p63s23p63d94s2.

Όταν η υποστιβάδα d περιέχει 5 ηλεκτρόνια ή είναι συμπληρωμένη με 10 ηλεκτρόνια τότε το άτομο παρουσιάζει χαμηλότερη ενέργεια, οπότε έχουμε αυξημένη σταθερότητα, οπότε τελικά η κατανομή είναι: 29Cu

:1s22s22p63s23p63d104s1.

Τα ιόντα προκύπτουν αφού αφαιρεθούν ηλεκτρόνια με την μεγαλύτερη ενέργεια. Έτσι η δομή των ιόντων είναι: +

Cu :1s22s22p63s23p63d10. +

Cu2 : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d9.

90

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Β. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΘΕΣΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΣΤΟΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΠΙΝΑΚΑ 2. Να βρεθεί η θέση (περίοδος, τομέας, ομάδα) στον Π.Π. για τα στοιχεία

18Αr, 20Ca, 26Fe,35Βr,

63Ευ, 2Ηe.

Λύσn

Μεθοδολογία Για τον προσδιορισμό της θέσης ενός στοιχείου στον Π.Π., γράφουμε την ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του στη θεμελιώδη κατάσταση. Ο αριθμός των στιβάδων που έχουν χρησιμοποιηθεί για την ηλεκτρονιακή δόμηση του ατόμου του στοιχείου δηλαδή ο μέγιστος κύριος κβαντικός αριθμός (nmax ) καθορίζει την περίοδο του Π.Π., στην οποία βρίσκεται το στοιχείο. Το είδος της υποστιβάδας (s, p. d ή f) στην οποία τοποθετείται το τελευταίο ηλεκτρόνιο, καθορίζει τον τομέα του Π.Π. . Για να προσδιοριστεί η ομάδα του Π.Π. στην οποία βρίσκεται το στοιχείο, ακολουθείται η εξής διαδικασία: Εάν το στοιχείο βρίσκεται σε τομέα s ή p τότε ο αριθμός των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας ταυτίζεται με τον λατινικό αριθμό της κύριας ομάδας (Α). Εάν το στοιχείο βρίσκεται σε τομέα d τότε ο αριθμός όλων των επιπλέον ηλεκτρονίων που διαθέτει παραπάνω από τα ηλεκτρόνια που έχει το προηγούμενο ευγενές αέριο (ηλεκτρόνια σθένους), δηλώνει και την ομάδα (σύμφωνα με τη νέα αρίθμηση με αραβικούς αριθμούς) που ανήκει το στοιχείο. Στα ηλεκτρόνια αυτά δεν προσμετρούνται όσα βρίσκονται σε f τροχιακά. Εάν το στοιχείο βρίσκεται σε τομέα f τότε ανήκει στην 3η ομάδα του Π.Π. (σύμφωνα με τη νέα αρίθμηση με αραβικούς αριθμούς).

18Αr:

1s22s22p63s23p6

nmax = 3 άρα ανήκει στη 3η περίοδο. Τελευταίο ηλεκτρόνιο σε υποστιβάδα p άρα ανήκει στο τομέα p Διαθέτει 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα (και ανήκει στον τομέα p) άρα ανήκει στη VΙΙΙΑ (18η) ομάδα.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

91

20Ca:

1s22s22p63s23p6 4s2

nmax =4 άρα ανήκει στη 4η περίοδο. Τελευταίο ηλεκτρόνιο σε υποστιβάδα s άρα ανήκει στο τομέα s. Διαθέτει 2 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα άρα ανήκει στη ΙΙΑ (2η) ομάδα.

26Fe:

1s22s22p63s23p63d64s2

nmax = 4 άρα ανήκει στη 4η περίοδο. Τελευταίο ηλεκτρόνιο σε υποστιβάδα d άρα ανήκει στο τομέα d. Διαθέτει 8 ηλεκτρόνια επιπλέον σε σχέση με το προηγούμενο ευγενές αέριο (και ανήκει στον τομέα d) άρα ανήκει στη 8η ομάδα.

35Βr:

1s22s22p63s23p63d64s24ρ5

nmax =4 άρα ανήκει στη 4η περίοδο. Τελευταίο ηλεκτρόνιο σε υποστιβάδα p άρα ανήκει στο τομέα p. Διαθέτει 7 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα (και ανήκει στον τομέα p) άρα ανήκει στη VΙΙΑ (17η) ομάδα.

63Ευ:

1s22s22p63s23p63d64s24ρ6 4d10 5s2 5ρ6 6s2 4f7

nmax = 6 άρα ανήκει στη 6η περίοδο. Τελευταίο ηλεκτρόνιο σε υποστιβάδα f άρα ανήκει στο τομέα f. Επειδή το στοιχείο βρίσκεται στο τομέα f ανήκει στη 3η ομάδα.

2Ηe:

1s2

nmax = 1 άρα ανήκει στη 1η περίοδο. Τελευταίο ηλεκτρόνιο σε υποστιβάδα s άρα ανήκει στο τομέα s. Θα περιμέναμε το ήλιο να βρίσκεται στη IIA ομάδα. Όμως βρίσκεται στη VIIIA (18n) ομάδα αφού παρουσιάζει ανάλογες ιδιότητες με τα στοιχεία αυτής της ομάδας (ευγενή αέρια) επειδή έχει συμπληρωμένη την εξωτερική του στιβάδα.

92

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

3. Να βρεθεί η ηλεκτρονιακή δομή και ο ατομικός αριθμός: a. Του στοιχείου που βρίσκεται στην 5η περίοδο και ΙΑ ομάδα β. του στοιχείου που βρίσκεται στη 2η περίοδο και VΙΑ ομάδα γ. του δεύτερου αλογόνου δ. του τέταρτου ευγενούς αερίου ε. του δεύτερου στοιχείου της 7ης ομάδας. Λύση α. Αφού ανήκει στη 5η περίοδο σημαίνει ότι διαθέτει 5 στιβάδες ή nmax = 5 Αφού ανήκει στη ΙΑ ομάδα σημαίνει ότι διαθέτει 1 ηλεκτρόνιο στην εξωτερική στιβάδα. Συνεπώς η υποστιβάδα στην οποία τοποθετήθηκε το τελευταίο ηλεκτρόνιο είναι η 5s1 (σε κάθε στιβάδα τα s τροχιακά έχουν την χαμηλότερη ενέργεια και συμπληρώνονται πρώτα) και έχει ηλεκτρονιακή δομή: 1s22s22p63s23p63d104s24ρ6 5s1 με Ζ=37 Το παραπάνω στοιχείο είναι το τέταρτο αλκάλιο, αφού όπως γνωρίζουμε η ομάδα των αλκαλίων αρχίζει από τη 2η περίοδο. To στοιχείο υδρογόνο ανήκει στην IA ομάδα αλλά δεν είναι αλκάλιο. β. Αφού ανήκει στη 2η περίοδο σημαίνει ότι διαθέτει 2 στιβάδες ή nmax = 2 Αφού ανήκει στη V ΙΑ ομάδα σημαίνει ότι διαθέτει 6 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα (2s22p4 γιατί σε κάθε στιβάδα τα s τροχιακά έχουν την χαμηλότερη ενέργεια και συμπληρώνονται πριν τα p ), και έχει ηλεκτρονιακή δομή: 1s22s22p4 με Ζ=8 γ. Η ομάδα των αλογόνων είναι η VIIA ομάδα. Άρα τα αλογόνα διαθέτουν 7 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα έχουν δομή (ns2 np5 ) και το πρώτο ανήκει στη 2η περίοδο. Άρα το δεύτερο αλογόνο βρίσκεται στην 3η περίοδο δηλαδή διαθέτει 3 στιβάδες ή nmax = 3 και έχει ηλεκτρονιακή δομή: 1s22s22p63s23p5 με Ζ=17 δ. Η ομάδα των ευγενών αερίων αρχίζει από την 1n περίοδο. Άρα το τέταρτο ευγενές αέριο βρίσκεται στην 4η περίοδο και VIIΙA ομάδα. Αφού ανήκει στη 4η περίοδο σημαίνει ότι διαθέτει 4 στιβάδες ή nmax = 4 Αφού ανήκει στη VIIΙA ομάδα σημαίνει ότι διαθέτει 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα (4s2 4p6 ) και έχει ηλεκτρονιακή δομή: 1s22s22p63s23p63d104s24ρ6 με Ζ=36

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

93

ε. Η 7η ομάδα ανήκει στον τομέα d o οποίος αρχίζει από την 4η περίοδο. Συνεπώς το δεύτερο στοιχείο της 7ης ομάδας ανήκει στην 5η περίοδο. Αφού ανήκει στη 5η περίοδο σημαίνει ότι διαθέτει 5 στιβάδες ή nmax = 5 Αφού ανήκει στη VIΙΒ ομάδα σημαίνει ότι διαθέτει 7 ηλεκτρόνια επιπλέον σε σχέση με το προηγούμενο ευγενές αέριο

(της 4ης περιόδου, 1s22s22p63s23p63d64s24ρ6) δηλαδή έχει

ηλεκτρονιακή δομή: 1s22s22p63s23p63d64s24ρ6 4d5 5s2 με Ζ=43 4. Να προσδιοριστεί ο ατομικός αριθμός και η ηλεκτρονιακή δομή σε θεμελιώδη κατάσταση του στοιχείου που βρίσκεται στον Π.Π. ακριβώς κάτω από το στοιχείο με ατομικό αριθμό Ζ=15. Λύση Η ηλεκτρονιακή δομή του στοιχείου με Ζ=15 είναι: 1s22s22p63s23p3 οπότε έχει 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα και ανήκει στην VA ομάδα και στην 3η περίοδο. Το στοιχείο που τοποθετείται ακριβώς κάτω από το στοιχείο με Ζ=15, βρίσκεται στην επόμενη περίοδο (4η περίοδος) και στην ίδια ομάδα (VA ομάδα). Η ηλεκτρονιακή του δομή είναι: 1s22s22p63s23p63d104s24ρ3 με Ζ=33 5. Να βρεθεί η ομάδα του Π.Π. στην οποία μπορεί να ανήκει το στοιχείο Α, το άτομο του οποίου διαθέτει 3 μονήρη ηλεκτρόνια στη θεμελιώδη του κατάσταση και βρίσκεται στις πέντε πρώτες περιόδους του Π.Π. Λύση Αφού το άτομο του στοιχείου Α στη θεμελιώδη κατάσταση έχει 3 μονήρη ηλεκτρόνια αυτά

θα

βρίσκονται σε p ή d υποστιβάδα (οι f υποστιβάδες βρίσκονται στην 6η και 7η περίοδο) : Τρία μονήρη ηλεκτρόνια στην p: p3 . Η ηλεκτρονιακή δομή της εξωτερικής στιβάδας είναι: ns2 np3 και ανήκει στο τομέα p δηλαδή ανήκει στην VΑ (15η) ομάδα. Τρία μονήρη ηλεκτρόνια στη d, διακρίνουμε δύο περιπτώσεις τα υπόλοιπα τροχιακά άδεια ή με ζεύγος ηλεκτρονίων. ns2 (n-1) d3 . Η ηλεκτρονιακή δομή της εξωτερικής στιβάδας είναι: (n1)d3 ns2 οπότε διαθέτει 5 ηλεκτρόνια παραπάνω από το προηγούμενο ευγενές αέριο και ανήκει στον τομέα d δηλαδή ανήκει στην 5η ομάδα

94

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

(n-1) d7. Η ηλεκτρονιακή δομή της εξωτερικής στιβάδας είναι: (n-1)d7

ns2

ns2 οπότε διαθέτει 9 ηλεκτρόνια παραπάνω από το προηγούμενο ευγενές αέριο και ανήκει στον τομέα d δηλαδή ανήκει στην 9η ομάδα 6. Το κατιόν Α3+ έχει ηλεκτρονιακή δομή: 1s22s22p63s23p6. Να βρεθεί η θέση του στοιχείου Α στον Π.Π. Λύση Προσοχή: Η θέση ενός στοιχείου στον Π.Π. βρίσκεται από την ηλεκτρονιακή δομή του ουδέτερου ατόμου του στοιχείου στη θεμελιώδη κατάσταση. a. Το ουδέτερο άτομο του στοιχείου Α έχει τρία ηλεκτρόνια περισσότερα από το κατιόν Α3+. Συνεπώς η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του στοιχείου Α στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 21Α:

1s22s22p63s23p63d14s2

nmax =4 άρα ανήκει στη 4η περίοδο. Τελευταίο ηλεκτρόνιο σε υποστιβάδα d σημαίνει ότι ανήκει στο τομέα d. Επειδή διαθέτει 3 ηλεκτρόνια επιπλέον σε σχέση με το προηγούμενο ευγενές αέριο (1s22s22p63s23p6 ) ανήκει στη 3η ομάδα.

7. Δύο στοιχεία Σ1 και Σ2 των οποίων οι ατομικοί αριθμοί Z1 και Ζ2 (Ζ2 > Z1) διαφέρουν κατά 1 βρίσκονται σε διαφορετικές περιόδους του Π.Π. Να βρείτε τις ομάδες του Π.Π. στις οποίες ανήκουν τα στοιχεία Σ1 και Σ2. Λύση Αφού με προσθήκη ενός πρωτονίου το στοιχείο Σ2 βρίσκεται σε διαφορετική περίοδο από το Σ1, το Σ1 είναι το τελευταίο στοιχείο της περιόδου, ανήκει λοιπόν στην 18η (VΙΙΙΑ) ομάδα, ενώ το Σ2 στην 1η (IA) ομάδα του Π.Π.

Ασκήσεις προς λύση 1. Σε ποια περίοδο και ποια ομάδα ανήκουν τα στοιχεία που έχουν τους παρακάτω ατομικούς αριθμούς: α. 78

β. 105

γ. 56

δ. 13

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

ε. 24

95

2. Βρείτε την ομάδα στην οποία ανήκει στοιχείο που αποτελείται από άτομα στα οποία το τελευταίο ηλεκτρόνιο, α. Τοποθετείται αλλά δεν συμπληρώνει μια s υπστιβάδα. β. Είναι το πρώτο που τοποθετείται σε μια d υποστιβάδα. γ. Τοποθετείται και συμπληρώνει μια p υποστιβάδα. δ. Ημισυμπληρώνει μια d υποστιβάδα. ε. Τοποθετείται και συμπληρώνει μια s υποστιβάδα.

3. Να βρείτε σε ποια θέση στον Π.Π. (τομέας, περίοδος, ομάδα) ανήκουν τα επόμενα χημικά στοιχεία, για τα οποία δίνεται η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους στη θεμελιώδη κατάσταση. α. [Ne]3s23p5

β. [Xe]6s2

ε. [Xe]4f76s2

στ. [Kr]4d105s25p1

η. [Xe]4f145d106s1

θ. 1s2

γ. [Νe]3s1

δ. [Ar]3d54s2

ζ. [Rn]6d17s2 ι. [Xe]4f145d106s26p2

4. Με βάση την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους να προσδιορίσετε σε ποιον τομέα, σε ποια περίοδο και σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκουν τα επόμενα χημικά στοιχεία: 7Ν, 12Mg, 16S, 23V,

25Mn,

29Cu, 33As,

37Rb,

48Cd,

50Sn,

63Eu,

82Pb

5. Να απαντήσετε στα παρακάτω ερωτήματα: α. Ποια από τα επόμενα χημικά στοιχεία ανήκουν στα στοιχεία μετάπτωσης; 15P, 19K, 22Ti, 25Mn, 28Ni, 29Cu, 31Ga, 35Br, 40Zr, 47Ag, 76Os, 80Hg

β. Σε ποια ομάδα του Π.Π. και σε ποια σειρά στοιχείων μετάπτωσης ανήκει καθένα από τα στοιχεία αυτά; γ. Γιατί τα στοιχεία μετάπτωσης παρουσιάζουν πολλές κοινές ιδιότητες; 6. Να υπολογίσετε τους ατομικούς αριθμούς και να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων στη θεμελιώδη κατάσταση για τα επόμενα χημικά στοιχεία: α. Το πρώτο στοιχείο από τα ευγενή αέρια. β. Το τρίτο στοιχείο από τα αλκάλια. γ. Το δεύτερο στοιχείο από τα αλογόνα. δ. Το τέταρτο στοιχείο από τα ευγενή αέρια. ε. Το πρώτο στοιχείο από τα αλκάλια.

96

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

στ. Το τρίτο στοιχείο από τις αλκαλικές γαίες. ζ. Το πρώτο από τα στοιχεία μετάπτωσης. η. Το δεύτερο στοιχείο της ομάδας του άνθρακα. θ. το πρώτο στοιχείο της 9ης ομάδας. ι. Το τρίτο στοιχείο της 1ης σειράς των στοιχείων μετάπτωσης. ια. Το τελευταίο στοιχείο από τα αλκάλια. ιβ. Το προτελευταίο στοιχείο της 1ης σειράς των στοιχείων μετάπτωσης. ιγ. Το δεύτερο στοιχείο της 2ης σειράς των στοιχείων μετάπτωσης. ιδ. Το τελευταίο στοιχείο της 3ης σειράς των στοιχείων μετάπτωσης.

7. Δίνονται οι ηλεκτρονιακές δομές των παρακάτω ατόμων: Α: [He]2s12p5 Δ: [Kr]4d105s25p1

B: [Ar]3d104s24p5 E: [Ar]5d56s1

Γ: [Ne]3s23p24s1 Z: [Xe]4f106s2

α. Ποιες από τις δομές αυτές αντιστοιχούν σε διεγερμένα άτομα; Να γραφούν οι αντίστοιχες δομές στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Σε ποια ομάδα, σε ποια περίοδο και σε ποιον τομέα του Π.Π. ανήκουν τα χημικά στοιχεία Α έως Ζ; 8. Να βρείτε σε ποια θέση στον Π.Π. (τομέας, ομάδα, περίοδος) ανήκουν τα επόμενα χημικά στοιχεία, για τα οποία γνωρίζουμε την ηλεκτρονιακή δομή των ιόντων τους στη θεμελιώδη κατάσταση: α. Α-: 1s22s22p6 ε. Ε2-: [Kr]

β. Β3+: 1s22s22p6

γ. Γ3+: 1s22s22p63s23p6

στ. Ζ3+: 1s22s22p63s23p63d5

δ. Δ2+: 1s22s22p63s23p63d8

ζ. Θ3+: [Xe]4f6

9. Τα χημικά στοιχεία Α, Β και Γ έχουν ατομικούς αριθμούς v, v + 1 και v + 2 αντίστοιχα. Το χημικό στοιχείο Β είναι ευγενές αέριο. α. Σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκουν τα χημικά στοιχεία Α και Γ; β. Να εξηγήσετε αν τα οξείδια των χημικών στοιχείων Α και Γ είναι ιοντικές ή ομοιοπολικές ενώσεις. γ. Να εξετάσετε πως αντιδρά το οξείδιο του χημικού στοιχείου Γ με Η2Ο, και διάλυμα HCℓ.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

97

10. Να προσδιορίσετε τον ατομικό αριθμό και τη θέση που βρίσκονται στον Π.Π. τα επόμενα χημικά στοιχεία, για το κάθε άτομο των οποίων, στη θεμελιώδη κατάσταση, ισχύει ότι: α. 4 ηλεκτρόνια με n = 3.

β. 3 ηλεκτρόνια με n = 2 και ℓ = 1.

γ. 11 ηλεκτρόνια σε τροχιακά με ℓ = 1. ε. 2 ηλεκτρόνια με n = 4 και ℓ = 2.

δ. 14 ηλεκτρόνια με n = 3. στ. 5 μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα Μ.

Ποια από τα στοιχεία αυτά είναι στοιχεία μετάπτωσης; 11. Σε ποια ομάδα του Π.Π. είναι δυνατόν να ανήκουν τα επόμενα χημικά στοιχεία; α. Σ1: ανήκει στη δεύτερη περίοδο και το άτομό του στη θεμελιώδη κατάσταση έχει 2 μονήρη ηλεκτρόνια. β. Σ2: ανήκει στη τρίτη περίοδο και το άτομό του στη θεμελιώδη κατάσταση έχει 3 μονήρη ηλεκτρόνια. γ. Σ3: ανήκει στην πρώτη σειρά των στοιχείων μετάπτωσης και το άτομο του στη θεμελιώδη κατάσταση έχει 2 μονήρη ηλεκτρόνια. δ. Σ4: ανήκει σε κύρια ομάδα (Α) του Π.Π. και το άτομό του στη θεμελιώδη κατάσταση έχει δύο ζεύγη ηλεκτρονίων στην εξωτερική στιβάδα. ε. Σ5: ανήκει στη τέταρτη περίοδο και το άτομό του στη θεμελιώδη κατάσταση έχει τρία ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα που συμπληρώνεται τελευταία. στ. Σ6: ανήκει σε κύρια ομάδα (Α) και στο άτομό του στη θεμελιώδη κατάσταση ο αριθμός των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας δεν συμπίπτει με τον αριθμό της ομάδας (Α) στην οποία ανήκει. ζ. Σ7: ανήκει στην πρώτη σειρά των στοιχείων μετάπτωσης και το ιόν

7

δεν έχει μονήρη

ηλεκτρόνια.

12. Το άτομο ενός χημικού στοιχείου Σ στη θεμελιώδη κατάσταση έχει πλήρως συμπληρωμένα όλα τα τροχιακά της στιβάδας Μ και έχει δύο ηλεκτρόνια στη στιβάδα Ν. α. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείου Σ; Σε ποια ομάδα και σε ποιον τομέα του Π.Π. ανήκει; β. Πόσα ηλεκτρόνια έχει το άτομο του χημικού στοιχείου Σ στη θεμελιώδη κατάσταση τα οποία έχουν: i) mℓ = 0;

98

ii) mℓ = -1;

iii) mℓ = +2;

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

γ. Ποιο είναι στο σταθερότερο κατιόν που σχηματίζει το χημικό στοιχείο Σ; δ. Να υπολογίσετε τους ατομικούς αριθμούς των επόμενων χημικών στοιχείων: i) Το στοιχείο Σ1 είναι το επόμενο στοιχείο που ανήκει στην ίδια ομάδα με το χημικό στοιχείο Σ. ii) Το χημικό στοιχείο Σ2 ανήκει στην ίδια περίοδο με το χημικό στοιχείο Σ και στην ομάδα του άνθρακα. iii) Το χημικό στοιχείο Σ3 ανήκει στην ίδια περίοδο και στον ίδιο τομέα με το χημικό στοιχείο Σ και έχει έναν μόνο αριθμό οξείδωσης.

13. Το άτομο ενός χημικού στοιχείου Σ στη θεμελιώδη κατάσταση έχει πλήρως συμπληρωμένες μόνο τις στιβάδες Κ και L, ενώ το άθροισμα των κβαντικών αριθμών spin όλων των ηλεκτρονίων του είναι

5 .

2 α. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείου Σ; Πόσα από τα ηλεκτρόνια του ατόμου του χημικού στοιχείου Σ στη θεμελιώδη κατάσταση έχουν: i) mℓ = +1;

ii)mℓ = -2;

β. Σε ποια ομάδα και σε ποια περίοδο του Π.Π. ανήκει το χημικό στοιχείο Σ; Να αναφέρετε τρεις χημικές ιδιότητες που έχει το χημικό στοιχείο Σ. γ. Να υπολογίσετε τον ατομικό αριθμό του χημικού στοιχείου που ανήκει στην ίδια περίοδο με το χημικό στοιχείο Σ και είναι: i) το δραστικότερο μέταλλο. ii) το δραστικότερο αμέταλλο.

iii) ευγενές αέριο.

14. Το χημικό στοιχείο Α ανήκει στην Τρίτη περίοδο του Π.Π. και το άτομό του στη θεμελιώδη κατάσταση έχει δύο μονήρη ηλεκτρόνια. α. Ποιοι είναι οι δυνατοί ατομικοί αριθμοί του χημικού στοιχείο Α; β. Το χημικό στοιχείο Α παρουσιάζει παρόμοιες χημικές ιδιότητες με το

34Se.

Ποιος είναι ο ατομικός

αριθμός του χημικού στοιχείου Α; γ. Το χημικό στοιχείο Α σχηματίζει οξείδιο με μοριακό τύπο ΑΟ3. Να γράψετε τις χημικές εξισώσεις των αντιδράσεων του οξειδίου ΑΟ3 με νερό, διάλυμα HCℓ και ΝaΟΗ.

15. Για το χημικό στοιχείο Α υπάρχουν τα εξής δεδομένα: Ι. Ανήκει στην 3η περίοδο του Π.Π. ΙΙ. Σχηματίζει οξείδιο με χημικό τύπο ΑΟ, το οποίο είναι ιοντική ένωση.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

99

α. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείου Α; Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του στη θεμελιώδη κατάσταση; β. Να γράψετε τις χημικές εξισώσεις των αντιδράσεων του οξειδίου ΑΟ με τα αντιδραστήρια Η 2Ο, HCℓ και NaOH. γ. Να υπολογίσετε τους ατομικούς αριθμούς των επόμενων χημικών στοιχείων: i) Το χημικό στοιχείο Β είναι το επόμενο στοιχείο της ομάδας στην οποία ανήκει το χημικό στοιχείο Α. ii) Το χημικό στοιχείο Γ ανήκει στην ίδια περίοδο με το Α και είναι το δραστικότερο αμέταλλο της περιόδου του. +

16. Τα χημικά στοιχεία Α, Β και Γ ανήκουν στην ίδια περίοδο του Π.Π. Το κατιόν Α 2 έχει ίδια ηλεκτρονιακή δομή με το άτομο του τρίτου στοιχείου από τα ευγενή αέρια. Το άτομο του χημικού στοιχείου Β στη θεμελιώδη κατάσταση έχει 4 μονήρη ηλεκτρόνια. Το χημικό στοιχείο Γ είναι το δραστικότερο αμέταλλο της περιόδου. α. Να υπολογίσετε ους ατομικούς αριθμούς των χημικών στοιχείων Α, Β και Γ και να προσδιορίσετε τη θέση τους στον Π.Π. β. Πόσα ηλεκτρόνια από το άτομο του χημικού στοιχείου Α στη θεμελιώδη κατάσταση έχουν: i) ms

1 ; 2

ii) mℓ = -1;

γ. Ποιο από τα χημικά στοιχεία Α, Β και Γ: i. Σχηματίζει έγχρωμες ενώσεις και σύμπλοκα ιόντα; ii. Σχηματίζει το πιο βασικό οξείδιο; iii. Είναι ηλεκτραρνητικό στοιχείο; 17. Για τα χημικά στοιχεία Α, Β και Γ υπάρχουν τα εξής δεδομένα: Ι. Είναι στοιχεία της τρίτης περιόδου του Π.Π. ΙΙ. Το χημικό στοιχείο Β ανήκει στον τομέα s και το άτομό του στη θεμελιώδη κατάσταση έχει ένα μονήρες ηλεκτρόνιο. ΙΙΙ. Το χημικό στοιχείο Α ανήκει στα αλογόνα, ενώ το χημικό στοιχείο Γ σχηματίζει οξείδιο με μοριακό τύπο ΓΟ3, το οποίο χαρακτηρίζεται ως όξινο. α. Σε ποια ομάδα ανήκει καθένα από τα χημικά στοιχεία Α, Β και Γ και ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του;

100

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

β. Πόσα μονήρη ηλεκτρόνια διαθέτουν τα άτομα των χημικών στοιχείων Α και Γ στη θεμελιώδη κατάσταση; γ. Ποιο από τα χημικά στοιχεία Α. Β και Γ έχει ισχυρότερο μεταλλικό χαρακτήρα και ποιο είναι δραστικότερο αμέταλλο; δ. Το χημικό στοιχείο Β σχηματίζει οξείδιο με χημικό τύπο Β2Ο. Να γράψετε τις χημικές εξισώσεις των αντιδράσεων του οξειδίου αυτού με νερό, διάλυμα H2SO4 και διάλυμα ΚΟΗ.

18. Ποιος είναι ο ελάχιστος ατομικός αριθμός στοιχείου που έχει 5 ηλεκτρόνια σε d τροχιακό.

19. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή σε υποστιβάδες και σε στιβάδες για τα επόμενα στη θεμελιώδη κατάσταση: 24Cr,

29Cu,

29Cu

+

.

20. Ποιος είναι ο ελάχιστος ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείου, το άτομο του οποίου στη θεμελιώδη κατάσταση έχει συμπληρωμένη πλήρως d υποστιβάδα; 21. Να υπολογίσετε τους δυνατούς ατομικούς αριθμούς των χημικών στοιχείων, τα άτομα των οποίων στη θεμελιώδη κατάσταση διαθέτουν 7 ηλεκτρόνια σε s ατομικά χημικά.

22. Στον ποιον τομέα και σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκει το στοιχείο, στο άτομο του οποίου στη θεμελιώδη κατάσταση το τελευταίο ηλεκτρόνιο α. Τοποθετείται αλλά δεν συμπληρώνει μια υποστιβάσα s. β. Είναι το πρώτο που τοποθετείται σε μια υποστιβάδα d. γ. Ημισυμπληρώνει μια υποστιβάδα p.

23. Να βρεθεί ο ατομικός αριθμός: α. Του στοιχείου που βρίσκεται στη 2η περίοδο και 13η ομάδα του Π.Π. β. Του στοιχείου που βρίσκεται στην 5η περίοδο και 2η ομάδα του Π.Π. γ. Του στοιχείο που βρίσκεται στην 4η περίοδο και 4η ομάδα του Π.Π. δ. Του τέταρτου αλογόνου. ε. Του τρίτου ευγενούς αερίου. στ. Του πρώτου από τα στοιχεία μετάπτωσης.

24. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου στη θεμελιώδη κατάσταση. α. Του στοιχείου που βρίσκεται στην 3η περίοδο και ΙΙΑ ομάδα του Π.Π.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

101

β. Του στοιχείου που βρίσκεται στην 4η περίοδο και VB ομάδα του Π.Π. γ. Της πρώτης αλκαλικής γαίας. δ. Του τελευταίου αλκαλίου.

25. Το στοιχείο Σ ανήκει στην 5η περίοδο και το άτομό του, στη θεμελιώδη κατάσταση, έχει δύο μονήρη ηλεκτρόνια σε p υποστιβάδα. Να βρεθούν: α. Η ομάδα και ο τομέας του Π.Π. όπου μπορεί να ανήκει το στοιχείο Σ. β. Οι πιθανοί ατομικοί αριθμοί του στοιχείου Σ.

26. Το στοιχείο Σ ανήκει στην 3η περίοδο και το άτομό του, στη θεμελιώδη κατάσταση έχει τρία μονήρη ηλεκτρόνια. Να βρεθούν: α. Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του στοιχείου Σ στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Ο ατομικός αριθμός του στοιχείου Σ.

27. Να απαντήσετε στις παρακάτω ερωτήσεις. α. Γιατί η τρίτη περίοδος περιέχει οκτώ και όχι δεκαοχτώ στοιχεία; β. Γιατί ο τομέας d περιέχει δέκα ομάδες; γ. Γιατί το 2He δεν τοποθετείται στην ΙΙΑ ομάδα του Π.Π.; δ. Γιατί οι λανθανίδες έχουν ανάλογες ιδιότητες; 28. Το στοιχείο Χ με ατομικό αριθμό Ζ=117 μόλις ανακαλύφθηκε. α. Ποια προβλέπετε ότι θα είναι η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου στη θεμελιώδη κατάσταση; β. Σε ποιο τομέα, σε ποια ομάδα και σε ποια περίοδο του Π.Π. θα ανήκει; γ. Με ποιο από τα επόμενα στοιχεία θα έχει παρόμοιες χημικές ιδιότητες; 27Co, 35Br, 55Cs

29. Ένα στοιχείο Σ ανήκει στον τομέα p του Π.Π. και το άτομό του, στη θεμελιώδη κατάσταση, διαθέτει ένα μονήρες ηλεκτρόνιο. α. Σε ποια ομάδα του Π.Π. είναι δυνατό να ανήκει το στοιχείο Σ; β. Αν είναι γνωστό ότι το στοιχείο Σ βρίσκεται στην 4η περίοδο και έχει παρόμοιες ιδιότητες με το 9F,

να βρεθεί ο ατομικός αριθμός του στοιχείο Σ.

102

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

γ. Πόα από τα συνολικά ηλεκτρόνια του ατόμου του στοιχείου Σ, στη θεμελιώδη κατάσταση, χαρακτηρίζονται με ℓ=2 και m s

1 ; 2

30. α. Το άτομο ενός στοιχείου στη θεμελιώδη κατάσταση έχει 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα. Σε ποια ομάδα του Π.Π. μπορεί να ανήκει; β. Το άτομο ενός στοιχείου στη θεμελιώδη κατάσταση έχει 2 ηλεκτρόνια σθένους. Σε ποια ομάδα του Π.Π. μπορεί να ανήκει; γ. Το άτομο ενός στοιχείου στη θεμελιώδη κατάσταση έχει ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων σε p τροχιακό. Σε ποια ομάδα του Π.Π. μπορεί αν ανήκει; δ. Το άτομο ενός στοιχείου της τέταρτης περιόδου στη θεμελιώδη κατάσταση έχει 4 μονήρη ηλεκτρόνια. Σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκει;

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

103

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ - ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕΤΑΠΤΩΣΗΣ ΘΕΜΑ 1ο 1. Σωστό - Λάθος α. Στοιχεία μετάπτωσης είναι τα στοιχεία που καταλαμβάνουν τον τομέα d του περιοδικού πίνακα.

(2003/Μον. 2) β. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας ενός στοιχείου καθορίζει τον αριθμό της περιόδου, στην οποία ανήκει το στοιχείο.

(2006/Μον. 1) 2 γ. Στοιχείο που βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση και έχει ηλεκτρονιακή δομή 1s 2s22p3 , ανήκει στην ομάδα 13 (ΙΙΙΑ) του Περιοδικού Πίνακα.

(2004/Μον. 1) 2 δ. Η ηλεκτρονιακή δομή της εξωτερικής στιβάδας όλων των ευγενών αερίων είναι ns np6. (Επαν.2007/Μον. 1) ε. Ένα χημικό στοιχείο ανήκει στον τομέα s, όταν είναι συμπληρωμένες όλες οι s υποστιβάδες του. (Επαν. 2008/Μον. 1) ζ. Κάθε στοιχείο στη θεμελιώδη κατάσταση, που το άτομο διαθέτει 1 μονήρες ηλεκτρόνιο στην p υποστοιβάδα της εξωτερικής του στοιβάδας, θα ανήκει στην 13η ομάδα του Περιοδικού Πίνακα. (ΟΕΦΕ 2010/Μον. 1) η. Οι τομείς s και p του περιοδικού πίνακα περιέχουν 2 και 6 ομάδες αντίστοιχα.

(2011/Μον. 1) θ. Το άτομο Χ με Ζ=24 έχει ένα ηλεκτρόνιο στην υποστοιβάδα 4s. (ΟΕΦΕ 2009/Μον.1)

2. Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές αποδίδει τη δομή ατόμου στοιχείου του τομέα s στη θεμελιώδη κατάσταση;

α. 1s22s22p63s23p2 . β. 1s22s22p63s23p64s1 . γ. 1s22s22p63s23p63d64s2 . δ. 1s22s22p63s23p64s3 .

(2005/Μον. 5)

3. Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου στοιχείου Σ σε θεμελιώδη κατάσταση είναι: 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2. Το στοιχείο Σ ανήκει στη: α. 2ηομάδα, 5ηπερίοδο και p τομέα. β. 5ηομάδα, 2ηπερίοδο και s τομέα. γ. 2ηομάδα, 5ηπερίοδο και s τομέα. δ. 5ηομάδα, 2ηπερίοδο και d τομέα. (Επαν.2006/Μον. 5)

104

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

4. Το σύνολο των στοιχείων που ανήκουν στις κύριες ομάδες του περιοδικού πίνακα βρίσκονται στους τομείς: α. s β. p γ. s και p δ. s, p και d (Ομογ. 2005/Μον. 5) 5. Η Στήλη Ι περιέχει τα σύμβολα ορισμένων στοιχείων και μια πληροφορία για την ομάδα ή τον τομέα του περιοδικού πίνακα που ανήκουν. Η Στήλη ΙΙ περιλαμβάνει ορισμένες ηλεκτρονιακές δομές ατόμων στη θεμελιώδη κατάσταση. Στήλη Ι

Στήλη ΙΙ

α. Ν (V ομάδα )

1. [Ar]3d64s2

β. Fe ( στοιχείο μετάπτωσης)

2. [Ar]3d104s24p5

γ. Ca ( αλκαλική γαία )

3. 1s22s1

δ. Br (αλογόνο)

4. [Ne]3s23p1

ε. Li (αλκαλιμέταλλο)

5. 1s22s22p3

A

6. [Ar]4s2 (Ένα δεδομένο της Στήλης ΙΙ περισσεύει).

(Ομογ. 2007/Μον. 5)

6. Το στοιχείο 19K έχει στη θεμελιώδη κατάσταση την ηλεκτρονιακή δομή 1s22s22p63s23p64s1 και ανήκει: α. στην τέταρτη περίοδο, στην πρώτη ομάδα και στον τομέα s του περιοδικού πίνακα. β. στην τέταρτη περίοδο, στην πρώτη ομάδα και στον τομέα d του περιοδικού πίνακα. γ. στην πρώτη περίοδο, στην τέταρτη αμάδα και στον τομέα s του περιοδικού πίνακα. δ. στην πρώτη περίοδο, στην τέταρτη ομάδα και στον τομέα p του περιοδικού πίνακα. (Εσπ. 2003/Μον. 5) 7. Να κατατάξετε κατά αυξανόμενο αριθμό μονήρων ηλεκτρονίων στη θεμελιώδη κατάσταση, τα στοιχεία με ατομικούς αριθμούς: 17Α

,

27Β

,

7Γ

,

18Δ

Επίσης να βρείτε τον τομέα, την περίοδο και την ομάδα που ανήκει το καθένα από αυτά.

(OΕΦΕ 2006/Μον.5) 8. Τα στοιχεία μετάπτωσης ανήκουν στον τομέα του Περιοδικού Πίνακα: α. s

β. p

γ. d

δ. f (Επαν. 2010/Μον. 5)

9. Για το ιόν 9

29Cu

α. [18Ar]3d 4s

2

+

ισχύει η ακόλουθη ηλεκτρονιακή δομή:

β. [18Ar]3d94s1

γ. [18Ar]3d10

δ. [18Ar]3d84s2 (ΟΕΦΕ 2011/Μον. 4)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

105

10. Η ηλεκτρονική δομή του

24Cr,

στην θεμελιώδη κατάσταση, είναι:

α. 1s22s22p63s23p63d54s1 β. 1s22s22p63s23p63d44s2 γ. 1s22s22p63s23p64s23d4 δ. 1s22s22p63s23p63d6 (OEΦΕ 2012/Μον. 5) 11. Ο τομέας p του περιοδικού πίνακα περιλαμβάνει: α. 2 ομάδες

β. 4 ομάδες

γ. 6 ομάδες

δ. 10 ομάδες.

(2012/Μον. 5)

12. Το 18Αr ανήκει στην ομάδα : α. 1 β. 13 γ. 16 δ. 18

(Ομογ. 2012/Μον. 5)

13.Ποια από τις επόμενες δομές, στη θεμελιώδη κατάσταση, δεν είναι σωστή: α. 23V: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2 β. 24Cr: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1 γ. 26Fe: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 δ. 29Cu: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9 4s2

14.Παραμαγνητικό είναι το ιόν : α. 9F-

β. 21Sc3+

γ.

3+ 26Fe

15.Το στοιχείο 26Fe ανήκει στην ομάδα α. 2 β. 5 γ. 6 δ. 8

δ.

2+ 30Zn

(2013/Μον. 5)

(Επαν. 2013/Μον. 5)

(Ομογ. 2013/Μον. 5)

ΘΕΜΑ 2ο 1. Τα στοιχεία Α, Β, Γ,Δ έχουν διαδοχικούς ατομικούς αριθμούς. Τα Α, Β, Γ, ανήκουν στην 2η περίοδο του περιοδικού πίνακα και το Δ στην 3η περίοδο. Ζητούνται: α. Ο ατομικός αριθμός (Ζ) του κάθε στοιχείου. β. Η ηλεκτρονιακή δομή του κάθε στοιχείου. (Επαν. Εσπ. 2003/Μον. 8+4) 2. Να χαρακτηρίσετε τις παρακάτω προτάσεις ως σωστές ή λανθασμένες. α. Το ανιόν Α- έχει ηλεκτρονιακή δομή 1s22s22p6. Το στοιχείο Α ανήκει στην ομάδα των ευγενών αερίων.

106

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

(Επαν.2005/Μον. 1+2) β. Το στοιχείο που έχει ημισυμπληρωμένη την 4p υποστιβάδα, ανήκει στη 15η ομάδα.

(2013/Μον. 1+2) Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας.

3. Το ιόν Μ2+ έχει ηλεκτρονιακή δομή 1s2 2s2 2p6. α. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου Μ; β. i. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του στοιχείου Μ σε υποστιβάδες, όταν βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση. ii. Σε ποια ομάδα και σε ποια περίοδο του περιοδικού πίνακα ανήκει το στοιχείο Μ; γ. Να γράψετε τις τιμές των τεσσάρων κβαντικών αριθμών για κάθε ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους του ατόμου του στοιχείου Μ, στη θεμελιώδη κατάσταση. (Ομογ. 2005/Μον. 2+2+2+3) 4. Δίνονται τα στοιχεία 20Ca, 26Fe, 16S. α. Να υπολογίσετε τις ηλεκτρονιακές δομές τους (κατανομή ηλεκτρονίων σε υποστιβάδες). β. Να βρεθεί η περίοδος και η ομάδα του περιοδικού πίνακα στην οποία ανήκει το καθένα από τα στοιχεία αυτά.

(2010/Μον. 3+6) 5. α. Πόσα στοιχεία έχει η 2η περίοδος του περιοδικού πίνακα; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β. Σε ποιο τομέα, ποια περίοδο και ποια ομάδα ανήκει το στοιχείο με ατομικό αριθμό Ζ=27; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας.

(2013/Μον. 1+2+3+4)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

107

1.6 ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Η περιοδικότητα στην ηλεκτρονιακή δομή αντανακλάται σε πολλές από τις ιδιότητες των στοιχείων όπως είναι η ατομική ακτίνα, και η ενέργεια ιοντισμού, οι οποίες καθορίζουν τη φυσική και χημική συμπεριφορά του ατόμου. ΑΤΟΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΑ.

(r)

Υπολογίζεται: ως το μισό της απόστασης των πυρήνων δύο γειτονικών ατόμων του στοιχείου όταν αυτό βρίσκεται σε στοιχειακή κατάσταση.

Εκφράζει: τη μέση απόσταση του πιο απομακρυσμένου ηλεκτρονίου από τον πυρήνα του ατόμου, και είναι

2r

ενδεικτική του μεγέθους του ατόμου.

Εξαρτάται: Από το κύριο κβαντικό αριθμό των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στοιβάδας. Από την έλξη του πυρήνα και τις απώσεις των εσωτερικών ηλεκτρονίων στα εξωτερικά ηλεκτρόνια (δραστικό πυρηνικό φορτίο)

ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΑΣ ΚΑΤΑ ΟΜΑΔΑ

Li 154 1η ομάδα: ατομική ακτίνα σε pm

Na 186

Αύξηση ατομικής ακτίνας

K 227

Rb 248

Cs 265

108

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Κατά μήκος μιας ομάδας η ατομική ακτίνα αυξάνεται από πάνω προς τα κάτω γιατί καθώς διασχίζουμε προς τα κάτω τον περιοδικό πίνακα προστίθενται στιβάδες στο άτομο και αυξάνει ο κύριος κβαντικός αριθμός των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στοιβάδας, οπότε μεγαλώνει η απόσταση των ηλεκτρονίων εξωτερικής στιβάδας – πυρήνα

ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΑΣ ΚΑΤΑ ΠΕΡΙΟΔΟ. Φορτίο του πυρήνα: είναι ανάλογο του αριθμού των πρωτονίων του πυρήνα και όσο μεγαλώνει, μεγαλώνει και η έλξη που ασκείται στα ηλεκτρόνια σθένους. Φορτίο των ηλεκτρονίων των εσωτερικών στιβάδων: είναι ανάλογο του αριθμού των ηλεκτρονίων των εσωτερικών στιβάδων και όσο μεγαλώνει, μεγαλώνει και η άπωση που ασκείται στα ηλεκτρόνια σθένους. Δραστικό πυρηνικό φορτίο: το φορτίο του πυρήνα μειωμένο κατά το φορτίο των ηλεκτρονίων των εσωτερικών στιβάδων.

Όσο το δραστικό πυρηνικό φορτίο μειώνεται, μικραίνει η έλξη προς τα

ηλεκτρόνια σθένους και μεγαλώνει η ατομική ακτίνα.

To μοναδικό ηλεκτρόνιο του Li2+ «αισθάνεται» επάνω του όλη την έλξη του φορτίου +3 του πυρήνα Δραστικό πυρηνικό φορτίο=+3

Τα δύο ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο τροχιακό 1s

και παρεμβάλλονται

μεταξύ πυρήνα και των ηλεκτρονίων που βρίσκονται στο τροχιακό 2s στο άτομο Li μειώνουν αισθητά την ελκτική δράση του πυρηνικού φορτίου πάνω στο 2s ηλεκτρόνιο. Δραστικό πυρηνικό φορτίο=+3-2=+1

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

109

Ομάδα του Π.Π

ΙΑ

ΙΙΑ

ΙΙΙΑ

ΙVA

VA

VIA

VIIA

VIIIA

Στοιχείο 2ης περιόδου

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Αριθμός πρωτονίων

3

4

5

6

7

8

9

10

εσωτερικών 2

2

2

2

2

2

2

2

πυρηνικό 1

2

3

4

5

6

7

8

90

77

75

73

71

69

Αριθμός ηλεκτρονίων Δραστικό φορτίο

Ατομική ακτίνα (10-12 m)

154 112

Σε μια περίοδο η ατομική ακτίνα αυξάνεται από δεξιά προς αριστερά γιατί όσο πηγαίνουμε προς τα αριστερά του περιοδικού πίνακα, μειώνεται ο ατομικός αριθμός και κατά συνέπεια μειώνεται το

δραστικό πυρηνικό φορτίο του ατόμου. Έτσι, λόγω μικρότερης έλξης των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας από τον πυρήνα, η ατομική ακτίνα αυξάνεται.

C 77

Be 112

2η περίοδος: ατομική ακτίνα σε pm.

Li 154

B 90

F 71 N 75

O 73

Ne 69

Αύξηση ατομικής ακτίνας Το ευγενές αέριο έχει την μικρότερη ατομική ακτίνα από όλα τα στοιχεία της ίδιας περιόδου.

ατομική ακτίνα (pm)

160

Προσέξτε:

Sc

αύξηση του ατομικού αριθμού συνοδεύεται από

150 Ti 140 Zn V

130

Cu Cr

120

21

22

Στα στοιχεία μεταπτώσεως, η

23

24

Mn

Fe

25

26

Co

Ni

27

28

ατομικός αριθμός

29

μικρή ελάττωση της ατομικής ακτίνας. Αυτό συμβαίνει γιατί τα επιπλέον ηλεκτρόνια που

30

προστίθενται, καθώς προχωράμε προς τα δεξιά, συμπληρώνουν εσωτερικές στιβάδες d,

που ελάχιστα επηρεάζουν την ατομική ακτίνα.

110

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Η ΑΤΟΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΑ ΕΙΝΑΙ ΕΝΑ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΜΕΓΕΘΟΣ

ΙΟΝΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΑ ΙΟΝΤΩΝ Τα κατιόντα είναι μικρότερα των αντίστοιχων ατόμων γιατί προέρχονται από τα άτομα με αποβολή ηλεκτρονίων. Τα ανιόντα είναι μεγαλύτερα των αντίστοιχων ατόμων γιατί προέρχονται από τα άτομα με πρόσληψη ηλεκτρονίων. Μεταξύ ισοηλεκτρονιακών ιόντων μεγαλύτερο μέγεθος έχει το ιόν με το μικρότερο αριθμό πρωτονίων, γιατί η έλξη του πυρήνα είναι μικρότερη.

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΤΟΜΙΚΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ 1. Να εξηγήσετε ποιο στοιχείο σε καθένα από τα παρακάτω ζεύγη έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα. α. 12Μg —

20Ca

β. 12Μg — 16S

γ.

20Ca

— 16S

Λύση Η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων στη θεμελιώδη κατάσταση για καθένα από τα παραπάνω στοιχεία είναι: 12Μg: 20Ca: 16S:

1s22s22p63s2

ΔΠΦ =12-10=2

1s22s22p63s23p64s2

ΔΠΦ =20-18=2

1s22s22p63s23p4

ΔΠΦ =16-10=6

α. Τα άτομα των στοιχείων Mg και Ca ανήκουν στην ίδια ομάδα (IIA). Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Ca γιατί διαθέτει μεγαλύτερο αριθμό στιβάδων

β. Τα άτομα των στοιχείων Mg και S έχουν τον ίδιο αριθμό στιβάδων. Στο άτομο του S το ΔΠΦ είναι μεγαλύτερο, με αποτέλεσμα η έλξη πυρήνα-εξωτερικών ηλεκτρονίων να είναι μεγαλύτερη. Έτσι

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

111

τα εξωτερικά ηλεκτρόνια πλησιάζουν προς τον πυρήνα με αποτέλεσμα να μειώνεται η ατομική ακτίνα. Συνεπώς μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Mg.

γ. Τα άτομα των στοιχείων Ca και S έχουν διαφορετικό αριθμό στιβάδων και διαφορετικό ΔΠΦ. Με βάση τον αριθμό στιβάδων μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Ca. Με βάση το ΔΠΦ μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Ca. Συνεπώς μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Ca. Παρατήρηση: Τα παραπάνω συμπεράσματα προκύπτουν και από τη θέση των στοιχείων στον Περιοδικό Πίνακα.

Mg: 3η περίοδος και IIΑ ομάδα Ca: 4η περίοδος και IIΑ ομάδα S: 3η περίοδος και VIA ομάδα Το Ca έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα από τα τρία στοιχεία αφού βρίσκεται πιο κάτω και πιο αριστερά στον Π.Π. Προσοχή: Στις ασκήσεις όπου ζητείται να εξηγήσουμε μεταξύ κάποιων στοιχείων, ποιο από αυτά έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα, η εξήγηση πρέπει να δίνεται με βάση το ΔΠΦ και τον αριθμό των στιβάδων και να επιβεβαιώνεται με τη θέση των στοιχείων στον Π.Π.

2. Ποιο από τα παρακάτω σωματίδια έχει μεγαλύτερο μέγεθος και γιατί; +

a. 19Κ και 19Κ

ε. 7Ν3- και 9F-

β. 17Cℓ και

ℓ-

+

17C

στ. 12Μg2+ και

γ. 11Νa και 9F

-

δ.

26Fe

2+

και

3+ 26Fe

2+

20Ca

Λύση α. Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου

19Κ

και του ιόντος 19Κ+ είναι αντίστοιχα:

1s22s22p63s23p64s1

19Κ:

+

19Κ

:1s22s22p63s23p6

Το άτομο του Κ έχει μεγαλύτερο μέγεθος, αφού έχει περισσότερα ηλεκτρόνια, δηλαδή η έκταση του ηλεκτρονιακού νέφους είναι μεγαλύτερη (ενώ το φορτίο του πυρήνα είναι το ίδιο και στα δύο σωματίδια). β. Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου 17Cℓ και του ιόντος 17Cℓ- είναι αντίστοιχα:

ℓ: 1s22s22p63s23p5

17C

ℓ- : 1s22s22p63s23p6

17C

112

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Το ιόν

ℓ- έχει μεγαλύτερο μέγεθος, αφού έχει περισσότερα ηλεκτρόνια δηλαδή η έκταση του

17C

ηλεκτρονιακού νέφους είναι μεγαλύτερη (ενώ το φορτίο του πυρήνα είναι το ίδιο και στα δύο σωματίδια). γ. Η ηλεκτρονιακή δομή των δύο ιόντων είναι η εξής: +

:1s22s22p6

11Νa 9F

-

: 1s22s22p6

0 αριθμός ηλεκτρονίων των δύο σωματιδίων είναι ο ίδιος (10e). Το ιόν11Νa+ έχει στον πυρήνα του 11 πρωτόνια, ενώ το ιόν 9F- έχει στον πυρήνα του 9 πρωτόνια. 0 πυρήνας του Na+ έχει μεγαλύτερο θετικό φορτίο συνεπώς ασκεί μεγαλύτερη έλξη στο νέφος των ηλεκτρονίων με αποτέλεσμα αυτό να -

συρρικνώνεται και το μέγεθος του να ελαττώνεται. Συνεπώς το ιόν 9F έχει μεγαλύτερο μέγεθος. δ. Η ηλεκτρονιακή δομή των δύο ιόντων είναι η εξής: 26Fe

2+

: 1s22s22p63s23p63d6

26Fe

3+

: 1s22s22p63s23p63d5

Το ιόν Fe2+ έχει μεγαλύτερο μέγεθος, αφού έχει περισσότερα ηλεκτρόνια δηλαδή η έκταση του ηλεκτρονιακού νέφους είναι μεγαλύτερη (ενώ το φορτίο του πυρήνα είναι το ίδιο και στα δύο ιόντα). Στο ίδιο συμπέρασμα καταλήγουμε παρατηρώντας ότι το υποστιβάδα που

3+ 26Fe

διαθέτει ημισυμπληρωμένη (3d5)

αντιστοιχεί σε σχετικά σταθερή ενεργειακή κατάσταση , δηλαδή μικρή ατομική

ακτίνα σαν τα ευγενή αέρια. ε. Η ηλεκτρονιακή δομή των δύο ιόντων είναι η εξής: 37Ν 9F

: 1s22s22p6

-

: 1s22s22p6

0 αριθμός ηλεκτρονίων είναι ο ίδιος και στα δύο ιόντα (10 e). Το ιόν 7Ν3- έχει στον πυρήνα του 7ρ, ενώ το ιόν 9F- έχει στον πυρήνα του 9ρ. 0 πυρήνας του 9F- έχει μεγαλύτερο θετικό φορτίο, συνεπώς ασκεί μεγαλύτερη έλξη στο νέφος των ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα αυτό να συρρικνώνεται και το μέγεθος του να ελαττώνεται. Συνεπώς το ιόν 7Ν3- έχει μεγαλύτερο μέγεθος. στ. H ηλεκτρονιακή κατανομή των δύο ιόντων είναι η εξής: 12Μg 20Ca

2+

:1s22s22p6

2+

:1s22s22p63s23p6

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

113

Μεγαλύτερο μέγεθος έχει το ιόν

2+ 20Ca ,

αφού έχει συμπληρωμένη με ηλεκτρόνια μια στιβάδα

περισσότερη.

Παρατηρήσεις: 1. ‘Ένα ανιόν έχει πάντοτε μεγαλύτερο μέγεθος από το αντίστοιχο ουδέτερο άτομο, αφού η πρόσληψη ενός ή περισσοτέρων ηλεκτρονίων έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της έκτασης του ηλεκτρονιακού νέφους.

2.‘Ένα κατιόν έχει πάντοτε μικρότερο μέγεθος από το αντίστοιχο ουδέτερο άτομο, αφού η αποβολή ενός ή περισσοτέρων ηλεκτρονίων έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση της έκτασης του ηλεκτρονιακού νέφους 3. Μεταξύ ισοηλεκτρονιακών ιόντων μεγαλύτερο μέγεθος έχει το ιόν με το μικρότερο φορτίο πυρήνα (αριθμό πρωτονίων), αφού σ’ αυτό το ιόν η έλξη του πυρήνα στο ηλεκτρονιακό νέφος είναι μικρότερη με αποτέλεσμα την αύξηση της έκτασης του ηλεκτρονιακού νέφους.

ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ (Εi) Eνέργεια πρώτου ιοντισμού (Εi1) Ορίζεται: Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την πλήρη απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ελεύθερο άτομο, που βρίσκεται στη θεμελιώδη του κατάσταση και σε αέρια φάση. Αν Σ ένα στοιχείο τότε γράφουμε την αντίδραση ιοντισμού: Σ(g)

Σ+ (g) + e- , με Ei 1 = ΔΗ > 0 η οποία είναι ενδόθερμη

Μονάδες: συνήθως σε kJ mol-1 Εκφράζει: το ποσό της ενέργειας που απαιτείται για να αποσπασθεί 1 mol ηλεκτρόνίων ( 6,02 1023 ηλεκτρόνια) από τις ελκτικές δυνάμεις του πυρήνα. Από την αρνητική δυναμική ενέργεια που έχει το ηλεκτρόνιο κινούμενο σε κάποια τροχιά προσφέρουμε ένα ποσό ενέργειας για να αποκτήσει δυναμική ενέργεια ίση με 0, για να βρεθεί κινούμενο εκτός ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργεί ο πυρήνας. Καθορίζει: την τάση του στοιχείου για αποβολή ηλεκτρονίων. Αν η ενέργεια ιοντισμού είναι μικρή το στοιχείο αποβάλλει εύκολα ηλεκτρόνια και το αντίστροφο.

114

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Εξαρτάται: από την ατομική ακτίνα, όσο μεγαλύτερη είναι η ατομική ακτίνα, τόσο ελαττώνεται η έλξη πυρήνα - ηλεκτρονίου με αποτέλεσμα να μειώνεται η ενέργεια ιοντισμού. από το φορτίο του πυρήνα, όσο μεγαλύτερο το φορτίο του πυρήνα τόσο ισχυρότερη η έλξη στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ενέργεια ιοντισμού. από τα ενδιάμεσα ηλεκτρόνια, τα οποία απωθούν το τελευταίο ηλεκτρόνιο με αποτέλεσμα να μειώνεται η ενέργεια ιοντισμού Ενέργεια 2ου ιοντισμού ( Εi2):

είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να απομακρυνθεί και +

δεύτερο ηλεκτρόνιο από το κατιόν Σ .

(g)

2

με Ei 2 = ΔΗ΄ > 0

(g) e

Η δεύτερη ενέργεια ιοντισμού έχει μεγαλύτερη τιμή από την πρώτη, καθώς πιο εύκολα φεύγει το ηλεκτρόνιο από το ουδέτερο άτομο απ΄ ότι από το φορτισμένο ιόν. Δηλαδή,

έχουμε:

Εi 2 > Ei 1. Με ανάλογο τρόπο προκύπτει: Ei 3 > Ei 2. κ.ο.κ.

Μεταβολή ενέργειας ιοντισμού κατά ομάδα Όσο μειώνεται η ατομική ακτίνα, τόσο αυξάνεται η έλξη πυρήνα - ηλεκτρονίου με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ενέργεια ιοντισμού. Κατά μήκος μιας ομάδας η ατομική ακτίνα μειώνεται από κάτω προς τα πάνω και αυξάνεται η ενέργεια ιοντισμού.

Li 520,2

1η ομάδα: ενέργεια ιοντισμού σε ΚJ/mol

Na 495,8

K 418,8

Rb 403,0

Αύξηση ενέργειας ιοντισμού

Cs 375,7

Μεταβολή ενέργειας ιοντισμού κατά περίοδο Όσο μειώνεται η ατομική ακτίνα, τόσο αυξάνεται η έλξη πυρήνα - ηλεκτρονίου με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ενέργεια ιοντισμού. Σε μια περίοδο η η ατομική ακτίνα μειώνεται από αριστερά προς δεξιά, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ενέργεια ιοντισμού

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

115

Be 899,5

2η περίοδος: ενέργεια ιοντισμού σε ΚJ/mol

C

F

1086

1681

Li

B

N

O

520,2

800,7

1402

1314

Ne 2081

Αύξηση ενέργειας ιοντισμού

Το ευγενές αέριο έχει την μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού από όλα τα στοιχεία της ίδιας περιόδου. Γενικά

στοιχεία

με

σταθερές

ηλεκτρονιακές

δομές

ημισυμπληρωμένα…nd5

ή….. np3

και συμπληρωμένα….ns2

(δομή

ευγενούς

αερίου…

ns2 np6,

και …nd10 τροχιακά στην εξωτερική

στοιβάδα) έχουν μεγάλη ενέργεια ιοντισμού. Η ενέργεια ιοντισμού είναι ένα περιοδικό μέγεθος Ενέργεια ιοντισμού (kJ/mol)

περίοδος

Ατομικός αριθμός (Ζ)

ατομικός αριθμός

Εξαιρέσεις (για την 2η και 3η περίοδο): Τα στοιχεία της 13ης ομάδας έχουν μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού από τα στοιχεία της 2ης ομάδας της ίδιας περιόδου. Γιατί το ένα ηλεκτρόνιο φεύγει από το τροχιακό np και όχι από το συμπληρωμένο ns, όπως γνωρίζουμε τα np τροχιακά έχουν μεγαλύτερη ενέργεια από τα ns άρα απαιτείται μικρότερη ενέργεια για τον ιοντισμό τους.

116

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Τα στοιχεία της 16ης ομάδας έχουν μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού από τα στοιχεία της 15ης ομάδας γιατί το ηλεκτρόνιο αποσπάται από ένα τροχιακό np συμπληρωμένο όπου βρίσκονται 2 ηλεκτρόνια και όχι από ένα ημισυμπληρωμένο αντίστοιχα np τροχιακό.

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ 1. a. Ποιο από τα στοιχεία 11Νa και 19Κ έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού; β. Αν η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του Na είναι 500kJ/mοl να βρεθεί η ενέργεια που απορροφάται όταν: +

i) 4,6 g Νa(g) μετατρέπεται σε Νa

(g)

+

ii) ένα άτομο Νa(g) μετατρέπεται σε Νa

(g)

Η σχετική ατομική μάζα του Na είναι: Αr=23. Λύση α. Η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων του Na και του Κ στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: Νa: 1s22s22p63s1 Κ: 1s22s22p63s23p6 4s1 Τα δύο στοιχεία έχουν το ίδιο ΔΠΦ. Το Κ όμως έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα (αφού έχει μεγαλύτερο αριθμό στιβάδων) με αποτέλεσμα να

απαιτείται μικρότερο ποσό

ενέργειας για την απόσπασή του ηλεκτρονίου. Άρα: Ει1(Κ) < Ει1(Νa) Στο ίδιο συμπέρασμα καταλήγουμε και από τη θέση των στοιχείων στον Π.Π.

Na: 3η περίοδος και ΙΑ ομάδα K: 4η περίοδος και ΙΑ ομάδα Τα στοιχεία Na και Κ βρίσκονται στην ίδια ομάδα του Π.Π. (IA). Συνεπώς μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού έχει το Na αφού βρίσκεται πιο πάνω στον Π.Π. Παρατήρηση: 1. Στις ασκήσεις όπου ζητείται να εξηγήσουμε μεταξύ κάποιων στοιχείων, ποιο από αυτά έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού, η εξήγηση πρέπει να δίνεται με βάση το ΔΠΦ και την ατομική ακτίνα και να επιβεβαιώνεται με τη θέση των στοιχείων στον Π.Π.

2. Μεταξύ δύο στοιχείων πιο ηλεκτροθετικό είναι αυτό που έχει τη μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

117

β. i.

n =m/Ar =0,2 mοl 1 mοl ατόμων Na απορροφά 500kJ 0,2 mοl

;x

x=100kJ

ii.

1 mοl ατόμων Na δηλαδή ΝΑ άτομα απορροφούν 500 kJ 1 άτομο

;x

x=500/ ΝΑ kJ

2. Να εξηγήσετε τις παρακάτω προτάσεις: α. Ενώ η ενέργεια πρώτου ιοντισμού αυξάνεται από τα δεξιά προς τα αριστερά σε μια περίοδο στον περιοδικό πίνακα, η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του αζώτου (7Ν) είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια πρώτου ιοντισμού του οξυγόνου (8Ο) και η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του βηρυλλίου (4Be) είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια πρώτου ιοντισμού του βορίου (5Β). β. Η ενέργεια δεύτερου ιοντισμού του λιθίου (3Li) είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια δεύτερου ιοντισμού του βηρυλλίου (4Βe),παρόλο που για την ενέργεια πρώτου ιοντισμού ισχύει το αντίθετο. Λύση Η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων του Ν και του O στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: α. 7Ν: 1s22s22p3 8Ο:

1s22s22p4

2η περίοδος, VA ομάδα

2η περίοδος, VΙA ομάδα

Με βάση τη θέση των στοιχείων στον Περιοδικό Πίνακα μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού θα περιμέναμε να έχει το οξυγόνο αφού βρίσκεται πιο δεξιά από τo άζωτο στον Π.Π. Στο ίδιο συμπέρασμα θα καταλήγαμε και με βάση τους παράγοντες που επηρεάζουν την Ei1 ( τo οξυγόνο έχει μεγαλύτερο ΔΠΦ και μικρότερη ατομική ακτίνα από το άζωτο). Όμως κατά τον πρώτο ιοντισμό του αζώτου απομακρύνεται ένα ηλεκτρόνιο από την υποστιβάδα 2ρ, η οποία ήταν ημισυμπληρωμένη (2ρ3) και αντιστοιχούσε σε σχετικά σταθερή ενεργειακή κατάσταση. Αντίθετα κατά τον πρώτο ιοντισμό του οξυγόνου απομακρύνεται ένα ηλεκτρόνιο από την υποστιβάδα 2ρ και το ιόν που προκύπτει αποκτά ημισυμπληρωμένη υποστιβάδα 2ρ.

118

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Αφού λοιπόν ο πρώτος ιοντισμός του αζώτου συνοδεύεται από την απώλεια της ημισυμπληρωμένης υποστιβάδας 2ρ, συμπεραίνουμε ότι: Εi1 (Ν) > Ε i1 (0).

Η ηλεκτρονιακή δομή του 4Be στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 1s22s2 Η ηλεκτρονιακή δομή του 5B στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 1s22s22p1 Δυσκολότερα μπορεί να αποσπαστεί ένα ηλεκτρόνιο από 2s την παρά από την 2p

γιατί η 2s

βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα. Άρα η η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του βηρυλλίου (4Be) είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια πρώτου ιοντισμού του βορίου (5Β).

β. Η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων Li και Be στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 3Li

: 1s22s1

4Be:

1s22s2

Κατά το πρώτο ιοντισμό αποσπώνται ηλεκτρόνια από την 2s, αποσπάται δυσκολότερα το ηλεκτρόνιο από το Be γιατί το Be έχει μικρότερη ατομική ακτίνα και μεγαλύτερο πυρηνικό φορτίο Κατά το δεύτερο ιοντισμό των παραπάνω στοιχείων απομακρύνεται ένα ηλεκτρόνιο από τα ιόντα Li+ (1s2)

( 1s1 ) και Be+ (2s1)

(1s2 )

Το ιόν Li+ έχει δομή ευγενούς αερίου (2Ηe: 1s2) η οποία είναι ιδιαίτερα σταθερή ενεργειακή κατάσταση. Συνεπώς η απομάκρυνση του δεύτερου ηλεκτρονίου από το κατιόν Li+ απαιτεί μεγαλύτερη ενέργεια από την αντίστοιχη στο ιόν Be+ αφού συνοδεύεται από την απώλεια της σταθερής δομής του ευγενούς αερίου. Συνεπώς Εi2 (Li) > Εi2 (Be)

3. Για ένα άγνωστο στοιχείο Α, το οποίο ανήκει σε κύρια ομάδα του Π.Π. βρέθηκαν οι εξής ενέργειες ιοντισμού: Εi1 = 600 kJ/mοl Ε i2 =1140 kJ/mοl Ε i3 = 4910 kJ/mοl Ε i4 = 6150 kJ/mοl Να βρεθεί σε ποια ομάδα του Π.Π. μπορεί να ανήκει το στοιχείο Α.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

119

Λύση Για τις ενέργειες ιοντισμού του στοιχείου Α ισχύει: Ε i1 < Ε i2 < Ε i3< Ε i4 Η αύξηση της ενέργειας ιοντισμού, κατά την παραπάνω σειρά, οφείλεται στο ότι η δυσκολία απόσπασης ενός ηλεκτρονίου είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερο είναι το θετικό φορτίο του σωματιδίου από το οποίο αποσπάται το ηλεκτρόνιο. Όμως η απότομη αύξηση της ενέργειας τρίτου ιοντισμού πρέπει να οφείλεται και σε έναν ακόμα παράγοντα: την απώλεια της δομής ευγενούς αερίου που έχει το ιόν Α2+, δηλαδή τη μετατροπή της δομής (ns2,nρ6) σε (ns2,nρ5). Αφού το ιόν Α2+ έχει δομή ευγενούς αερίου, συμπεραίνουμε ότι το ουδέτερο άτομο Α (το οποίο έχει δύο ηλεκτρόνια περισσότερα) θα έχει δομή εξωτερικής στιβάδας (n+1)s2. Συνεπώς το στοιχείο Α ανήκει στη 2η ομάδα (IIΑ) του Π.Π.

ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ ενέργεια ιοντισμού – ηλεκτραρνητικότητα - αμέταλλα

A.A. ΗΘ

ενέργεια ιοντισμού - ηλεκτραρνητικότητα αμεταλλικός χαρακτήρας

Ε.Ι. ΗΑ

Me

ατομική ακτίνα - ηλεκτροθετικότητα μεταλλικός χαρακτήρας

Ame

Κάθε ιδιότητα αυξάνεται κατά την φορά του βέλους. ατομική ακτίνα–ηλεκτροθετικότητα–μεταλλικός χαρακτήρας

120

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Ηλεκτροθετικότητα: ονομάζεται η τάση που έχουν τα άτομα των στοιχείων να αποβάλλουν ηλεκτρόνια δηλαδή να οξειδωθούν. Όσο μικραίνει η ενέργεια ιοντισμού ενός στοιχείου τόσο αυξάνεται η ηλεκτροθετικότητα του. Μέταλλα: ονομάζονται τα στοιχεία που έχουν σχετικά χαμηλές τιμές ενέργειας ιοντισμού με αποτέλεσμα εύκολα να αποβάλλουν ηλεκτρόνια και να μετατρέπονται σε θετικά ιόντα(αναγωγικά στοιχεία).Για το λόγο αυτό και τα μέταλλα χαρακτηρίζονται ως ηλεκτροθετικά στοιχεία.

Ο

μεταλλικός χαρακτήρας (όμοια και η ηλεκτροθετικότητα) μεταβάλλεται κατά τη φορά του βέλους όπως φαίνεται στο σχέδιο. Το πιο ισχυρό μέταλλο είναι το Fr (κάτω αριστερά). Ηλεκτραρνητικότητα: ονομάζεται η τάση που έχουν τα στοιχεία να έλκουν τα κοινά ζεύγη των ηλεκτρόνιων των ομοιοπολικών δεσμών στους οποίους συμμετέχουν. Αμέταλλα: ονομάζονται τα στοιχεία που έχουν μεγάλες τιμές ενέργειας ιοντισμού οπότε έχουν μεγάλη τάση να προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια και να μετατρέπονται σε αρνητικά ιόντα, για το λόγο αυτό χαρακτηρίζονται

ως

ηλεκτραρνητικά

στοιχεία.

Ο

αμέταλλος

χαρακτήρας

(όμοια

και

η

ηλεκτραρνητικότητα) μεταβάλλεται αντίθετα από την ηλεκτροθετικότητα κατά τη φορά του βέλους όπως φαίνεται στο σχέδιο. Το πιο ισχυρό αμέταλλο είναι το F (πάνω δεξιά). Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα τα μέταλλα βρίσκονται στο κάτω αριστερό τμήμα του Π.Π. (καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο κομμάτι του πίνακα), και διαχωρίζονται με την κλιμακωτή γραμμή από τα αμέταλλα που βρίσκονται στο επάνω δεξιό κομμάτι του περιοδικού πίνακα και κατέχουν περίπου το ¼ της συνολικής του έκτασης.

Ιοντικός ή ετεροπολικός δεσμός: δημιουργείται μεταξύ στοιχείων με πολύ μεγάλη διαφορά ηλεκτραρνητικότητας (ενός μετάλλου και ενός αμέταλλου). Οι ιοντικές ενώσεις είναι στερεές με υψηλά σημεία βρασμού.

Ομοιοπολικός δεσμός: δημιουργείται μεταξύ αμέταλλων στοιχείων με παρόμοια ηλεκτραρνητικότητα. Οι ομοιοπολικές ενώσεις είναι αέριες με χαμηλά σημεία βρασμού. Όσο αυξάνεται η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας των αμετάλλων που συμμετέχουν στον ομοιοπολικό τόσο πολώνεται ο δεσμός και αυξάνει το σημείο βρασμού.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

121

Στο παρακάτω πίνακα φαίνονται οι χαρακτηριστικές ιδιότητες των χλωριδίων των στοιχείων της 3ης περιόδου (Na-Ar). Το χλώριο είναι αμέταλλο (μεγάλη ηλεκτραρνητικότητα). Όταν ενώνεται με ισχυρά μέταλλα (Νa) που βρίσκονται αριστερά του πίνακα, προκύπτουν ιοντικές ενώσεις με υψηλά σημεία βρασμού (πολύ μεγάλη διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ των μετάλλων και του χλωρίου). Καθώς κινούμαστε προς τα δεξιά της 3ης περιόδου μειώνεται ο μεταλλικός χαρακτήρας των στοιχείων και ο ετεροπολικός χαρακτήρας χλωριδίων με αντίστοιχη μείωση του σημείου βρασμού. Καταλήγουμε στο μόριο Cℓ2 που δύο άτομα χλωρίου με όμοια ηλεκτραρνητικότητα σχηματίζουν μη πολωμένο ομοιοπολικό δεσμό με χαμηλό σημείο βρασμού.

3η περίοδος

Na

μοριακός τύπος

NaCℓ MgCℓ2 Aℓ2Cℓ6

φυσική κατάσταση

στερεό

Mg

στερεό

Aℓ

στερεό

Si

P

SiCℓ4

PCℓ3

, SCℓ2,

PCℓ5

S2Cℓ2

υγρό,

υγρό,

στερεό

υγρό

74, 164

59, 138

υγρό

( 20 ºC ) σημείο βρασμού

1465

1418

423

57

S

Cℓ

Ar

Cℓ2

-

αέριο -35

-

/ºC

Στο παρακάτω πίνακα φαίνονται οι χαρακτηριστικές ιδιότητες των οξειδίων των στοιχείων της 3ης περιόδου (Na-Ar). Το οξυγόνο είναι αμέταλλο (μεγάλη ηλεκτραρνητικότητα). Όταν ενώνεται με ισχυρά μέταλλα (Νa) που βρίσκονται αριστερά του πίνακα, προκύπτουν βασικά

οξείδια

(συμπεριφέρονται σαν βάσεις και εξουδετερώνονται από οξέα) με υψηλά σημεία βρασμού. Καθώς κινούμαστε προς τα δεξιά της 3ης περιόδου και συναντάμε τα αμέταλλα ( P, S, και Cℓ) προκύπτουν όξινα οξείδια (συμπεριφέρονται σαν οξέα και εξουδετερώνονται από βάσεις) με χαμηλότερα σημεία βρασμού. Ανάμεσα στα όξινα και στα βασικά οξείδια εμφανίζονται τα επαμφοτερίζοντα οξείδια που συμπεριφέρονται είτε σαν οξέα είτε σαν βάσεις.

122

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ΑΥΞΗΣΗ ΟΞΙΝΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΑ

3ηπερίοδος

μοριακός τύπος

Mg Na

Si Aℓ

Na2O

MgO

Aℓ2O3

SiO2

P

S

Cℓ

P4O10 , P4O6

SO2,

Cℓ2O

SO3 χημικός

βασικός

βασικός επαμφ. όξινος

όξινος

όξινος

όξινος

στερεό

στερεό

στερεό

στερεό

αέριο

αέριο

χαρακτήρας φυσική

στερεό

κατάσταση

(υγρό)

( 20 ºC )

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Δίνονται τα στοιχεία 6Α και 9Β. α. Να βρεθεί η θέση των στοιχείων στον Π.Π. β. Ποιο από τα δύο στοιχεία έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; γ. Ποιο από τα δύο στοιχεία έχει μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού; δ. Ποιο από τα δύο στοιχεία είναι πιο ηλεκτροθετικό; ε. Ποιο από τα δύο στοιχεία είναι πιο ηλεκτραρνητικό; στ. Ποιο από τα δύο στοιχεία σχηματίζει οξείδιο με πιο έντονο όξινο χαρακτήρα; Να εξηγήσετε αναλυτικά τις απαντήσεις σας. Λύση α. 6Α: 1s22s22p2. Αφού τα ηλεκτρόνια κατανέμονται σε δύο στιβάδες, θα ανήκει στην 2η περίοδο. Αφού διαθέτει 4 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα ανήκει στην IVA ομάδα.

9Β:

1s22s22p5

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

123

Αφού τα ηλεκτρόνια κατανέμονται σε δύο στιβάδες, θα ανήκει στην 2η περίοδο. Αφού διαθέτει 7 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα ανήκει στην VIIA ομάδα.

β. Γνωρίζουμε ότι η ατομική ακτίνα εξαρτάται από δύο παράγοντες: i.

Τον αριθμό των στιβάδων. Σε όσο πιο πολλές στιβάδες είναι κατανεμημένα τα ηλεκτρόνια του

ατόμου τόσο μεγαλύτερο μέγεθος έχει το άτομο. ii.

Το δραστικό πυρηνικό φορτίο (ΔΠΦ). Όσο πιο μεγάλο είναι το δραστικό πυρηνικό φορτίο (κατά

προσέγγιση το φορτίο του πυρήνα ελαττωμένο κατά το φορτίο των ηλεκτρονίων των εσωτερικών στιβάδων) τόσο πιο μεγάλη έλξη ασκείται στο πιο απομακρυσμένο ηλεκτρόνιο και συνεπώς τόσο πιο μικρή ατομική ακτίνα έχει το στοιχείο. Τα στοιχεία Α και Β ανήκουν στην ίδια περίοδο (2η ). Γνωρίζουμε ότι κατά μήκος μιας περιόδου από τα αριστερά προς τα δεξιά αυξάνεται το δραστικό πυρηνικό φορτίο, ενώ ο αριθμός των στιβάδων παραμένει σταθερός, με αποτέλεσμα να ελαττώνεται η ατομική ακτίνα. Συνεπώς το στοιχείο Α που βρίσκεται πιο αριστερά έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα.

γ. Γνωρίζουμε ότι η ενέργεια πρώτου ιοντισμού (Εi1) εξαρτάται από τρεις παράγοντες: i. Την ατομική ακτίνα. Όσο πιο μικρή είναι η ατομική ακτίνα ενός στοιχείου τόσο μικρότερη είναι η μέση απόσταση του πιο απομακρυσμένου ηλεκτρονίου από τον πυρήνα. Αυτό έχει ως συνέπεια να αυξάνεται η έλξη πυρήνα-ηλεκτρονίου με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ενέργεια πρώτου ιοντισμού. ii.

Στοιχεία

με

σταθερές

ημισυμπληρωμένα…nd5

ή….. np3

ηλεκτρονιακές

δομές

(δομή

και συμπληρωμένα….ns2

ευγενούς

αερίου…

ns2

np6,

και …nd10 τροχιακά στην εξωτερική

στοιβάδα) έχουν μεγάλη ενέργεια ιοντισμού. Κατά τον πρώτο ιοντισμό των στοιχείων (Α και Β) απομακρύνεται ένα ηλεκτρόνιο από την υποστιβάδα 2ρ και

κανένα από τα

ιόντα που προκύπτουν δεν αποκτούν

ημισυμπληρωμένη

υποστιβάδα 2ρ. Τα στοιχεία Α και Β ανήκουν στην ίδια περίοδο. Γνωρίζουμε ότι κατά μήκος μιας περιόδου από τα αριστερά προς τα δεξιά η ατομική ακτίνα ελαττώνεται με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ενέργεια πρώτου ιοντισμού. Συνεπώς το στοιχείο Β έχει μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού αφού βρίσκεται πιο δεξιά.

124

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

δ. Περισσότερο ηλεκτροθετικό είναι το στοιχείο με τη μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού. Αφού το στοιχείο Α έχει μικρότερη Εi1 συμπεραίνουμε ότι είναι πιο ηλεκτροθετικό.

ε. Γνωρίζουμε ότι σε μια περίοδο η ηλεκτραρνητικότητα αυξάνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά. Συνεπώς το στοιχείο Β είναι πιο ηλεκτραρνητικό.

στ. Γνωρίζουμε ότι για τα στοιχεία μιας περιόδου ο όξινος χαρακτήρας των οξειδίων τους αυξάνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά. Συνεπώς το οξείδιο του στοιχείου Β έχει εντονότερο όξινο χαρακτήρα.

2. Δίνεται ο παρακάτω υποθετικός Περιοδικός Πίνακας Α Λ

Β

Μ Δ

Ε

Ζ

Η Θ

Γ

Κ

i. Ποιο από όλα τα στοιχεία έχει μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού και ποιο τη μικρότερη; ii. Το οξείδιο του Λ είναι όξινο ή βασικό; iii. Ποιο στοιχείο έχει μεγαλύτερη ακτίνα το Ε ή το Ζ και γιατί; vi. Ποιο στοιχείο έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα το Δ ή το Μ και γιατί; v. Ποιο στοιχείο έχει μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού το Ε ή το Ζ και γιατί; iv. Ποιο στοιχείο έχει μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού το Γ ή το Δ και γιατί; Λύση i) Κατά μήκος μιας περιόδου του Π.Π. η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται από αριστερά προς δεξιά, και από κάτω προς τα πάνω. Μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού έχει το Α που βρίσκεται δεξιότερα και πιο πάνω και τη μικρότερη ενέργεια ιοντισμού έχει το Γ που βρίσκεται αριστερά και πιο κάτω. ii)

Το οξυγόνο είναι αμέταλλο (μεγάλη ηλεκτραρνητικότητα). Όταν ενώνεται με ισχυρά μέταλλα (Λ)

που βρίσκονται αριστερά του πίνακα, προκύπτουν βασικά οξείδια. iii) Κατά μήκος μιας περιόδου του Π.Π. η ατομική ακτίνα αυξάνεται από δεξιά προς αριστερά. Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Ε που βρίσκεται αριστερά του Ζ.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

125

iv) Η ατομική ακτίνα αυξάνεται από δεξιά προς αριστερά και από πάνω προς τα κάτω. Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Δ που βρίσκεται αριστερά και πιο χαμηλά του Μ. v)

Κατά μήκος μιας περιόδου του Π.Π. η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται από αριστερά προς δεξιά.

Μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού έχει το Ζ που βρίσκεται δεξιότερα από το Ε. vi) Η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται από αριστερά προς δεξιά, και από κάτω προς τα πάνω. Μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού έχει το Δ που βρίσκεται δεξιότερα και πιο πάνω από το Γ.

Ερωτήσεις κατανόησης 1. α. Τι ονομάζεται ενέργεια πρώτου ιοντισμού; Γράψτε την χημική εξίσωση που περιγράφει την ενέργεια πρώτου ιοντισμού του αργιλίου. β. Γιατί η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του μαγνησίου είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια πρώτου ιοντισμού του νατρίου; Ατομικοί αριθμοί Νa: 11, Mg: 12 (IB Chemistry 2005) 2. a. Το Β και το Aℓ βρίσκονται στην ίδια ομάδα στον Π.Π. γιατί η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του Β είναι μεγαλύτερη. β. Το Aℓ και το Si βρίσκονται στην ίδια περίοδο στον Π.Π. γιατί η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του Si είναι μεγαλύτερη του Aℓ. Δίνονται ατομικοί αριθμοί Β:5, Aℓ:13, Si:14.

(IB Chemistry 2001) 3. α. Εξηγήστε πως μεταβάλλεται η ατομική ακτίνα των αλογόνων; β. Εξηγείστε πως μεταβάλλεται η ατομική ακτίνα στην 2η περίοδο. (ΙΒ Chemistry 2006) 4. α. Γιατί η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του 12Mg είναι μικρότερη από του 9F. β. Γράψτε την ενέργεια τρίτου ιοντισμού του Mg, γιατί η ενέργεια τρίτου ιοντισμού του Mg είναι η μεγαλύτερη από εκείνης του F. (ΙΒ Chemistry 2006) 5. Γιατί υπάρχει διαφορά στην ενέργεια ιοντισμού μεταξύ 1Η και 2He και μεταξύ 3Li και 19Κ;

6. Να ταξινομηθούν τα παρακάτω στοιχεία σε μια σειρά αυξανόμενης πρώτης ενέργειας ιοντισμού: α. 3Li, 11Na, 19K, 37Rb,

126

55Cs, 87Fr

β. 17Cℓ, 35Br,

53I

γ. 11Na, 12Mg, 13Aℓ, 14Si, 15P, 16S, 17Cℓ, 18Ar

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

7. Ποιο από τα παρακάτω στοιχεία έχει τη μεγαλύτερη πρώτη ενέργεια ιοντισμού: α. 13Aℓ,

β. 14Si,

γ. 15P,

δ. 16S,

ε.

33Αs

8. Δίνονται τα άτομα Ca, K, Be, Na, Li. Ποιο από αυτά έχει τη μικρότερη πρώτη ενέργεια ιοντισμού; α.

20Ca,

β. 4Be,

γ. 11Νa,

δ. 3Li,

ε. 19K

9. Όταν τα άτομα των στοιχείων, 6C, 3Li,

10Ne

και

14Si

τοποθετούνται σε μια σειρά με αυξανόμενη

τιμή πρώτης ενέργειας ιοντισμού, η σειρά αυτή είναι: α. Li, Si, C, Ne

β. C, Si, Li, Ne

γ. Li, Si, Ne, C

δ. Li, C, Si, Ne,

ε. Ne, C, Si, Li.

10. Να επιλέξετε από τα Α έως Ε, τις ηλεκτρονιακές δομές που απαντούν σωστά στις ερωτήσεις α έως δ. Α

2

8

8

Β

2

8

11 2

Γ

2

8

18 7

Δ 2

8

18 8

Ε

8 18 18

2

1

8

α. Ποιο στοιχείο έχει τη μικρότερη πρώτη ενέργεια ιοντισμού; β. Ποιο στοιχείο έχει τη μεγαλύτερη πρώτη ενέργεια ιοντισμού; γ. Ποιο στοιχείο είναι στοιχείο μετάπτωσης; δ. Ποιο στοιχείο σχηματίζει ευκολότερα αρνητικό ιόν; 11. Δίνονται τα στοιχεία 10Ne, 9F, 8O, 2He, 11Na γράψτε τις ηλεκτρονιακές δομές των ατόμων και με βάση αυτές να τα κατατάξετε σε μια σειρά αυξανόμενης πρώτης ενέργειας ιοντισμού. Δώστε πλήρη εξήγηση της απάντησής σας.

12. Να συγκρίνετε την ατομική ακτίνα των παρακάτω χημικών στοιχείων: α. 3Li, 11Na, 19K, 37Rb δ. 12Mg, 16S,

20Ca

ζ. 18Ar, 19K, 20Ca

β. 11Na, 12Mg, 13Aℓ, 17Cℓ ε. 8O, 9F, 11Na

γ. 19K, 20Ca, 21Sc,

24Cr

στ. 17Cℓ, 20Ca, 34Se

η. 12Mg, 15P, 17Cℓ, 19K

13. Να συγκρίνετε το μέγεθος στα επόμενα σωματίδια: α. 19Κ και 19Κ+

β. 9F και 9F-

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

γ. 11Νa+ και 19Κ+

δ. 13Aℓ, 13Aℓ+ και 13Aℓ3+

127

ε. 16S2- και 8Ο2- στ. 7Ν, 7Ν3- και 7Ν+ 14. Δίνεται ο παρακάτω πίνακας: Στοιχείο

Πρώτη Ενέργεια Ιοντισμού (eV)

Δεύτερη Ενέργεια Ιοντισμού (eV)

Li

5,39

75,62

Na

5,14

47,29

K

4,34

31,81

Rb

4,18

27,36

Cs

3,89

23,40

Mg

7,64

15,03

Να εξηγήσετε γιατί: α. Η πρώτη ενέργεια ιοντισμού ελαττώνεται από Li προς το Cs. β. Η δεύτερη ενέργεια ιοντισμού είναι πολύ υψηλότερη της πρώτης στην ομάδα ΙΑ. γ. Η πρώτη ενέργεια ιοντισμού για το Mg είναι μεγαλύτερη από την πρώτη ενέργεια ιοντισμού Νa. δ. Η δεύτερη ενέργεια ιοντισμού για το Mg είναι μικρότερη από τη δεύτερη ενέργεια ιοντισμού οποιουδήποτε αλκαλιμετάλλου.

15. Να διατάξετε τα επόμενα σωματίδια κατά αυξανόμενο μέγεθος: α. 8Ο2-, 9F-, 10Ne, 11Na+

β. 19K+, 20Ca2+, 21Sc3+

γ. 16S2-, 17Cℓ-, 18Ar, 19K+

16. Να διατάξετε κατά αυξανόμενη τιμή Εi1 τα επόμενα χημικά στοιχεία: α. 4Be, 12Mg,

20Ca

δ. 10Ne, 19K, 32Ge,

β. 11Νa, 12Mg, 14Si, 17Cℓ 36Kr

γ. 9F, 13Aℓ, 16S

ε. 2He, 8O, 10Ne, 16S

17. Ποιο από τα χημικά στοιχεία 11Νa και 12Mg έχει μεγαλύτερη ενέργεια: α. πρώτου ιοντισμού;

β. δεύτερου ιοντισμού;

18. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. α. Το ρουβίδιο (37Rb) έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα από το κάλιο (19Κ). β. Κατά μήκος μιας περιόδου το δραστικό πυρηνικό φορτίο αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά και γι’ αυτό αυξάνεται η ατομική ακτίνα των στοιχείων. γ. Όσο μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού έχει ένα στοιχείο τόσο πιο αναγωγικό είναι.

128

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

δ. Για το χλώριο η ενέργεια δεύτερου ιοντισμού είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια τρίτου ιοντισμού. ε. Από τα στοιχεία που ανήκουν στην τρίτη περίοδο πιο μεγάλο μέγεθος έχει το αλκάλιο. στ. Από τα στοιχεία που ανήκουν σε μια περίοδο μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού έχει το αλογόνο. ζ. Μεταξύ των ιόντων 7Ν3- και 9F- μεγαλύτερο μέγεθος έχει το 9F-. η. Τα μέταλλα έχουν σχετικά υψηλές ενέργειες ιοντισμού.

19. Να μελετήσετε τον παρακάτω συνοπτικό περιοδικό πίνακα και να απαντήσετε στις ερωτήσεις που ακολουθούν: 3

4

5

6

7

8

9

10

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

11

12

13

14

15

16

17

18

Na

Mg

Aℓ

Si

P

S

Cℓ

Ar

19

35

K

Br

27

53

Rb

I

55

85

Cs

At

α. Ποιος συνδυασμός στοιχείων θα δίνει την πιο ιοντική ένωση; β. Ποια στοιχεία έχουν τις ηλεκτρονιακές δομές: i. 1s22s22p63s23p1

ii. 1s22s22p63s23p6

γ. Ποιο από τα στοιχεία Na, Rb, Cℓ έχει τη μεγαλύτερη πρώτη ενέργεια ιοντισμού; δ. Ποιο από τα οξείδια στις παρακάτω σειρές θα είναι πιο όξινο; i. B2O3, CO2, BeO

ii. SiO2, H2O, Cℓ2O

20. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. α. Κάθε περίοδος του Π.Π. περιλαμβάνει μέταλλα, μεταλλοειδή, αμέταλλα και ένα ευγενές αέριο. β. Όλα τα ευγενή αέρια έχουν δομή εξωτερικής στιβάδας ns2 np6. γ. Από τα στοιχεία μιας περιόδου το πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο είναι το ευγενές αέριο. δ. Όλα τα στοιχεία του τομέα p είναι αμέταλλα.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

129

ε. Το στοιχείο Σ με το ατομικό αριθμό Ζ=56 σχηματίζει υδρίδιο με χημικό τύπο ΣΗ2. στ. Το πρώτο στοιχείο του τομέα d έχει ηλεκτρονιακή δομή [Ar]3d1. ζ. Το στοιχείο του οποίου το άτομο έχει ηλεκτρονιακή δομή [Ar] 3d8 4s2 είναι στοιχείο μετάπτωσης.

21. Να εξηγήσετε γιατί το άζωτο (7Ν) έχει μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού τόσο από τον άνθρακα (6C) όσο και από το οξυγόνο (8Ο).

22. α. Να εξηγήσετε γιατί η ενέργεια δεύτερου ιοντισμού είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια πρώτου ιοντισμού για το ασβέστιο (20Ca). β. Να εξηγήσετε γιατί η ενέργεια τρίτου ιοντισμού είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από την ενέργεια δεύτερου ιοντισμού για το ασβέστιο (20Ca).

23. Το άτομο του στοιχείου Σ, στη θεμελιώδη κατάσταση, έχει δομή εξωτερικής στιβάδας 3s2. α. Ποια είναι η θέση του στοιχείο Σ στον Π.Π.; β. Ποιο από τα στοιχεία

30Zn, 32Ge, 56Ba,

ανήκει στην ίδια ομάδα με το στοιχείο Σ;

γ. Ποιος είναι ο χημικός τύπος του οξειδίου του στοιχείου Σ; Το οξείδιο αυτό έχει όξινες ή βασικές ιδιότητες; δ. Ποιος είναι ο χημικός τύπος του χλωριδίου του στοιχείο Σ; Το χλωρίδιο αυτό είναι ιοντική ή ομοιοπολική ένωση; 24. Να απαντήσετε στις παρακάτω ερωτήσεις: α. Πως μεταβάλλεται η πολικότητα του δεσμού στα παρακάτω φθορίδια των στοιχείων της 3ης περιόδου; NaF, MgF2, AℓF3, SiF4, PF4, SF6 β. Ποια από τα παρακάτω στοιχεία έχουν παραμαγνητικές ιδιότητες; 20Ca, 28Ni, 36Kr, 41Nb

γ. Ποιο από τα στοιχεία της 4ης περιόδου έχει εντονότερο μεταλλικό χαρακτήρα; δ. Σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκουν τα στοιχεία Α, Β, Γ, και Δ, τα άτομα των οποίων στη θεμελιώδη κατάσταση έχουν ηλεκτρονιακή δομή; Α: [Ar]3d5 4s1

B: [Ar]3d5 4s2

Γ: [Ar]3d10 4s1

Δ: [Ar]3d10 4s2

25. Να σημειώσετε στο παρακάτω διάγραμμα του Π.Π.: α. Το ευγενές αέριο της πέμπτης περιόδου.

130

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

β. Το τρίτο αλογόνο. γ. Το στοιχείο της δεύτερης περιόδου του οποίου το άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση έχει τρία μονήρη p ηλεκτρόνια. δ. Το στοιχείου του τομέα d του οποίου το άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση έχει ένα 4s ηλεκτρόνιο. ε. Το στοιχείο του οποίου το άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση έχει δομή [Νe] 3s23p2. στ. Το πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο της έκτης περιόδου. ζ. Το στοιχείο του τομέα s της τέταρτης περιόδου του οποίου το άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση, έχει άθροισμα κβαντικών αριθμών spin μηδέν. η. Το στοιχείο της δεύτερης περιόδου με τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού. θ. Το στοιχείο της ΙΑ ομάδας με τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα. ι. Το πιο ηλεκτροθετικό στοιχείο της έκτης περιόδου.

26. Τα ιόντα Α2+ και Β- είναι ισοηλεκτρονιακά με το άτομο 18Ar. α. Σε ποια θέση στον Π.Π. βρίσκονται τα στοιχεία Α και Β; β. Ποιο από τα στοιχεία Α και Β είναι πιο ηλεκτραρνητικό; γ. Το στοιχείο Α είναι μέταλλο ή αμέταλλο; Εξετάστε αν το στοιχείο Α μπορεί να σχηματίζει σύμπλοκα ιόντα. Ποια είναι η φύση του δεσμού που σχηματίζει το στοιχείο Α με το οξυγόνο; δ. Το στοιχείο Β είναι μέταλλο ή αμέταλλο; Ποια είναι η φύση του δεσμού που σχηματίζει το στοιχείο Β με το οξυγόνο; 27. Τα στοιχεία Α, Β και Γ έχουν ατομικούς αριθμούς ν, ν+2 και ν+3 αντίστοιχα. Το στοιχείο Β είναι ευγενές αέριο. α. Σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκουν τα στοιχεία Α, Β και Γ; β. Τα οξείδια των στοιχείων Α και Γ είναι ιοντικές ή ομοιοπολικές ενώσεις;

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

131

γ. Τα οξείδια των στοιχείων Α και Γ έχουν όξινες ή βασικές ιδιότητες; 28. Τα στοιχεία Α, Β και Γ έχουν ατομικούς αριθμούς ν, ν+1 και ν+2 αντίστοιχα. Το στοιχείο Β είναι ευγενές αέριο. α. Σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκουν τα στοιχεία Α, Β και Γ; β. Πόσα ηλεκτρόνια έχουν στην εξωτερική τους στιβάδα τα άτομα των στοιχείων Α, Β και Γ στη θεμελιώδη κατάσταση; γ. Τα οξείδια των στοιχείων Α και Γ είναι ιοντικές ή ομοιοπολικές ενώσεις; 29. Δίνονται οι ενέργειες ιοντισμού του Li: Li(g)

Li+(g) + e-

Li+(g) +

Li2 (g)

Ei1 = 513,3 kJ/mol

Li2+(g) + e+

Ei2 = 7298 kJ/mol -

Li3 (g) + e

Ei3 = 11814,8 kJ/mol

Εξηγείστε πως από τις τιμές των ενεργειών ιοντισμού μπορούμε να καθορίσουμε τον αριθμό ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας.

30. Δίνεται ο παρακάτω πίνακας. Στοιχείο Ενέργεια

Na πρώτου

ιοντισμού 494

Mg

Aℓ

Si

P

S

Cℓ

Ar

736

577

786

1060

1000

1260

1520

kJ/mol Δικαιολογείστε πως οι παραπάνω τιμές των ενεργειών ιοντισμού αποτελούν απόδειξη της ύπαρξης υποστιβάδων και ότι δικαιολογούν τον κανόνα του Hund.

31.Οι 6 πρώτες ενέργειες ιοντισμού ενός στοιχείου σε kJ/mol δίνονται παρακάτω: 1060, 1890, 2905, 4950, 6270, 21200. Μπορείτε να καθορίσετε σε ποια ομάδα του Π.Π. βρίσκεται το στοιχείο;

32. Ένα στερεό στοιχείο Χ περιέχει μονήρη ηλεκτρόνια στο άτομό του και σχηματίζει ιοντικό χλωρίδιο ΧCℓ2. Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή του x; α. [Νe]3s2

β. [Ar]3d24s2

γ. [He]2s22p2

δ. [Ne]3s23p4 (IB Chemistry 2000)

132

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

33. Οι ενέργειες ιοντισμού του 5Β δίνονται στον παρακάτω πίνακα σε kJ/mol.

1η

2η

3η

4η

5η

799

2420

3660

25000

32800

α. Εξηγείστε τη μεγάλη αύξηση στην ενέργεια του τέταρτου ιοντισμού. β. Εξηγείστε γιατί η αύξηση της ενέργειας του δεύτερου ιοντισμού είναι μεγαλύτερη από την αύξηση της ενέργειας του τρίτου ιοντισμού. γ. Συγκρίνετε την ενέργεια δεύτερου ιοντισμού του 6C σε σχέση με αυτή του 5Β.

(IB Chemistry 1998)

34. Στοιχείο Χ σχηματίζει ένωση με το οξυγόνο στην οποία έχει αριθμό οξείδωσης +2. Η ανάλυση της ένωσης ΧΟ έδωσε τη στοιχειακή σύσταση 60% w/w X και 40% w/w O. Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου και ποια του ιόντος του Χ; Δίνεται ότι σε κάθε άτομο στοιχείου ισχύει ότι: αριθμός πρωτονίων

αριθμός νετρονίων

1,6 · αριθμός πρωτονίων.

Ασκήσεις προς λύση 1. Να υπολογίσεις την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα άτομο χλωρίου, σε αέρια φάση, αν γνωρίζεις ότι για το χλώριο έχουμε Ei1 = 1260 kJ/mol (Απ. 1260/ΝΑ kJ ) 2. Να υπολογίσετε τους ατομικούς αριθμούς των επόμενων χημικών στοιχείων: α. Ανήκει στις αλκαλικές γαίες και έχει την μικρότερη ατομική ακτίνα. β. Ανήκει στη δεύτερη περίοδο του Π.Π. και έχει τη μικρότερη τιμή Εi1. γ. Έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα από όλα τα χημικά στοιχεία. δ. Ανήκει στην Τρίτη περίοδο του Π.Π. και έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα από τα χημικά στοιχεία της περιόδου του. ε. Ανήκει στην ομάδα IVA και έχει τη μεγαλύτερη τιμή Εi1. στ. Έχει τη μεγαλύτερη ηλεκτραρνητικότητα από όλα τα χημικά στοιχεία. ζ. Ανήκει στα αλκάλια και έχει τη μεγαλύτερη τιμή Εi1.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

133

η. Ανήκει στην 4η περίοδο του Π.Π. και έχει αρκετά μεγαλύτερη τιμή Εi1 από το αμέσως επόμενο χημικό στοιχείο του Π.Π.

3. Τα χημικά στοιχεία Α, Β και Γ έχουν ατομικούς αριθμούς ν, ν + 2, και ν + 3 αντίστοιχα. Το χημικό στοιχείο Γ ανήκει στην 3η περίοδο του Π.Π. και έχει διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού Εi1 = 740 kJ/mol, Εi2 = 1450 kJ/mol και Εi3 = 7730 kJ/mol. α. Να υπολογίσετε τους ατομικούς αριθμούς των χημικών στοιχείων Α, Β και Γ και να προσδιορίσετε τη θέση τους στον Π.Π. β. Να συγκρίνετε την ατομική ακτίνα των χημικών στοιχείων Α, Β και Γ. γ. Ποιο από τα χημικά στοιχεία Α, Β και Γ είναι περισσότερο ηλεκτροθετικό; 4. Να υπολογιστεί το ποσό της ενέργειας που απορροφάται κατά την μετατροπή 3,9 mg Κ(g) σε K (g ) . Για το κάλιο η ενέργεια του πρώτου ιοντισμού είναι: Ei1= 420 kJ/mol.

6. Οι ενέργειες ιοντισμού για το Mg είναι Ei1=740 kJ/mol και Ei2=1450 kJ/mol. Να υπολογίσετε το +

ποσό της ενέργειας για τη μετατροπή 2,4 g Mg σε ιόντα Mg2 στην αέρια φάση.

7. Να βρεθεί το ποσό ενέργειας που απαιτείται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα άτομο βρωμίου, σε αέρια φάση, αν είναι γνωστό ότι η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του βρωμίου είναι: Εi1=1140 kJ/mol.

134

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΘΕΜΑ 1ο 1. Σωστό - Λάθος α. Η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του 11Νa είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια πρώτου ιοντισμού του 19Κ.

(2002/Μον. 1) β. H ενέργεια του πρώτου ιοντισμού έχει μεγαλύτερη τιμή από την τιμή της ενέργειας του δεύτερου ιοντισμού. (Επαν. 2004/Μον. 2) γ. Κατά μήκος μιας περιόδου του περιοδικού πίνακα η ατομική ακτίνα ελαττώνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά. (Εσπ. 2005/Μον. 2 – Εσπ. 2010/Μον. 2) δ. Τα μέταλλα έχουν σχετικά υψηλές τιμές ενέργειας ιοντισμού.

(2006/Μον. 1) ε. Σε μια ομάδα του περιοδικού πίνακα η ατομική ακτίνα ελαττώνεται καθώς προχωρούμε από πάνω προς τα κάτω. (Επαν.Εσπ. 2005/Μον. 2) ζ. Από τα στοιχεία 17Cℓ και 35Br που ανήκουν στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα, το 17Cℓ έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα. (Εσπ. 2004/Μον. 2) η. Η δεύτερη ενέργεια ιοντισμού ενός ατόμου έχει μεγαλύτερη τιμή από την πρώτη ενέργεια ιοντισμού του ιδίου ατόμου.

(2008/Μον. 1-Επαν. 2009/Μον. 1) θ. Σε μια ομάδα του περιοδικού πίνακα η ατομική ακτίνα αυξάνεται καθώς προχωρούμε από πάνω προς τα κάτω. (Εσπ. 2007/Μον. 2) ι. Σε ένα ελεύθερο άτομο, η ενέργεια δεύτερου ιοντισμού του (Εi2) έχει μικρότερη τιμή από εκείνη του πρώτου ιοντισμού του (Εi1), δηλαδή ισχύει Εi2<Ei1. (Εσπ. 2007/Μον. 2) κ. Στον περιοδικό πίνακα η ενέργεια πρώτου ιοντισμού αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά και από κάτω προς τα πάνω. (Εσπ. 2006/Μον. 2) λ. Η τιμή της ενέργειας πρώτου ιοντισμού αυξάνεται από πάνω προς τα κάτω σε μια ομάδα του περιοδικού πίνακα.

(2009/Μον. 1) μ. Σε μια περίοδο του περιοδικού πίνακα η ενέργεια πρώτου ιοντισμού (Εi1) μειώνεται με την αύξηση του ατομικού αριθμού δηλαδή από αριστερά προς τα δεξιά. (Εσπ. 2009/Μον. 2) ν. Κατά μήκος μιας περιόδου η ατομική ακτίνα αυξάνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά. (Επαν. 2009/Μον. 1)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

135

ξ. Το στοιχείο με ατομικό αριθμό Ζ1=36 έχει πολύ μεγάλη Εi1 , μικρότερη πάντως από την Ei1 του στοιχείου με ατομικό αριθμό Ζ2=2. (ΟΕΦΕ 2007/Μον. 1) ο. Κατά μήκος μιας περιόδου του Π.Π η ατομική ακτίνα ελαττώνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά. Αυτό συμβαίνει γιατί προχωρώντας προς τα δεξιά μειώνεται το δραστικό πυρηνικό φορτίο. (ΟΕΦΕ 2007/Μον.1) π. Η ενέργεια δεύτερου ιοντισμού, Εi2, του ασβεστίου δίνεται από την παρακάτω αντίδραση:

Ca 2

Ca ( g )

2e , Ei 2

(g)

0 (ΟΕΦΕ 2011/Μον. 1)

ρ. Η ατομική ακτίνα του 17Cℓ είναι μεγαλύτερη από την ατομική ακτίνα του

35Br.

(Επαν. 2011/Μον. 1)

2. Από τα επόμενα χημικά στοιχεία τη μικρότερη ατομική ακτίνα έχει το στοιχείο: α.6C β.8Ο γ.9F δ.17Cℓ. (Ομογ. 2002/Μον. 5) 3. Ποιο από τα επόμενα στοιχεία έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; α. 12Mg

β. 17Cℓ

γ. 18Ar δ. 11Na. (OEΦΕ 2003/Μον. 2)

4. a. Να γραφεί η ηλεκτρονιακή κατανομή θεμελιώδους κατάστασης σε στοιβάδες, υποστοιβάδες και τροχιακά για το άτομο του S (Z=16). β. i. Πόσα ηλεκτρόνια περιέχονται στη στιβάδα σθένους του S; ii. Πόσα μονήρη ηλεκτρόνια έχει το άτομο του S; γ. Να συγκρίνετε την ατομική ακτίνα του S με την ατομική ακτίνα του S-2.

(OΕΦΕ 2004/Μον.3+2+2) 5.Η ενέργεια ιοντισμού του ατόμου του υδρογόνου σε kJ/mol είναι: a. -2,1810-21

β. 2,1810-21

γ. 1,31103

δ. -1,31103

Δίνεται ΝΑ=6,0231023 (ΟΕΦΕ 2007/Μον. 5)

6.Ποια από τις επόμενες εξισώσεις παριστάνει την ενέργεια 2ου ιοντισμού του μαγνησίου: +

+

–

α. Mg (s) → Mg2 (g)+e

γ. Mg(s) → Mg2+(g)+2e–

+

+

–

β. Mg (g) → Mg2 (g)+e

δ. Mg(g) → Mg2+(g)+2e–

(2013/Μον. 5) 7. Τη μεγαλύτερη τιμή δεύτερης ενέργειας ιοντισμού (Ei2) αναμένεται να έχει το στοιχείο: α. 12Mg

136

β. 11Na

γ. 19K

δ. 4Be

(Επαν. 2013/Μον. 5)

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

8. Δίνονται οι τιμές των τεσσάρων πρώτων τιμών ενεργειών ιοντισμού για ένα στοιχείο κύριας ομάδας του Περιοδικού Πίνακα Εi1 =286 kJ/mol Εi2 =491 kJ/mol Εi3 = 3208 kJ/mol Εi4 =3604 kJ/mol. Σε ποιο από τα επόμενα στοιχεία είναι δυνατόν να ανήκουν α. 11Na β. 12Mg γ. 13Aℓ δ. 10Ne (ΟΕΦΕ 2013/Μον. 5)

ΘΕΜΑ 2ο 1. Η πρόταση που ακολουθεί είναι σωστή ή λανθασμένη: Στα στοιχεία της ίδιας ομάδας του Περιοδικού Πίνακα, η ενέργεια πρώτου ιοντισμού αυξάνεται με την αύξηση του ατομικού αριθμού (Ζ). Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας. (Ομογ. 2002/Μον. 5) 2. Δίνεται ο παρακάτω πίνακας:

Ενέργειες ιοντισμού (MJ/mol) Li(g) →Li+(g) + e– Ei1= 0,52 Li+(g) →Li2+(g) + e–

Ei2= 7,30

Li2+(g) →Li3+(g) + e–

Ei3= 11,81

α. Να εξηγήσετε γιατί ισχύει η διάταξη Ei1< Ei2< Ei3 για τις ενέργειες ιοντισμού. β. Να εξηγήσετε γιατί η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του 3Li είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια πρώτου ιοντισμού του 11Νa.

(2003/Μον. 6+6) 3. Δίνονται τα χημικά στοιχεία 11Na και 17Cℓ. α. Ποιες είναι οι ηλεκτρονιακές δομές των παραπάνω στοιχείων στη θεμελιώδη κατάσταση; β. Ποιο από τα δυο αυτά στοιχεία έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας.

(2004/Μον. 2+1+3) 4. Δίνονται τα στοιχεία 20Ca και 21Sc. α. Ποιες είναι οι ηλεκτρονιακές δομές των στοιχείων αυτών στη θεμελιώδη κατάσταση; β. Ποιο από τα δύο αυτά στοιχεία έχει τη μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. γ. Να γραφούν οι ηλεκτρονιακές δομές των ιόντων Ca2+ και Sc3+ .

(2005/Μον. 2+4+2) 5. Οι προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές ή λανθασμένες: α. Το στοιχείο 11Νa έχει μικρότερη ατομική ακτίνα από το στοιχείο 12Μg . β. Το

11Νa

έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα από το 12Μg .

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

(2006/Μον. 1+4) (Ομογ. 2012/Μον. 1+2)

137

γ. Σε μια ομάδα του περιοδικού πίνακα, με την αύξηση του ατομικού αριθμού η ατομική ακτίνα μειώνεται. (Ομογ. 2013/Μον. 1+2) Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας.

6. α. Πόσα στοιχεία στη θεμελιώδη κατάσταση έχουν τρία μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα Μ και ποιοι είναι οι ατομικοί τους αριθμοί; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β. Ένα από τα στοιχεία αυτά ανήκει στον τομέα p του περιοδικού πίνακα. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου που ανήκει στην ίδια ομάδα με αυτό και έχει μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού (Εi1); Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας.

(2007/Μον. 1+3+1+2) 7. Δίνονται τα στοιχεία 10Α , 17Β και 19Γ . α. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους σε υποστιβάδες στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Σε ποια περίοδο και σε ποια ομάδα του περιοδικού πίνακα ανήκει το καθένα απ’ αυτά; γ. Να αιτιολογήσετε ποιο από τα τρία άτομα των παραπάνω στοιχείων έχει: i. Τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού ii. Τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα (Ομογ. 2008/Μον. 3+3+3+3) 8. Δίνονται τα στοιχεία 11Χ και 9Ψ. α. Πώς κατανέμονται σε υποστιβάδες τα ηλεκτρόνια των ατόμων Χ και Ψ, όταν αυτά βρίσκονται στη θεμελιώδη κατάσταση; β. Σε ποια ομάδα και ποιον τομέα του Περιοδικού Πίνακα ανήκουν τα στοιχεία Χ και Ψ; γ. Ποιο από τα άτομα Χ και Ψ έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. (Ομογ. 2003/Μον. 3+2+1+2) 9. Δίνονται τα παρακάτω στοιχεία: 19Κ, 3Li, 11Na. α. Να γράψετε σε ηλεκτρονιακή τους δομή στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Να κατατάξετε κατά σειρά αυξανόμενης ατομικής ακτίνας.

(Εσπ. 2003/Μον. 6+3)

10. Na εξηγήσετε ποιο στοιχείο μεταξύ των Μg και S έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα: Δίνονται 12Mg, 16S

(OΕΦΕ 2005/Μον.2) 11. Να αιτιολογήσετε τις προτάσεις: α. Η 2η ενέργεια ιοντισμού ενός ατόμου είναι πάντα μεγαλύτερη από την 1η ενέργεια ιοντισμού του. β. Σε μια περίοδο του περιοδικού πίνακα, η ατομική ακτίνα ελαττώνεται από αριστερά προς τα δεξιά.

(2010/Μον. 2+2) γ. Στη διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας πρώτου ιοντισμού ενός ατόμου καθοριστικό ρόλο παίζει η ατομική ακτίνα.

138

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

(Επαν. 2010/Μον. 2) δ. Η 1η ενέργεια ιοντισμού του 17Cℓ είναι μεγαλύτερη από την 1η ενέργεια ιοντισμού του 16S. (2011/Μον. 2) 12. Δίνονται τα στοιχεία

35Br

και 20Ca.

α. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους σε υποστοιβάδες στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Σε ποια περίοδο και σε ποια ομάδα του περιοδικού πίνακα ανήκει το καθένα από αυτά; γ. Ποιο από τα παραπάνω στοιχεία έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; Αιτιολογήστε την απάντησή σας. (Ομογ. 2010/Μον. 2+2+1+3)

13. Το παρακάτω διάγραμμα αναπαριστά ένα μέρος του Περιοδικού Πίνακα, όπου σημειώνονται μερικά στοιχεία με τα σύμβολά τους.

Νa

Αℓ Ca

S

Cℓ

Mn

α. Ποιο από τα στοιχεία αυτά έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού; β. Ποιο από τα στοιχεία αυτά σχηματίζει έγχρωμα σύμπλοκα ιόντα; γ. Ποιο από τα αναγραφόμενα στοιχεία της τρίτης περιόδου έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; δ. Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του Al σε υποστιβάδες στη θεμελιώδη κατάσταση; ε. Σε ποια ομάδα ανήκει στοιχείο το οποίο έχει 7 συνολικά ηλεκτρόνια σε s τροχιακά; (Ομογ. 2011/Μον. 1+1+1+2+2) 14. Να χαρακτηρίσετε την πρόταση ως σωστή ή λανθασμένη και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Οι πρώτες ενέργειες ιοντισμού τεσσάρων διαδοχικών στοιχείων του Περιοδικού Πίνακα (σε kJ/mol), είναι 1314, 1681, 2081, 496 αντίστοιχα. Τα στοιχεία αυτά μπορεί να είναι τα τρία τελευταία στοιχεία μιας περιόδου και το πρώτο στοιχείο της επόμενης περιόδου.

(2012/Μον. 1+2)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

139

1.7 ΘΕΩΡΙΑ LEWIS ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΘΕΩΡΙΑ LEWIS Ηλεκτρόνια σθένους: ονομάζονται τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας των ατόμων. Μόνο αυτά συμμετέχουν στο σχηματισμό του χημικού δεσμού.

Η εξωτερική στιβάδα καλείται και στιβάδα

σθένους. Κανόνας της οκτάδας: τα άτομα αποβάλλουν ή προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια (ετεροπολικός δεσμός) ή αμοιβαία συνεισφέρουν ηλεκτρόνια (ομοιοπολικός δεσμός), προκειμένου να αποκτήσουν δομή ευγενούς αερίου, δηλαδή, οκτώ ηλεκτρόνια στην τελευταία τους στιβάδα. Εξαιρείται η στιβάδα Κ, που συμπληρώνεται με δύο ηλεκτρόνια. Όταν δημιουργείται ο χημικός δεσμός το σύστημα των ατόμων από την οποία προέρχεται η ένωση οδηγείται σε σταθερότερη κατάσταση (χαμηλότερη ενέργεια) Εφαρμόζεται: ικανοποιητικά μόνο για τις ενώσεις στοιχείων που ανήκουν στις τρεις πρώτες περιόδους του περιοδικού πίνακα. Στα στοιχεία των επόμενων περιόδων υπάρχουν συχνά αποκλίσεις από τον κανόνα της οκτάδας. Η σύγχρονη αντίληψη για τον ομοιοπολικό δεσμό παρέχεται από τις κβαντικές θεωρίες του δεσμού σθένους και μοριακών τροχιακών. Ιοντικός ή ετεροπολικός: είναι ο χημικός δεσμός που σχηματίζεται μεταξύ αντίθετα φορτισμένων ιόντων. Η σταθερότητά του οφείλεται στις ελκτικές ηλεκτρικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των αντίθετα φορτισμένων ιόντων . Τα ιόντα προκύπτουν από τα αντίστοιχα άτομα με αποβολή ή πρόσληψη ηλεκτρονίων, προκειμένου να αποκτήσουν δομή ευγενούς αερίου ικανοποιώντας τον κανόνα της οκτάδας. Δημιουργείται μεταξύ μετάλλου και αμετάλλου. Ομοιοπολικός δεσμός: σχηματίζεται μεταξύ ατόμων με αμοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων ώστε να αποκτά το καθένα από αυτά δομή ευγενούς αερίου ικανοποιώντας τον κανόνα της οκτάδας. Ημιπολικός δεσμός: δεν διαφέρει σε τίποτα από τον ομοιοπολικό δεσμό, το κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων το προσφέρει το ένα από τα δύο άτομα. Ο ομοιοπολικός και ο ημιπολικός δεσμός δημιουργούνται μεταξύ αμετάλλων.

140

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Μέταλλα και αμέταλλα ανάλογα με τη θέση στο Περιοδικό Πίνακα Ομάδα 1η

Μέταλλα εκτός από το υδρογόνο

2η

Μέταλλα, το Be όμως σχηματίζει ομοιοπολικές ενώσεις

3η -12η στοιχεία μετάπτωσης

Μέταλλα

13η

Μέταλλα εκτός από το βόριο, το Αℓ σχηματίζει ομοιοπολικές ενώσεις με Cℓ και Br

14η

Ο C και το Si είναι αμέταλλα, ενώ τα υπόλοιπα μέταλλα

15η - 16η

Αμέταλλα, εκτός των τελευταίων περιόδων που είναι μέταλ

17η – 18η

Αμέταλλα

Σύμβολα στοιχείων κατά Lewis

Στο συμβολισμό αυτό τα ηλεκτρόνια σθένους παριστάνονται με τελείες. Για τα στοιχεία των κύριων ομάδων τα τέσσερα πρώτα ηλεκτρόνια είναι μονήρη, ενώ μετά τη τοποθέτηση και πέμπτου ηλεκτρονίου δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων (εξαιρείται το Ηe που τα δύο του ηλεκτρόνια είναι συζευγμένα) .

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

141

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΥΡΕΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΟΥ ΤΥΠΟΥ ΕΝΩΣΕΩΝ

Καταρχήν θα πρέπει να εξετάσουμε αν η ένωση είναι ομοιοπολική ή ιοντική. Ιοντικές είναι οι ενώσεις που περιέχουν μέταλλο ή το ΝΗ4+ . Μέταλλα είναι τα στοιχεία που διαθέτουν στην εξωτερική τους στοιβάδα από 1-3 ηλεκτρόνια ( ομάδες ΙΑ, ΙΙΑ και ΙΙΙΑ)

Τα

μέταλλα έχουν τάση τα δώσουν e και να αποκτήσουν την δομή του προηγούμενου ευγενούς αερίου. Δεν είναι μέταλλα το 1Η : 1s1 ( προσλαμβάνει 1 ηλεκτρόνιο για να αποκτήσει δομή ευγενούς αερίου και είναι αμέταλλο) και το 5Β: 1s2 2s2 2p1 ( έχει μεγάλη ενέργεια ιοντισμού και δεν μπορεί να διώξει ηλεκτρόνια) Ομοιοπολικές είναι οι ενώσεις που περιέχουν μόνο αμέταλλα. Αμέταλλα είναι τα στοιχεία που διαθέτουν στην εξωτερική τους στοιβάδα από 5-7 ηλεκτρόνια ( ομάδες VA, VΙΑ, και VΙΙΑ) και ο άνθρακας 6C: 1s2 2s2 2p2 Τα αμέταλλα έχουν τάση τα πάρουν e και να αποκτήσουν την δομή του επόμενου ευγενούς αερίου

Μέταλλα

Αμέταλλα

Μεθοδολογία Κανόνες για τη γραφή των ηλεκτρονιακών τύπων των ομοιοπολικών ενώσεων. Γράφουμε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων και υπολογίζουμε τα ηλεκτρόνια σθένους κάθε ατόμου. Αν όλα τα άτομα είναι αμέταλλα τότε η ένωση είναι ομοιοπολική Υπολογίζουμε τα συνολικά

ηλεκτρόνια σθένους όλων των ατόμων που

περιέχονται στο μόριο. Βρίσκουμε το κεντρικό άτομο της ένωσης. Κεντρικό άτομο είναι αυτό

142

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

που έχει δείκτη 1 στον μοριακό τύπο της ένωσης. Αν υπάρχουν δύο άτομα με δείκτη 1, διαλέγουμε εκείνο που είναι λιγότερο ηλεκτραρνητικό (σειρά μειούμενης ηλεκτραρνητικότητας F >Ο >Ν, Cℓ > Br >S, I, C>P>H). Το άτομο του υδρογόνου ποτέ δεν είναι κεντρικό άτομο. Συνδέουμε το κεντρικό άτομο με τα περιφερειακά άτομα με απλούς δεσμούς (κάθε απλός δεσμός είναι ένα δεσμικό ζεύγος ηλεκτρονίων). Στις περιπτώσεις που έχουμε οξυγόνο και υδρογόνο σε ανόργανες ενώσεις, συνδέουμε τα άτομα υδρογόνου με τα άτομα οξυγόνου και αυτά με το κεντρικό άτομο. Τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια τοποθετούνται ανά ζεύγη (μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων) στα περιφερειακά άτομα, έτσι ώστε να συμπληρώσουν τη στιβάδα σθένους με 8 ηλεκτρόνια (εξαιρείται το άτομο Η που συμπληρώνεται με δύο). Στο κεντρικό άτομο βάζουμε όσα ηλεκτρόνια περισσεύουν,

ακόμα και αν

χρειαστεί να υπερβούμε την οκτάδα ηλεκτρονίων. Αν το κεντρικό άτομο έχει λιγότερα από 8 ηλεκτρόνια,

μετατρέπουμε ορισμένα μη δεσμικά ζεύγη

ηλεκτρονίων περιφερειακών ατόμων σε δεσμικά, ώστε να δημιουργηθούν διπλοί ή τριπλοί

δεσμοί και να συμπληρωθεί η εξωτερική στοιβάδα του κεντρικού

άτομου. Επίσης, τα αλογόνα στην άκρη του μορίου μιας ένωσης (όταν δεν είναι κεντρικά άτομα) έχουν τρία μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων και ένα απλό δεσμικό ζεύγος ηλεκτρονίων. Τα άτομα Ο ή S στην άκρη του μορίου μιας ένωσης (όταν δεν είναι κεντρικά άτομα)έχουν, είτε ένα απλό δεσμό και τρία μη δεσμικά ζεύγη, είτε δύο απλούς δεσμούς και δύο μη δεσμικά ζεύγη. Δηλαδή,

ή

S

S H

Αν το άτομο Ν είναι στην άκρη του μορίου έχουμε:

N

ή

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

N

ή

N

143

1. Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis του CO2 Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του C: 6 , O: 8 Λύση Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές δομές: 6C:

1s2 2s2 2p2

8O:1s

2

4 ηλεκτρόνια σθένους

2s2 2p4

6 ηλεκτρόνια σθένους

Το κεντρικό άτομο είναι ο C. Συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι : 4 + 2 · 6 = 16 Σχηματίζουμε δύο δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων: O – C – O Περισσεύουν 12 ηλεκτρόνια. Τα 6 αυτά ζεύγη τοποθετούνται στα δύο άτομα του Ο, ώστε να αποκτήσουν ηλεκτρονιακή οκτάδα.

Ο άνθρακας έχει μόνο 4 ηλεκτρόνια. Μετατρέπουμε δύο μή δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων σε δεσμικά ώστε και ο άνθρακας να αποκτήσει οκτώ ηλεκτρόνια. Τελικά. ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis του CO2 είναι:

:O

C

O:

2. Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis του HCN Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του H: 1, C: 6, N: 7 Λύση Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές δομές: 6C:

1s2 2s2 2p2

7Ν:1s 1Η:

2

2s2 2p3

1s1

4 ηλεκτρόνια σθένους 5 ηλεκτρόνια σθένους 1 ηλεκτρόνιο σθένους

Προσθέτουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους: 1 + 4 + 5 = 10 Κεντρικό άτομο επιλέγεται ο C, καθώς είναι λιγότερο ηλεκτραρνητικός από το Ν. Συνδέουμε στο κεντρικό άτομο τα περιφερειακά άτομα

με απλούς ομοιοπολικούς δεσμούς

(δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων): Η: C: N Xρησιμοποιήσαμε 4 ηλεκτρόνια και περισσεύουν 10 – 4 = 6, δηλαδή, 3 ζεύγη ηλεκτρονίων.

144

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Τοποθετούμε τα 3 ζεύγη ηλεκτρονίων στο άτομο Ν, ώστε να αποκτήσει οκτάδα ηλεκτρονίων. Το άτομο Η έχει ήδη αποκτήσει σταθερή ηλεκτρονιακή δομή με δύο ηλεκτρόνια.

Το άτομο του C έχει 4 ηλεκτρόνια. Μετατρέπουμε δύο μή δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων του Ν σε δεσμικά ώστε και ο άνθρακας να αποκτήσει οκτώ ηλεκτρόνια.

H :C N : 3. Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis του ΗΝΟ3 Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του H: 1, Ο: 8, N: 7 Λύση Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές δομές: 7Ν:1s 1Η:

2

2s2 2p3

1s1

8O:1s

2

5 ηλεκτρόνια σθένους 1 ηλεκτρόνιο σθένους

2s2 2p4

6 ηλεκτρόνια σθένους

Προσθέτουμε τα ηλεκτρόνια σθένους Σύνολο:1+5+3x6=24 Το κεντρικό άτομο είναι το Ν. Συνδέουμε το άτομο υδρογόνου με ένα άτομο οξυγόνου και αυτό με το κεντρικό άτομο το Ν με απλό δεσμό. Τα υπόλοιπα οξυγόνα συνδέονται με το κεντρικό άτομο. |

Χρησιμοποιήσαμε 4·2e=8e. Τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια 24-8=16e τοποθετούνται ανά ζεύγη στα περιφερειακά άτομα ( στα Ο)

.. ..

H:O: N :O: .. .. .. :O .. : Το Ν έχει 6 ηλεκτρόνια στη στιβάδα σθένους. Μετατρέπουμε ένα μη δεσμικό ζεύγος ηλεκτρονίων ( που ανήκει σε Ο που δεν είναι συνδεδεμένο με το Η. Το Ο που είναι συνδεδεμένο με το Η έχει ήδη δύο απλούς δεσμούς και δεν μπορεί να σχηματίσει και τρίτο) σε δεσμικό ώστε να αποκτήσει την ηλεκτρονιακή οκτάδα. Άρα:

.. ..

H:O: N ::O: .. .. :O .. :

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

145

Μεθοδολογία Κανόνες για τη γραφή των ηλεκτρονιακών τύπων των πολυατομικών ιόντων. Οι κανόνες που ακολουθούμε για τη γραφή των ηλεκτρονιακών τύπων των πολυατομικών ιόντων είναι οι ίδιοι με αυτούς που ακολουθούμε στις ομοιοπολικές ενώσεις γιατί στα ιόντα αυτά υπάρχουν ομοιοπολικοί δεσμοί. Η μόνη διαφορά είναι στον υπολογισμό των ηλεκτρονίων

σθένους

όλων των

ατόμων που περιέχονται στο μόριο. Αν έχουμε ανιόν, προσθέτουμε τόσα ηλεκτρόνια επί πλέον, όσο είναι το ηλεκτρικό φορτίο του ανιόντος ( το ανιόν δημιουργείται με πρόσληψη ηλεκτρονίων), ενώ αν έχουμε κατιόν αφαιρούμε τόσα ηλεκτρόνια, όσο είναι το φορτίο του κατιόντος( το κατιόν δημιουργείται με αποβολή ηλεκτρονίων). π.χ. Το S και το Ο διαθέτουν 6 ηλεκτρόνια σθένους. Τα συνολικά ηλεκτρόνια -

σθένους στο SO3 είναι : 6 + 3 · 6 = 24 , ενώ στο SO32 είναι : 6 ηλεκτρόνια σθένους (από το S) + 3· 6 ηλεκτρόνια σθένους (από τα 3 άτομα Ο)+ 2 ηλεκτρόνια (από το αρνητικό φορτίο του ιόντος)= 26 και στο ΝΗ4+ είναι:

5 ηλεκτρόνια σθένους (από το N) + 4 · 1 ηλεκτρόνια

σθένους (από τα 4 άτομα Η)- 1 ηλεκτρόνια (από το θετικό φορτίο του ιόντος)= 8 ηλεκτρόνια σθένους.

4. Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis του CℓO3Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του Cℓ: 17 , O: 8. Λύση Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές δομές: 17Cℓ:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

8O:1s

2

2s2 2p4

7 ηλεκτρόνια σθένους 6 ηλεκτρόνια σθένους

Κεντρικό άτομο είναι το Cℓ Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι:1 + 7 +3·6 = 26 Σχηματίζουμε απλούς ομοιοπολικούς μεταξύ των ατόμων:

146

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Χρησιμοποιήσαμε

6 ηλεκτρόνια και περισσεύουν 26 – 6 = 20 (περισσεύουν άλλα 10 ζεύγη

ηλεκτρονίων) Το άτομο του Cℓ παίρνει 1 ζεύγος ηλεκτρονίων, ενώ 3 ζεύγη τοποθετούνται σε κάθε άτομο οξυγόνου. Έτσι, καταλήγουμε:

•• Cl

•• :O ••

•• : O ••

1-

: O :

••

5. Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis του ΝΗ4+ Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του Ν: 7, Η: 1. Λύση Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές δομές: 7Ν:1s 1Η:1s

2

1

2s2 2p3

5 ηλεκτρόνια σθένους 1 ηλεκτρόνιο σθένους

Κεντρικό άτομο είναι το Ν Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι:5 +4·1-1 = 8 Σχηματίζουμε απλούς ομοιοπολικούς μεταξύ των ατόμων:

.. ή

:

..

:

Χρησιμοποιήσαμε 8 ηλεκτρόνια και όλα τα στοιχεία απόκτησαν δομή ευγενούς αερίου

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

147

Μεθοδολογία Κανόνες για τη γραφή των ηλεκτρονιακών τύπων των ιοντικών ενώσεων. Θυμίζουμε ότι ιοντικές είναι οι ενώσεις που περιέχουν ένα κατιόν (μέταλλο ή το ΝΗ4+ ) και ένα ανιόν. Μέταλλα είναι τα στοιχεία που διαθέτουν στην εξωτερική τους στοιβάδα από 1-3 ηλεκτρόνια. Δεν είναι μέταλλα το 1Η : 1s1 και το 5Β: 1s2 2s2 2p1 Η διαδικασία είναι η εξής: Γράφουμε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων και υπολογίζουμε τα ηλεκτρόνια σθένους κάθε ατόμου. Βρίσκουμε το είδος και το φορτίο του κατιόντος και του ανιόντος Γράφουμε τους ηλεκτρονιακούς τύπους των ιόντων και τους συνδυάζουμε με τους δείκτες του

μοριακού τύπου της ένωσης (οι δείκτες

δηλώνουν την

αναλογία των ιόντων στο κρύσταλλο)

6. Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis του Κ2Ο. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του Κ: 19 , O: 8 Λύση Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές δομές: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

19Κ:

8O:1s

2

2s2 2p4

1 ηλεκτρόνιο σθένους 6 ηλεκτρόνια σθένους

Η χημική ένωση Κ2Ο είναι ιοντική γιατί το Κ είναι μέταλλο. Το 19Κ έχει 1 ηλεκτρόνιο στην εξωτερική του στιβάδα και στην προτελευταία 8. Για να αποκτήσει δομή ευγενούς αερίου πρέπει να αποβάλει το 1 ηλεκτρόνιο και να μείνει με οκτώ ηλεκτρόνια στην στοιβάδα Μ (n = 3), οπότε θα μετατραπεί στο κατιόν Κ +. Το O έχει 6 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα. Για να αποκτήσει δομή ευγενούς αερίου πρέπει να πάρει δύο ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα L και να μετατραπεί στο ανιόν O2- . Ο ηλεκτρονιακός τύπος της ένωσης είναι:

148

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Προσέξτε: πρέπει ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων που αποβάλλουν τα άτομα του μετάλλου να είναι ίδιος με τον συνολικό αριθμό των ηλεκτρονίων που προσλαμβάνουν τα άτομα του αμέταλλου. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα τα δύο άτομα Κ απέβαλλαν δύο συνολικά ηλεκτρόνια τα οποία προσέλαβε το ένα άτομο Ο.

7. Τα στοιχεία Α, Β, Γ έχουν ατομικούς αριθμούς v, v + 1, v + 2 αντίστοιχα. Αv τo Β είναι ευγενές αέριο, τι δεσμός σχηματίζεται στηv ένωση ΑΓ; (Πολυτεχνείο 1973) Λύση 1oς τρόπος Διακρίνουμε δύο περιπτώσεις: α. Το στοιχείο Β που είναι ευγενές vα έχει 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα. Οπότε το Α με ατομικό αριθμό κατά 1 λιγότερο, έχει 7 ηλεκτρόνια, ενώ το Γ με ατομικό αριθμό κατά 1 μεγαλύτερο, έχει

1 ηλεκτρόνιο στην επόμενη στιβάδα. Επομένως το Γ

αποβάλλει το ένα ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στιβάδας,

φορτίζεται θετικά και αποκτά σταθερή

ηλεκτρική δομή (δομή ίδια με του Β). Το Α προσλαμβάνει αυτό το ηλεκτρόνιο, φορτίζεται αρνητικά και αποκτά σταθερή ηλεκτρονική δομή (ίδια

με του

Β).

Μεταξύ

των κατιόντων

Γ+ και

των

ανιόντων Α- αναπτύσσονται ηλεκτροστατικές δυνάμεις, δηλαδή εμφανίζεται ετεροπολικός δεσμός. (Η ένωση είναι αλογoνούχο άλας αλκαλίου). β. Το στοιχείο Β vα έχει 2 ηλεκτρόνια στην Κ. Οπότε το Α με ατομικό αριθμό κατά 1 λιγότερο, έχει 1 ηλεκτρόνιο στην Κ, επομένως είναι το Η. Αντιθέτως, το Γ με ατομικό αριθμό κατά 1 μεγαλύτερο, έχει 1 ηλεκτρόνιο στην L. Οπότε το Γ αποβάλλει το 1 ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στιβάδας, φορτίζεται θετικά και αποκτά σταθερή ηλεκτρονική δομή (δομή ίδια με αυτή του Β). Το Α προσλαμβάνει αυτό το ηλεκτρόνιο, φορτίζεται αρνητικά και αποκτά σταθερή ηλεκτρονική δομή (ίδια με αυτή

του

Β). Μεταξύ

των

κατιόντων Γ+

και

των

ανιόντων

Α- αναπτύσσονται

ηλεκτροστατικές δυνάμεις, δηλαδή εμφανίζεται ετερoπoλικός δεσμός. (Η ένωση είναι του υδρίδιο του λιθίου).

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

149

2oς τρόπος Από το στοιχείο Α (Ζ = v) λείπει 1e- προκειμένου vα αποκτήσει την ηλεκτρovική δομή του ευγενούς Β (Ζ = v + 1). Το στοιχείο Γ (Ζ = v + 2) έχει 1e- περισσότερο από τη δομή του ευγενούς αερίου Β. Οπότε αποβάλλοντας ένα ηλεκτρόνιο αποκτά τη δομή του Β και ταυτόχρονα μετατρέπεται στο κατιόν Γ+. Το e-, που αποβλήθηκε από το Γ, προσλαμβάνεται από το Α, οπότε αποκτά και αυτό τη δομή του ευγενούς αερίου Β και

ταυτόχρονα μετατρέπεται στο ανιόν Α-. Μεταξύ των ιόντων Γ+ και Α-

ασκούνται ηλεκτροστατικές δυνάμεις (Coulomb), δηλαδή σχηματίζεται ετερoπoλικός δεσμός.

8. Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis του (ΝΗ4)2SO4. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του N: 7 , O: 8, H: 1, S: 16. Λύση Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές δομές: 16S:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

6 ηλεκτρόνια σθένους

8O:1s

2

2s2 2p4

6 ηλεκτρόνια σθένους

7N:1s

2

2s2 2p3

5 ηλεκτρόνια σθένους

1H:1s

1

1 ηλεκτρόνιο σθένους

Η χημική ένωση (ΝΗ4)2 SO4 είναι ιοντική γιατί περιέχει το ΝΗ4+ Το κάθε αφόρτιστο συγκρότημα ΝΗ4 έχει αποβάλλει ένα ηλεκτρόνιο και μετατρέπεται σε κατιόν ΝΗ4+. Τα δύο συγκροτήματα ΝΗ4 απέβαλλαν δύο συνολικά ηλεκτρόνια τα οποία προσέλαβε το αφόρτιστο συγκρότημα SO4 και μετατρέπεται σε ανιόν SO42Θα βρούμε τον ηλεκτρονιακό τύπο του κατιόντος ΝΗ4+ Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι:5 +4·1-1 = 8. Κεντρικό άτομο είναι το Ν. Σχηματίζουμε απλούς ομοιοπολικούς μεταξύ των ατόμων:

χρησιμοποιήσαμε 8 ηλεκτρόνια και όλα τα στοιχεία απόκτησαν δομή ευγενούς αερίου

150

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Θα βρούμε τον ηλεκτρονιακό τύπο του ανιόντος SO42- Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι:6+4·6+2=32. Κεντρικό άτομο είναι το S. Σχηματίζουμε απλούς ομοιοπολικούς μεταξύ των ατόμων:

Χρησιμοποιήσαμε

8 ηλεκτρόνια και περισσεύουν 32 – 8 = 24 (περισσεύουν άλλα 12 ζεύγη

ηλεκτρονίων) Το κάθε άτομο του οξυγόνου παίρνει 3 ζεύγη ηλεκτρονίων. Ο ηλεκτρονιακός τύπος του ανιόντος SO42- είναι:

•• ••O•• •• •• O ••

S

2•• O: ••

••O•• •• Ο ηλεκτρονιακός τύπος του (ΝΗ4)2SO4 είναι:

•• ••O•• •• •• O ••

S

2•• O: ••

••O•• ••

Εξαιρέσεις από τον κανόνα της οκτάδας 9. Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis του BF3. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του Β: 5 , F: 9 Λύση Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές δομές:

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

151

5B:

1s2 2s2 2p1

9F:1s

2

3 ηλεκτρόνια σθένους ( δεν είναι μέταλλο γιατί έχει μεγάλη ενέργεια ιοντισμού)

2s2 2p5

7 ηλεκτρόνια σθένους

Το κεντρικό άτομο είναι το B. Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι : 3 + 3 · 7 = 24 Σχηματίζουμε απλούς ομοιοπολικούς μεταξύ των ατόμων: F

B

F

F

Χρησιμοποιήσαμε 6 ηλεκτρόνια και περισσεύουν 24-6=18 ηλεκτρόνια. Κάθε άτομο φθορίου παίρνει τρία ζεύγη ηλεκτρονίων, οπότε έχουμε: F

B

F

F

Δεν μετατρέπουμε κάποιο μη δεσμικό ζεύγος ηλεκτρονίων σε δεσμικό γιατί τότε το F θα αποκτήσει διπλό ομοιοπολικό δεσμό (γνωρίζουμε ότι τα αλογόνα στην άκρη του μορίου μιας ένωσης έχουν τρία μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων και ένα απλό δεσμό). Τελικά στην ένωση BF3 το Β δεν μπορεί να αποκτήσει ηλεκτρονιακή οκτάδα στη στιβάδα σθένους του.

10. Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis του PCℓ5 Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του Cℓ: 17, P: 15 Λύση Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές δομές: 17Cℓ:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

15P:

7 ηλεκτρόνια σθένους 5 ηλεκτρόνια σθένους

Το κεντρικό άτομο είναι ο P Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων είναι : 5 + 5 · 7 = 40 Δημιουργούμε πέντε δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων : Cl Cl

Cl

P Cl

Cl

Χρησιμοποιήσαμε 10 ηλεκτρόνια και περισσεύουν 40-10=30 ηλεκτρόνια.

152

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Cl Cl

Cl

P Cl

Cl

Κάθε άτομο χλωρίου παίρνει τρία ζεύγη ηλεκτρονίων και έχουμε:

O P διαθέτει 10 ηλεκτρόνια σθένους.

Ηλεκτρονιακοί τύποι οργανικών ενώσεων που περιέχουν C,H,O και N. Πρόκειται για ομοιοπολικές ενώσεις, οπότε, για να βρούμε τους ηλεκτρονιακούς τύπους, ακολουθούμε τα βήματα που αναφέρθηκαν προηγούμενα για τις ομοιοπολικές ενώσεις. Πρέπει να γνωρίζουμε ότι:

Ομόλογη

Γενικός μοριακός Χαρακτηριστική

σειρά

τύπος

ομάδα

Κορεσμένες

Cν H

-ΟΗ

μονοσθενείς

ή

αλκόλες

Cν H

2ν+1OH

Παρατηρήσεις

Ένα άτομο Η ενώνεται με το άτομο

2ν+2O

του

υπόλοιπα

Ο,

και

άτομα

τα Η

ενώνονται με τα άτομα του C Κορεσμένα

Ένα άτομο Η ενώνεται με το

μονοκαρβοξυλικά

άτομο

οξέα

Cν H

2ν+1COOH

του

υπόλοιπα

Ο,

και

άτομα

τα Η

ενώνονται με τα άτομα του C

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

153

Κορεσμένοι

Cν H

2ν+2O

μονοσθενείς

Για ν>1

Όλα

τα

άτομα

Η

ενώνονται με τα άτομα

αιθέρες

του C

Κορεσμένες

Cν H 2νO

Όλα

τα

άτομα

Η

μονοσθενείς

ενώνονται με τα άτομα

καρβονυλικές

του C

ενώσεις Κορεσμένα

Cν H

2ν+1CN

Όλα

μονοσθενή νιτρίλια

τα

άτομα

Η

ενώνονται με τα άτομα του C

Κορεσμένες

Cν H

2ν+1NH2

-ΝΗ2

Δύο άτομα Η ενώνονται

μονοσθενείς αμίνες

με το άτομο του Ν, και τα υπόλοιπα

άτομα

Η

ενώνονται με τα άτομα του C

11. Ποιοί είναι οι ηλεκτρονιακοί τύποι των παρακάτω οργανικών ενώσεων: CH2O, CH2O2 Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του H: 1,

CH4O, και

C: 6 , O: 8.

Λύση Γράφουμε τις ηλεκτρονιακές δομές: 1s2 2s2 2p2

6C:

8O:1s 1Η:

2

2s2 2p4

1s1

1.

4 ηλεκτρόνια σθένους 6 ηλεκτρόνια σθένους 1 ηλεκτρόνιο σθένους

CH2O Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι : 4+ 6+2·1 =12 Το κεντρικό άτομο είναι ο C. Η ένωση CH2O αντιστοιχεί σε γενικό μοριακό τύπο CνH2νO δηλαδή

έχει χαρακτηριστική ομάδα το καρβονύλιο. Συνδέουμε και τα δύο άτομα Η και το Ο με τον C με απλούς ομοιοπολικούς δεσμούς

154

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Χρησιμοποιήσαμε 6 ηλεκτρόνια και περισσεύουν 12-6=6 ηλεκτρόνια τα οποία τοποθετούνται στο Ο:

Ο C έχει 6 ηλεκτρόνια στη στιβάδα σθένους. Μετατρέπουμε ένα μή δεσμικό ζεύγος ηλεκτρονίων που ανήκει στο Ο σε δεσμικό ώστε να αποκτήσει την ηλεκτρονιακή οκτάδα, δηλαδή ο ηλεκτρονιακός τύπος είναι:

2.

CH4O Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι : 4+ 6+4·1 =14 Το κεντρικό άτομο είναι ο C. Η ένωση CH4O αντιστοιχεί σε γενικό μοριακό τύπο Cν H

2ν+2O

δηλαδή έχει χαρακτηριστική ομάδα το υδροξύλιο. Ένα άτομο Η ενώνεται με το άτομο του Ο, και τα υπόλοιπα 3 άτομα Η και το Ο ενώνονται με το άτομο του C με απλούς ομοιοπολικούς δεσμούς

Χρησιμοποιήσαμε 10 ηλεκτρόνια και περισσεύουν 14-10=4 ηλεκτρόνια τα οποία τοποθετούνται στο Ο, δηλαδή ο ηλεκτρονιακός τύπος είναι:

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

155

3.

CH2O2 Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι : 4+ 2·6+2·1 =18 Το κεντρικό άτομο είναι ο C. Η ένωση CH2O2 αντιστοιχεί σε γενικό μοριακό τύπο Cν H

2νO2

δηλαδή έχει χαρακτηριστική ομάδα το καρβοξύλιο. Ένα άτομο Η ενώνεται με το άτομο του Ο, και το άλλο άτομο Η ενώνεται με το άτομο του C με απλούς ομοιοπολικούς δεσμούς

Χρησιμοποιήσαμε 8 ηλεκτρόνια και περισσεύουν 18-8=10 ηλεκτρόνια τα οποία τοποθετούνται στα δύο Ο:

Ο C έχει 6 ηλεκτρόνια στη στιβάδα σθένους. Μετατρέπουμε ένα μή δεσμικό ζεύγος ηλεκτρονίων (που ανήκει στο Ο που δεν είναι συνδεδεμένο με το Η. Το Ο που είναι συνδεδεμένο με το Η έχει ήδη δύο απλούς δεσμούς και δεν μπορεί να σχηματίσει και τρίτο) σε δεσμικό ώστε να αποκτήσει την ηλεκτρονιακή οκτάδα, δηλαδή ο ηλεκτρονιακός τύπος είναι:

Ασκήσεις προς λύση 1. Ποιοι είναι οι ηλεκτρονιακοί τύποι κατά Lewis των: α. Νa2Ο,

β. ΝΗ3,

γ. ΟF2,

-

δ. CN ;

Δίνονται: 11Νa, 6Ο, 7Ν, 1Η, 9F, 6C. 2. Ένα στοιχείο ατομικού αριθμού 35 ενώνεται α) με Cs και β) με Η. Γράψτε τους ηλεκτρονιακούς τύπους των ενώσεων που προκύπτουν και δείξτε το είδος του δεσμού που σχηματίζεται στην κάθε περίπτωση. Δίνονται: 1Η, 55Cs. 3. Ποιος είναι ο σωστός ηλεκτρονιακός τύπος της υδραζίνης (Ν2Η4);

156

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

( ) H

.. ..

N N H | |

( ) H

N |

N H ( ) H |

..

N |

..

N H |

( ) H

N |

..

N H |

Δίνονται: 7Ν, 1Η.

4. Να γραφούν οι ηλεκτρονιακοί τύποι των παρακάτω ενώσεων: α. PCℓ3

β. SiH4

γ. ΒαΟ

δ. Νa2Ο

ε. ΒCℓ3

στ. Η2S

ζ. CO

η. C3H8 θ. ΝΗ4Cℓ ι. CHCℓ3

Δίνονται: 15P, 17Cℓ, 14Si, 1H, 56Ba, 6O, 11Na, 3B, 16S, 6C, 7N. 5. Να γραφούν οι ηλεκτρονιακοί τύποι των: α. CH3SH

β. N(CH3)3

γ. CH3OH

δ. CH3Cℓ

ε. PH3

Δίνονται: 6C, 1H, 16S, 17N, 8O, 17Cℓ, 15P. 6. Να γραφούν οι ηλεκρονιακοί τύποι των παρακάτω ενώσεων: α. C2H2

β. COCℓ2

γ. ΝΗ3

δ. CH3CN

ε. CS2

Δίνονται: 6C, 1H, 8O, 17Cℓ, 7N, 16S. 7. Τα στοιχεία Α, Β, και Γ έχουν ατομικούς αριθμούς 5, 16 και 9, αντίστοιχα. Ποιο απ’ αυτά είναι μέταλλο και ποιο αμέταλλο; Γράψτε τους ηλεκτρονιακούς τύπους των ενώσεων του Α με το Γ και του Β με το Γ.

8. Δίνονται τα άτομα Α, Β, Γ, Δ και Ε που απαντούν στην ίδια περίοδο. Αυτά έχουν στην εξωτερική τους στιβάδα 1, 2, 4, 5 και 7 ηλεκτρόνια, αντίστοιχα. Να προβλεφθούν: α. Οι τύποι των ενώσεων μεταξύ των Α και Ε, Β και Ε και Γ και Ε. β. Αν η ένωση μεταξύ του Β και Ε είναι ιοντική ή ομοιοπολική. γ. Ο ηλεκτρονιακός τύπος της ένωσης μεταξύ Δ και Ε.

9. Η μεθυλονιτροζαμίνη είναι μια ισχυρά καρκινογόνος ένωση που έχει το συντακτικό τύπο: H 3 C N NO . Γράψτε τον ηλεκτρονιακό τύπο της μεθυλονιτροζαμίνης. | H

Δίνονται: 1Η, 7Ν, 6C, 8O. 10. Να γραφούν οι ηλεκτρονιακοί τύποι των παρακάτω πολυατομικών ιόντων: α. SO32

β. NO3

γ. ClO3

δ. OH

ε. NH 4 .

Δίνονται: 16S, 8O, 7N, 17Cℓ, 1H.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

157

11. Δίνονται τα στοιχεία Α, Β, Γ και Δ που έχουν διαδοχικούς ατομικούς αριθμούς. Το στοιχείο Δ είναι ένα μονοατομικό αέριο και δε σχηματίζει καμία ένωση. α. Ποιο από τ’ άλλα στοιχεία Α, Β και Γ θα έχει τη μεγαλύτερη τάση να προσλάβει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο; β. Μια ένωση του στοιχείο Γ με αλκαλιμέταλλο Μ έχει τον τύπο ΜΓ. Είναι η ένωση ΜΓ ιοντική ή όχι; γ. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους των ενώσεων των στοιχείων Α, Β και Γ με το υδρογόνο.

12. Σε ποιες από τις παρακάτω ουσίες τα άτομα αποκτούν ηλεκτρονιακή διαμόρφωση ευγενούς αερίου (οκτάδα ηλεκτρονίων); α. ΝΟ

β. BF3

δ. CℓO-.

γ. PF5

Δίνονται: 7Ν, 8Ο, 3Β, 9F, 15P, 17Cℓ.

13. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των χημικών ενώσεων που σχηματίζονται μεταξύ των χημικών στοιχείων: α. 12Mg, 17Cℓ 6C, 16S,

β. 19K,

θ. 14Si, 17Cℓ,

16S

γ. 1Η, 16S

ι. 13Aℓ, 9F,

δ.

20Ca, 7N,

ια. 13Aℓ, 8O,

ε. 11Na, 8O

στ. 13Aℓ, 7N

ζ.

20Ca, 1H

η.

ιβ. 13Aℓ, 53I

14. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των επόμενων χημικών στοιχείων και ενώσεων: α. Cℓ2, O2, N2, O3

β. H2O, NH3, NF3, SCℓ2, OF2, ICℓ, PCℓ3, CS2, PH3, CF4, SiH4, N2H4, N2O4

γ. COCℓ2, POCℓ3, SOCℓ2, SO2Cℓ2, NOF, CℓCN, FNO2, NH2CN Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί 17Cℓ,

16S,

7N,

8O,

1H,

6C,

14Si,

9F.

15. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των επόμενων ομοιοπολικών ενώσεων και ιόντων: BeCℓ2, BeH2, BCℓ3, BH3, AℓBr3, PCℓ5, SBr6, BrF3, IF5, SF4, IF7, XeF2. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί 4Be,

13Aℓ, 17Cℓ, 16S, 5B, 35Br, 1H, 15P, 53I, 9F.

16. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των παρακάτω οξέων: α. HCℓ, H2S, HSCN και HCN. β. HCℓO, HCℓO2, HCℓO3, HCℓO4, H2SO3, H2SO4, H4SiO4, H3PO4, HNO2, HNO3, H2CO3, H3BO3 γ.

H3PO3

(φωσφορώδες

οξύ),

H3PO2

(υποφωσφορώδες

οξύ),

H4P2O7

(διφωσφορικό

πυροφωσφορικό οξύ), H2S2O7 (πυροθειικό οξύ).

158

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ή

Το H3PO3 είναι διπρωτικό οξύ, ενώ το H3PO2 είναι μονοπρωτικό οξύ. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί 17Cℓ,

16S, 7N, 8O, 6C, 14Si, 9F, 15P, 5B.

17. Να γράψετε τους ηλεκτρονικούς τύπους κατά Lewis των παρακάτω ιοντικών ενώσεων: α. KCℓ, Na2S, MgCℓ2, AℓF3, NaCN, Ca(CN)2, Mg3N2, AℓN, NaH, CaH2. β. NaOH, Ca(OH)2. γ. NaCℓO, Na2SO4, K2CO3, Ca(NO3)2, Na3PO4, NH4Br, NH4CℓO4, (NH4)2SO4, KNO3, KCℓO3, Na2SO3, NaNH2, NaBH4, (NH4)2CO3, Ca3(PO4)2 δ. NaHCO3, KHSO4, NaHS, KHSO3, Na2HPO4, Mg(HCO3)2, Ca(H2PO4)2. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί

17Cℓ,

16S,

7N,

8O,

1H,

6C,

14Si,

9F,

15P,

5B,

12Mg,

19K,

20Ca,

11Na,

13Aℓ.

18. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των επόμενων οξειδίων: α. MgO, Na2O, Aℓ2O3, BaO. β. CO2, SO2, SO3, CO, N2O, Cℓ2O, Cℓ2O3, Cℓ2O7, N2O3, N2O5. γ. H2O2, Na2O2, BaO2. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί

56Ba, 17Cℓ, 7N, 8O, 1H, 6C, 12Mg, 11Na, 13Aℓ.

19. Να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα. Αμέταλλο

15P

16S

6C

Ηλεκτρονιακή δομή Υδρίδιο, Τύπος Φύση (όξινο, βασικό, ουδέτερο) Χλωρίδιο Τύπος

20.Για τα επόμενα χημικά στοιχεία Α, Β, Γ και Δ υπάρχουν τα εξής δεδομένα: Ι. Ανήκουν στη δεύτερη περίοδο του Π.Π. ΙΙ. Έχουν διαδοχικούς ατομικούς αριθμούς. ΙΙΙ. Το χημικό στοιχείο Β έχει σύμβολο Lewis

.. ..

.

α. Ποιοι είναι οι ατομικοί αριθμοί των χημικών στοιχείων Α, Β, Γ και Δ;

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

159

β. Να γράψετε τους ηλεκρονιακούς τύπους κατά Lewis των ενώσεων που δημιουργούνται μεταξύ των χημικών στοιχείων: i) Γ και Γ

ii) Α και 1Η

iii) Β και Γ

iv) 11Na και Β

v) 20Ca και Α

vi) A και Γ.

γ. Ποιος είναι ο μέγιστος αριθμός ομοιοπολικών δεσμών που μπορεί να δημιουργήσει το χημικό στοιχείο Α; 21. Να συμπληρωθούν τα κενά στον παρακάτω πίνακα.

Na

Mg

Ηλεκτρονιακή δομή

2:8:1

2:8:2

Υδρίδιο - Τύπος

NaH

MgH2

Δεσμός

ιοντικός

ιοντικός

13Aℓ

14Si

15P

Οξείδιο - Τύπος

Aℓ2O3

SiO2

Δεσμός

ιοντικός

ομοιοπολικός

Φύση

επαμφοτερίζον

όξινο

Χλωρίδιο - Τύπος

AℓCℓ3

PCℓ5

Δεσμός

πολικός

ομοιοπολικός

υδρολύεται σε

υδρολύεται

Aℓ(OH)3

σε H3PO4

16S

17Cℓ

22. Το χημικό στοιχείο Α ανήκει στην 3η περίοδο του Π.Π. και σχηματίζει με το 1Η χημική ένωση με μοριακό τύπο Η2Α, η οποία είναι αέριο στις συνηθισμένες συνθήκες. α. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείου Α; β. Το χημικό στοιχείο Β ανήκει στην 3η περίοδο του Π.Π. και σχηματίζει με το χημικό στοιχείο Α την ιοντική ένωση Β2Α. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείου Α; γ. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των οξειδίων ΑΟ3 και Β2Ο και να χαρακτηρίσετε τα οξείδια αυτά ως όξινα ή βασικά. Δίνεται ο ατομικός αριθμός (Ζ): 8Ο.

23. Το παρακάτω σχεδιάγραμμα αναπαριστάνει ένα μέρος του Περιοδικού Πίνακα όπου σημειώνονται ορισμένα χημικά στοιχεία όχι με τα σύμβολα τους αλλά με γράμματα από το Α έως το Ω. Ποιο (ή ποια) από τα χημικά στοιχεία αυτά:

160

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

α. Ανήκει στα αλκάλια; σύμπλοκα ιόντα;

β. Ανήκει στα αλογόνα;

δ. Ανήκει στον τομέα s;

σειρά των στοιχείων μετάπτωσης; VIIIB;

γ. Σχηματίζει έγχρωμες ενώσεις και στ. Ανήκει στη 2η

ε. Ανήκει στα ημιμέταλλα;

ζ. Δεν σχηματίζει χημικές ενώσεις; η.

θ. Σχηματίζει βασικό οξείδιο με χημικό τύπο R2O;

ι.

Ανήκει Τα

στην

άτομό

του

ομάδα στη

θεμελιώδη κατάσταση έχει 3 μονήρη ηλεκτρόνια; Α

Χ Ν

Β

Ο

Π

Δ

Τ Σ

Γ

Ζ

Θ

Κ

Λ

Ε

Ρ

Ψ Ω

Φ

Μ

24. Τα άτομα Α, Β, Γ και Δ απαντούν στην ίδια περίοδο του περιοδικού πίνακα και έχουν στην εξωτερική στιβάδα 1, 3, 5 και 7 ηλεκτρόνια αντίστοιχα. α. Να γράψετε τους τύπους των ενώσεων μεταξύ των: i) Α και Δ

ii) Β και Δ

iii) Γ και Δ.

β. Ο δεσμός μεταξύ των Α και Δ θα είναι ιοντικός ή ομοιοπολικός; γ. Ο δεσμός μεταξύ των Γ και Δ θα είναι ιοντικός ή ομοιοπολικός; δ. Ποιο άτομο θα έχει μεγαλύτερη πρώτη ενέργεια ιοντισμού; 25. Δίνονται τα στοιχεία 11Νa και 16S. α. Να γραφεί η ηλεκρονιακή κατανομή των δύο στοιχείων σε στιβάδες και σε υποστιβάδες. β. Ποια είναι η θέση των στοιχείων στον Περιοδικό Πίνακα; γ. Να γραφεί ο ηλεκρονιακός τύπος κατά Lewis της ένωσης που σχηματίζουν τα στοιχεία Na και S. δ. Να εξηγήσετε ποιο από τα δύο στοιχεία έχει πιο μεγάλη ενέργεια πρώτου ιοντισμού; ε. Να εξετάσετε αν τα οξείδια των δύο στοιχείων έχουν όξινες ή βασικές ιδιότητες. στ. Ποιο από τα δύο στοιχεία είναι αναγωγικό; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας.

26. Το πλήθος των μη δεσμικών ζευγών ηλεκτρονίων στο μόριο της μεθανόλης (CH4O) είναι: α. 1

β. 2

γ. 4

δ. 5

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

161

Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί (Ζ) των στοιχείων: Η:1, C:6, Ο:8.

27. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. α. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων ενός ατόμου που χαρακτηρίζονται με κβαντικούς αριθμούς n=3 και mℓ=1 είναι δύο. β. Στο άτομο του υδρογόνου τα τροχιακά 3s και 3px είναι ισοενεργειακά. γ. Η κατανομή των ηλεκτρονίων στα τροχιακά μιας ελλιπώς συμπληρωμένης υποστιβάδας, γίνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να προκύπτει το μέγιστο άθροισμα κβαντικών αριθμών. δ. Όταν σε ένα άτομο ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι άρτιος, το άθροισμα των κβαντικών αριθμών spin στη θεμελιώδη κατάσταση είναι μηδέν. ε. Το στοιχείο με ηλεκτρονιακή δομή [Ar] 3d54s2 ανήκει στην ΙΙΑ ομάδα του Π.Π. στ. Η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του 11Νa είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια πρώτου ιοντισμού του 19Κ.

ζ. Ο σίδηρος (26Fe) είναι παραμαγνητικό στοιχείο. η. Όσο μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού έχει ένα στοιχείο τόσο πιο ηλεκτροθετικό είναι. θ. Σύμφωνα με την απαγορευτική αρχή του Pauli είναι αδυνατό να υπάρχουν στο ίδιο άτομο δύο ηλεκτρόνια με ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών. ι. Ο κβαντικός αριθμός του spin δε συμμετέχει στη διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας του ηλεκτρονίου, ούτε στον καθορισμό του τροχιακού. ια. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τα ηλεκτρόνια κινούνται σε κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα του ατόμου. ιβ. Σε κάθε τιμή του μαγνητικού κβαντικού αριθμού (mℓ) αντιστοιχούν δύο τροχιακά.

28. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες. α. Στα πολυηλεκτρονικά άτομα οι ενεργειακές στάθμες των υποστιβάδων της ίδιας στιβάδας ταυτίζονται. β. Στοιχεία μετάπτωσης είναι τα στοιχεία που καταλαμβάνουν τον τομέα d του περιοδικού πίνακα. γ. Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός ml καθορίζει το μέγεθος του ηλεκτρονιακού νέφους. δ. Στοιχείο που βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση και έχει ηλεκτρονιακή δομή 1s22s22p3, ανήκει στην ομάδα 13 (ΙΙΙΑ) του Περιοδικού Πίνακα. ε. Το τροχιακό 1s και το τροχιακό 2s έχουν ίδιο σχήμα και ίδια ενέργεια.

162

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

στ. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας ενός στοιχείου καθορίζει τον αριθμό της περιόδου, στην οποία ανήκει το στοιχείο. ζ. Το στοιχείο 11Νa έχει μικρότερη ατομική ακτίνα από το στοιχείο 12Mg. η. Η ενέργεια του πρώτου ιοντισμού έχει μεγαλύτερη τιμή από την τιμή της ενέργειας του δεύτερου ιοντισμού. θ. Τα τροχιακά με τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό n συγκροτούν μια υποστιβάδα. ι. Τα τροχιακά μιας στιβάδας έχουν την ίδια ενέργεια. ια. Στα στοιχεία της ίδιας ομάδας του Περιοδικού Πίνακα, η ενέργεια πρώτου ιοντισμού αυξάνεται με την αύξηση του ατομικού αριθμού (Ζ). ιβ. Ένα χημικό στοιχείο ανήκει στον τομέα s, όταν είναι συμπληρωμένες όλες οι s υποστιβάδες του.

29. Να απαντήσετε στις παρακάτω ερωτήσεις. α. Γιατί η 2η ενέργεια ιοντισμού ενός ατόμου είναι πάντα μεγαλύτερη από την 1η ενέργεια ιοντισμού του; β. Ποιες διαφορές έχουν τα ατομικά τροχιακά 2px και 3pz σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο; γ. Ποιος από τους παρακάτω δεσμούς είναι πιο πολωμένος; i. Cℓ-Cℓ

ii. Cℓ-I

iii. Cl- Br

δ. Γιατί σε κάθε τροχιακό δεν μπορούμε να έχουμε περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια; ε. Ποιο από τα παρακάτω στοιχεία είναι πιο αναγωγικό; i. 11Na

ii. 19K

iii. 55Cs

στ. Γιατί ο 15Ρ έχει μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού τόσο από το 14Si όσο και από το 16S; ζ. Να χαρακτηρίσετε τα οξείδια των στοιχείων της τρίτης περιόδου του Περιοδικού Πίνακα 12Mg, 13Aℓ

11Na,

και 16S ως όξινα, βασικά ή επαμφοτερίζοντα.

Νa2O

MgO

Aℓ2O3

SO3

30. Δίνονται τα στοιχεία: 11Νa, 17Cℓ, 18Ar, 26Fe, 37Rb. α. Ποια από τα παραπάνω στοιχεία έχουν ίδιες χημικές ιδιότητες; β. Ποιο από τα παραπάνω στοιχεία: i. Έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; ii. Έχει μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού;

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

163

iii. Είναι περισσότερο αναγωγικό; iv. Αποβάλλει ευκολότερα ένα ηλεκτρόνιο; v. Σχηματίζει έγχρωμες ενώσεις; vi. Είναι χημικά αδρανές; vii. Είναι περισσότερο ηλεκτραρνητικό; viii. Έχει εντονότερο μεταλλικό χαρακτήρα; ix. Σχηματίζει οξείδιο με όξινες ιδιότητες; x. Έχει τις ίδιες χημικές ιδιότητες με το

76Os;

31. Τα στοιχεία Α, Β, Γ και Δ έχουν ατομικούς αριθμούς ν, ν+1, ν+2 και ν+3 αντίστοιχα. Από τα παραπάνω στοιχεία τα στοιχείο Γ έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού, ενώ το στοιχείο Δ έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα. α. Σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκουν τα στοιχεία Α, Β, Γ και Δ. β. Ποια από τα παραπάνω στοιχεία σχηματίζουν διατομικά μόρια; Να γραφούν οι ηλεκτρονιακοί τύποι αυτών των διατομικών μορίων. γ. Ποιο από τα παραπάνω στοιχεία σχηματίζει οξείδιο το οποίο είναι ιοντική ένωση; δ. Η ένωση που σχηματίζουν τα στοιχεία Α και Δ είναι ιοντική ή ομοιοπολική; Ποιος είναι ο μοριακός της τύπος;

164

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΘΕΩΡΙΑ LEWIS ΘΕΜΑ 1ο 1. Στην ένωση HC

N (Ατομικοί αριθμοί C:6, H:1, N:7) υπάρχουν:

α. 2 ζεύγη δεσμικών και 3 ζεύγη μη δεσμικών ηλεκτρονίων. β. 3 ζεύγη δεσμικών και 2 ζεύγη μη δεσμικών ηλεκτρονίων. γ. 4 ζεύγη δεσμικών και 1 ζεύγος μη δεσμικών ηλεκτρονίων. δ. 2 ζεύγη δεσμικών και 1 ζεύγος μη δεσμικών ηλεκτρονίων. (Επαν. 2008/Μον. 5)

2. Να διατυπώσετε: τον κανόνα της οκτάδας

(Επαν. 2012/Μον. 2)

ΘΕΜΑ 2ο 1. Το στοιχείο Χ ανήκει στην δεύτερη περίοδο του Π.Π και το άτομο του έχει στη θεμελιώδη κατάσταση 3 μονήρη ηλεκτρόνια. α. Σε ποια ομάδα ανήκει το στοιχείο Χ και ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του; β. Να γραφούν οι κβαντικοί αριθμοί όλων των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στοιβάδας του ατόμου του στοιχείου Χ στη θεμελιώδη κατάσταση. γ. Να διαταχθούν τα στοιχεία Be, X και Mg κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας πρώτου ιοντισμού δ. Να γραφούν οι ηλεκτρονιακοί τύποι των ενώσεων Mg3Χ2, ΗΧΟ3 Δίνονται: 1H, 8O, 12Mg, 4Be (ΟΕΦΕ 2003/Μον. 8) 2. Δίνονται τα στοιχεία H, O, Cℓ που έχουν ατομικούς αριθμούς 1, 8, 17, αντίστοιχα. α. Να γράψετε τις ηλεκτρονιακές δομές (στιβάδες, υποστιβάδες) των παραπάνω στοιχείων στη θεμελιώδη κατάσταση και να αναφέρετε ονομαστικά τις αρχές και τον κανόνα της ηλεκτρονιακής δόμησης. β. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis του χλωριώδους οξέος (HCℓO2).

(2000/Μον. 6+5) 3. Για να μελετηθούν τα οξέα ορθοπυριτικό (Η4SiO4) και φωσφορικό (H3PO4), δίνονται οι ατομικοί αριθμοί των στοιχείων Η=1, Ο=8, Si=14, Ρ=15 . α. Να ταξινομήσετε τα ηλεκτρόνια κάθε στοιχείου σε στιβάδες και υποστιβάδες β. Να εντάξετε τα στοιχεία σε περιόδους, κύριες ομάδες και τομείς του Περιοδικού Πίνακα. γ. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των παραπάνω οξέων.

(2001/Μον. 3+4+6)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

165

4. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των ενώσεων: NH 4Cℓ, HCN, H2SO4. Δίνονται: 1H, 7N, 17Cℓ, 6C, 16S, 8O. (Ομογ. 2002/Μον. 9) 5. Δίδονται τα στοιχεία 8Α και 16Β και ζητούνται: α. σε ποια περίοδο και σε ποιο τομέα του περιοδικού πίνακα ανήκει το καθένα απ' αυτά. β. ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis, της ένωσης ΒΑ2. (Εσπ. 2004/Μον. 4+4) 6. Δίνονται τα άτομα 9F, 8O και 7Ν στη θεμελιώδη κατάσταση. α. Ποια είναι η κατανομή των ηλεκτρονίων τους σε υποστιβάδες; β. Να κατατάξετε τα άτομα 9F, 8O και 7Ν κατά σειρά αυξανόμενης ατομικής ακτίνας και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας γ. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης NOF, αν δίνεται ότι το άτομο του αζώτου είναι το κεντρικό άτομο του μορίου. (Επαν. 2003/Μον. 2+4+4) 7. Δίνονται τα στοιχεία H, N και O που βρίσκονται: το H στην 1η περίοδο και 1η ομάδα (ΙΑ), το N στη 2η περίοδο και 15η ομάδα (VA) και το O στη 2η περίοδο και 16η ομάδα (VIA) του περιοδικού πίνακα. α. Πώς κατανέμονται τα ηλεκτρόνια των στοιχείων H, N και O σε υποστιβάδες β. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης HNO2. (Επαν. 2004/Μον. 3+6) 8. Δίνονται τα στοιχεία 11Νa και 16S. α. Να δώσετε την ηλεκτρονιακή τους δομή (κατανομή ηλεκτρονίων σε υποστιβάδες). β. Σε ποιον τομέα του περιοδικού πίνακα ανήκει το καθένα; γ. Να δώσετε τον ηλεκτρονιακό τύπο της ένωσης Νa2S. (Εσπ. 2005/Μον. 2+2+4) 9. Δίνονται τα στοιχεία 8Ο και 6C. α. Να δώσετε την ηλεκτρονιακή τους δομή (κατανομή ηλεκτρονίων σε υποστιβάδες). β. Σε ποια ομάδα και σε ποιον τομέα του περιοδικού πίνακα ανήκει το καθένα; γ. Να δώσετε τον ηλεκτρονιακό τύπο της ένωσης CΟ2. (Επαν. Εσπ. 2005/Μον. 2+4+5) 10. Να χαρακτηρίσετε τις παρακάτω προτάσεις σωστές ή λανθασμένες: α.Η ένωση HCℓO έχει πέντε μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί: Η : 1 Cℓ : 17 Ο:8

(Επαν.2005/Μον. 1+2) β. Το στοιχείο Α ανήκει στην ομάδα των αλκαλικών γαιών και σχηματίζει οξείδιο με μοριακό τύπο Α2Ο, που είναι στερεό με υψηλό σημείο τήξης. (Επαν.2013/Μον. 1+2) Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας

166

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

11. Δίνονται τα στοιχεία Η, Ν, Ο με ατομικούς αριθμούς 1, 7, 8 αντίστοιχα. Να γράψετε: α. Τις ηλεκτρονιακές δομές (στιβάδες, υποστιβάδες) των ατόμων Ν και Ο στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis του νιτρώδους οξέος (ΗΝΟ2).

(2006/Μον. 2+4) 12. Δίνονται τα στοιχεία Η, S και O με ατομικούς αριθμούς 1, 16 και 8 αντίστοιχα.: α. Να γράψετε την κατανομή των ηλεκτρονίων σε υποστιβάδες στο άτομο του S στη θεμελιώδη κατάσταση. Με βάση την παραπάνω κατανομή, να υπολογίσετε πόσα μονήρη ηλεκτρόνια περιέχονται στο άτομο του S και πόσα p ατομικά τροχιακά του ατόμου του S περιέχουν ηλεκτρόνια. β. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis του ιόντος HSO4 . (Επαν.2006/Μον. 2+2+5) 13. Δίνονται τα στοιχεία 7N και 8Ο. α. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους (κατανομή ηλεκτρονίων σε υποστιβάδες). β. Να δικαιολογήσετε ποιο από τα δύο άτομα έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα. γ. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης ΗΝO3. Δίνεται ο ατομικός αριθμός Η: 1, Ν: 7, Ο: 8. (Εσπ.2007/Μον. 2+4+4) 14. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των παρακάτω ενώσεων: NH4NO3, HCN, HCℓO4. Δίνονται: 7Ν, 1Η, 8Ο, 6C, 17Cℓ.

(2007/Μον. 6)

15. Δίνονται τα στοιχεία 8O, 11Νa, 12Mg και 16S. α. Nα διατάξετε τα στοιχεία αυτά κατά αυξανόμενη ενέργεια πρώτου ιοντισμού Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας. β. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των οξειδίων Na2O, MgO και SO3. Να χαρακτηριστεί καθένα από το οξείδια αυτά ως όξινο ή βασικό. (Επαν. 2007/Μον. 2+2+6+3) 16. Δίνονται τα στοιχεία Α και Β με ατομικούς αριθμούς 15 και 17 αντίστοιχα. α. Να γράψετε τις ηλεκτρονιακές δομές (στιβάδες, υποστιβάδες) των στοιχείων αυτών στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης ΑΒ3. γ. Ποιο από τα δύο στοιχεία Α και Β έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. ( 2008/Μον. 2+3+2) 17. Δίνονται τα στοιχεία 8Ο και 16S. α. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους (κατανομή ηλεκτρονίων σε υποστιβάδες) στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Να δικαιολογήσετε ποιο από αυτά τα δύο άτομα έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα. γ. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης SO3. (Εσπ. 2008/Μον. 2+4+4)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

167

18. Δίνονται τρία στοιχεία Α, Β και Γ. Τα στοιχεία Α και Β έχουν ατομικούς αριθμούς 17 και 35 αντίστοιχα. Το στοιχείο Γ είναι το στοιχείο της 4ης περιόδου του Περιοδικού Πίνακα με τη μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού. α. Να προσδιορίσετε τον ατομικό αριθμό του στοιχείου Γ. β. Να γράψετε τις ηλεκτρονιακές δομές (στιβάδες, υποστιβάδες) των στοιχείων Α, Β και Γ στη θεμελιώδη κατάσταση. γ. Εάν οι ατομικές ακτίνες των στοιχείων Α, Β και Γ είναι rA, rB και rΓ αντίστοιχα, τότε ισχύει: α. rA < rΓ < rB . β. rB < rA < rΓ . γ. rA < rB < rΓ . Να επιλέξετε τη σωστή σχέση. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. (Επαν. 2008/Μον. 2+3+1+3) 19. Δίνονται τα στοιχεία 8Ο και 17Cℓ. α. Να δώσετε την ηλεκτρονιακή τους δομή (κατανομή ηλεκτρονίων σε υποστιβάδες). β. Σε ποια ομάδα και σε ποια περίοδο του περιοδικού πίνακα ανήκει το καθένα; γ. Να δώσετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης ΗCℓO. Δίνεται ο ατομικός αριθμός Η: 1. (Εσπ. 2006/Μον. 2+4+4) 20. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των ενώσεων: ΗΝΟ2 , Αℓ2Ο3 . Δίνονται τα στοιχεία με τους ατομικούς τους αριθμούς: 1Η , 7Ν, 8Ο και 13Αℓ . (Εσπ. 2003/Μον 8) 21. Δίνονται τα στοιχεία H, O, Na και S με ατομικούς αριθμούς 1,8,11,και 16 αντίστοιχα. α. Να γράψετε τις ηλεκτρονιακές δομές (στιβάδες, υποστιβάδες) των ατόμων O, Na και S στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης NaHSO3.

(2009/Μον. 6+4) 22. Δίνονται τα στοιχεία 8Ο , 35Βr και 7Ν. α. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους (κατανομή ηλεκτρονίων σε υποστιβάδες) στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Να δικαιολογήσετε ποιο από τα άτομα Ο, Ν έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα. γ. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης HBrO. Δίνεται ο ατομικός αριθμός Η: 1 (Εσπ. 2009/Μον. 3+3+3) 23. Το παρακάτω διάγραμμα αναπαριστά ένα μέρος του Περιοδικού Πίνακα όπου σημειώνονται μερικά στοιχεία με τα σύμβολά τους.

168

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

He O Mg K

F

Aℓ Fe

α. Ποιο από τα στοιχεία αυτά έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού; β. Ποιο από τα στοιχεία αυτά σχηματίζει έγχρωμα σύμπλοκα ιόντα; γ. Ποιο από τα στοιχεία αυτά έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; δ. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή σε υποστιβάδες των ατόμων των στοιχείων Mg και F στη θεμελιώδη κατάσταση. ε. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της χημικής ένωσης μεταξύ των στοιχείων Mg και F. (Ομογ. 2006/Μον. 1+1+1+2+3) 24. Το κατιόν Κ+ και το ανιόν Cℓ- έχουν τα καθένα ίσο αριθμό ηλεκτρονίων με το ευγενές αέριο της τρίτης περιόδου (Ar). α. Να προσδιορίσετε τον ατομικό αριθμό του στοιχείου Αr. β. Να προσδιορίσετε τους ατομικούς αριθμούς των στοιχείων Κ και Cℓ. γ. Να γράψετε τις ηλεκτρονιακές δομές (στιβάδες, υποστιβάδες) των στοιχείων K, Cℓ και Ο. Δίνεται για το Ο: ατομικός αριθμός Ζ=8. δ. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης KCℓO3. (Επαν. 2009/Μαον. 2+2+3+3) 25. Δίνονται τα εξής τρία άτομα: 8Ο, 9F, 16S α. να κατατάξετε τα παρακάτω τρία άτομα κατά φθίνουσα σειρά ενέργειας 1ου ιοντισμού. β. Να βρείτε τις δομές Lewis των χημικών ουσιών: i. SO42 και ii. SF6 γ. Ποια από τις παραπάνω δυο δομές, δεν υπακούει στον κανόνα της οκτάδας; (ΟΕΦΕ 2009/Μον.3+3+1) 26. Το ατομικό στοιχείο Χ έχει στη θεμελιώδη κατάσταση ένα μονήρες ηλεκτρόνιο στην υποστοιβάδα 3p. a. Ποιος μπορεί να είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου Χ; β. Αν το στοιχείο Χ έχει μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού (Εi1) από το στοιχείο 15Ρ, να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης ΗΧΟ2 Δίνονται τα στοιχεία Η και Ο με ατομικούς αριθμούς αριθμούς 1 και 8 αντίστοιχα. Να αιτιολογήσετε την απάντηση σας. (ΟΕΦΕ 2008/Μον.3+ 4)

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

169

27. α. Να γραφεί η ηλεκτρονιακή δομή του στοιχείου 7Ζ. β. Nα βρεθεί σε ποια ομάδα, ποια περίοδο και ποιο τομέα του Π.Π. ανήκει. γ. Nα συγκρίνετε την ενέργεια ιοντισμού κι την ατομική ακτίνα των στοιχείων 7Ζ, 3Li. δ. Να γραφτούν οι τετράδες κβαντικών αριθμών των ηλεκτρονίων σθένους του στοιχείου Ζ. ε. Να γραφεί ο ηλεκτρονιακός τύπος κατά Lewis της ένωσης ΗΖΟ3. (Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί του Η και του Ο: 1 και 8 αντίστοιχα) (ΟΕΦΕ 2007/Μον. 10) 28. Δίνονται τα στοιχεία 15P και 17Cℓ. α. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή των παραπάνω ατόμων σε στιβάδες και υποστιβάδες στη θεμελιώδη τους κατάσταση. β. Σε ποια ομάδα του περιοδικού πίνακα ανήκει το καθένα από τα παραπάνω στοιχεία; γ. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης PCℓ3. (Ομογ. 2009/Μον. 4+2+2) 29. Για τα στοιχεία Α, Β, Γ γνωρίζουμε ότι:  το άτομο του στοιχείου Α στη θεμελιώδη κατάσταση, διαθέτει συνολικά 7 ηλεκτρόνια με ℓ=0 και ανήκει στον s τομέα του Περιοδικού Πίνακα.  το ανιόν Β3- είναι ισοηλεκτρονιακό με το ευγενές αέριο της 3ης περιόδου.  το άτομο του στοιχείου Γ στη θεμελιώδη κατάσταση, διαθέτει συνολικά 4 ζεύγη ηλεκτρονίων. α. Να υπολογίσετε τους ατομικούς αριθμούς των Α, Β, Γ. β. Να προσδιορίσετε σε ποια ομάδα και σε ποια περίοδο του Περιοδικού Πίνακα βρίσκονται τα στοιχεία Α, Β, Γ, και να τα κατατάξετε κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας πρώτου ιοντισμού Εi(1). γ. (i) Ποιο από τα παραπάνω στοιχεία μπορεί να σχηματίσει βασικό οξείδιο; (ii) Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο του οξειδίου. Δίνεται ο ατομικός αριθμός του οξυγόνου, Ζ=8. (ΟΕΦΕ 2010/Μον. 3+3+1+2) 30. Δίνονται τα στοιχεία 14Si και 17Cℓ. α. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους (κατανομή ηλεκτρονίων σε υποστιβάδες) στη θεμελιώδη κατάσταση. β. Να δικαιολογήσετε ποιο από αυτά τα δύο στοιχεία έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού (Εi1). γ. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ένωσης SiCℓ4. (Εσπ. 2010//Μον. 2+3+3) 31. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο κατά Lewis της ιοντικής ένωσης (NH4)2CO3. Δίνονται οι Ατομικοί Αριθμοί: H=1, C=6, N=7, O=8. (Επαν. 2010/Μον. 5)

170

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

32. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των ιοντικών ενώσεων: ΝaΗCΟ3 και Mg3N2. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί: Η = 1, C = 6, N = 7, O = 8, Na = 11, Mg = 12. (Επαν. 2011/Μον. 8) 33. Δίνονται τα επόμενα στοιχεία: 6C, 12Mg, 15P και zX. α. Να βρεθεί ο ελάχιστος ατομικός αριθμός (Ζ) του στοιχείου Χ αν γνωρίζουμε ότι αυτό διαθέτει ίσο αριθμό πλήρως συμπληρωμένων s και p ατομικών τροχιακών και συνολικό άθροισμα spin των ηλεκτρονίων του ίσο με

1 .

2

β. Ένα από τα παραπάνω στοιχεία διαθέτει τις παρακάτω ενέργειες ιοντισμού: Ei1=286 kJ/mol, Ei2=491 kJ/mol, Ei3=3208 kJ/mol, Ei4=3604 kJ/mol. Να δικαιολογήσετε σε ποιο από τα παραπάνω στοιχεία μπορούν να ανήκουν οι τιμές αυτές. γ. Να γραφούν οι δομές κατά Lewis των ενώσεων CO2, PCℓ 5, CH3MgBr. δ. Να βρεθεί ο ατομικός αριθμός του στοιχείου Ψ που ανήκει στην ίδια περίοδο με το Χ και σχηματίζει βασικό οξείδιο του τύπου Ψ2Ο. Δίνονται 8Ο, 17Cℓ, 35Br, 1H. (ΟΕΦΕ 2012/Μον. 2+2+4,5+1,5) 34. Δίνονται τα στοιχεία: 7Ν, 8Ο, 11Νa. α. Ποιο από τα στοιχεία αυτά έχει περισσότερα μονήρη ηλεκτρόνια στη θεμελιώδη κατάσταση; β. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο Lewis της ένωσης NaNO2.

(2012/Μον. 3+2) 35. Δίνονται τα στοιχεία 1Η, 7Ν, 8Ο, 11Νa και 15P. α. Ποια από τα παραπάνω στοιχεία ανήκουν: i. στην ίδια ομάδα του Περιοδικού Πίνακα. ii. στην ίδια περίοδο του Περιοδικού Πίνακα. β. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο Lewis της ένωσης (ΝΗ4)3PO4.

(Επαν. 2012/Μον. 2+3)

36. ∆ίνονται τα στοιχεία 20Ca, 15P, 8O α. Ποιο από τα στοιχεία αυτά έχει περισσότερα μονήρη ηλεκτρόνια; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο της ένωσης Ca3(PO4)2. (Ομογ. 2012/Μον. 1+2+4) 37. Δίνονται τα στοιχεία Χ και Ψ. Το Χ ανήκει στη 2η ομάδα και στην 4η περίοδο και το Ψ έχει ατομικό αριθμό 35. α. Σε ποια ομάδα και σε ποια περίοδο ανήκει το στοιχείο Ψ; β. Να γράψετε τον ηλεκτρονιακό τύπο της ένωσης μεταξύ των Χ και Ψ. γ. Πόσα ηλεκτρόνια του στοιχείου Χ έχουν αζιμουθιακό κβαντικό αριθμό ℓ=1; Να αιτιολογήσετε όλες τις απαντήσεις σας.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

171

(Ομογ. 2013/Μον. 3+6)

172

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Ανακεφαλαίωση Θεμελιώδης εξίσωση κυματικής: c = λ·v. Δυαδική φύση του φωτός. Εξίσωση Planck: E = h·v.

1η Συνθήκη Bohr: En 2η Συνθήκη Bohr:

2,18 10 18 J. n2 Ef Ei h v .

Διέγερση ηλεκτρονίου: σε ένα βήμα – προϋπόθεση (κβαντισμένη) κατάλληλη ΔΕ. Αποδιέγερση ηλεκτρονίου σε ένα ή περισσότερα βήματα. Ιοντισμός: ΔΕ |Ε1| - η επιπλέον ενέργεια κινητική. Δυαδική φύση ύλης. Εξίσωση de Broglie:

h . m

Αρχή απροσδιοριστίας του Heisenberg. Κυματική εξίσωση του Schrodinger. Ατομικό τροχιακό. Πυκνότητα ηλεκτρονιακού νέφους. Κβαντικοί αριθμοί. Απαγορευτική αρχή του Pauli. Αρχή ελάχιστης ενέργειας. Κανόνας του Hund. Ημισυμπληρωμένη ή συμπληρωμένη d. Ενέργεια συμπληρωμένων ή ασυμπλήρωτων υποστιβάδων. Ηλεκτρονιακή δομή ιόντων. Νόμος Moseley. Περιοδικός πίνακας. Περίοδος. Ομάδα. Τομέας. Στοιχεία μετάπτωσης. Θέση στο Π.Π. από την ηλεκτρονιακή δομή και αντίστροφα. Ατομική ακτίνα – Π.Π. Ενέργεια ιοντισμού – Π.Π. Ηλεκτροθετικότητα. Μέταλλα. Ηλεκτραρνητικότητα. Αμέταλλα. Ιοντικός δεσμός. Ομοιοπολικός δεσμός. Ημιπολικός δεσμός. Μεταβολή των χημικών ιδιοτήτων κατά μήκος μιας περιόδου. Εύρεση ηλεκτρονιακού τύπου. Εξαιρέσεις από τον κανόνα της οκτάδας.

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

173

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1 1. Το άτομο του υδρογόνου βρίσκεται στη θεμελιώδη ενεργειακή κατάσταση. α. Ποια είναι η ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να απορροφήσει το άτομο του υδρογόνου, ώστε να διεγερθεί; β. Πόση ενέργεια πρέπει να έχει ένα φωτόνιο που θα απορροφήσει το άτομο του υδρογόνου, ώστε: i. να μεταβεί στη 2η διεγερμένη κατάσταση; ii. να ιοντιστεί;

2. Ποιες από τις παρακάτω τετράδες κβαντικών αριθμών (n, ℓ, mℓ, ms) που περιγράφουν ηλεκτρόνια δεν είναι επιτρεπτές;

1 2

α. 3, 1, 0, ε. 5, 3, θ.

β. 4, 2,

1 2

1,

2, 1, 1,

1 2

στ. 4, 0, ι. 4,

1 2

2,

1,

2, 1,

1 2

γ. 1, 1, 0,

1 2

ζ. 4, 1,

2,

δ. 3, 2, 0, 0

1 2

η. 5, 0, 0,

1 2

1 2

3. Ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένας πυρήνας

4 2

e 2 κινούνται με την ίδια ταχύτητα υ και έχουν

αντίστοιχα μήκη κύματος κατά de Broglie λ1, λ2 και λ3. Για τα μήκη κύματος ισχύει η σχέση: i. λ3>λ1>λ2

ii. λ1<λ2<λ3

iii. λ3<λ1=λ2

iv. λ3<λ1<λ2

4. α) Να συγκρίνετε την ενέργεια των τροχιακών: 2s, 2px, 2py και 2pz i. σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο. ii. στο άτομο του υδρογόνου.

5. Για το χημικό στοιχείο Α υπάρχουν τα εξής δεδομένα: Ι. Ανήκει στην 3η περίοδο του Π.Π. ΙΙ. Σχηματίζει οξείδιο με χημικό τύπο ΑΟ, το οποίο είναι ιοντική ένωση.

174

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

α. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείο Α; Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του στη θεμελιώδη κατάσταση; β. Να γράψετε στις χημικές εξισώσεις των αντιδράσεων του οξειδίου ΑΟ με τα αντιδραστήρια Η 2Ο, ΗCℓ και ΝαΟΗ.

6. Να υπολογίσετε τους ατομικούς αριθμούς και να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων στη θεμελιώδη κατάσταση για τα επόμενα χημικά στοιχεία: α. το πρώτο στοιχείο από τα ευγενή αέρια. β. το τρίτο στοιχείο από τα αλκάλια. γ. το δεύτερο στοιχείο από τα αλογόνα.

7. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση σε καθεμία από τις επόμενες ερωτήσεις. α. Ποιο από τα επόμενα ατομικά τροχιακά (n, ℓ, mℓ) θα συμπληρωθεί τελευταίο κατά την ηλεκτρονιακή δόμηση ενός ατόμου στη θεμελιώδη κατάσταση; i. (3, 0, 0) ii. (3, 1, -1) iii. (3, 2, -2) iv. (4, 0, 0) β. Πόσα χημικά στοιχεία περιλαμβάνει ο τομέας s του Π.Π.; i. 12

ii. 13

iii. 14

iv. 15

8. Ποιες από τις επόμενες ηλεκτρονιακές δομές παραβιάζουν την απαγορευτική αρχή του Pauli και ποιες τον κανόνα του Hund; i. 1s22s22p73s1

ii. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2x 3p1y

iii. (

(

) (

1s

)

2s

v. ( ) ( ) ( )( )(

) ( )( ) 2p

iv. (

) 1s

(

) ( )( )( ) 2s

2p

)

3d

9. α. Να υπολογίσετε τον μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων σε ένα άτομο τα οποία έχουν κβαντικούς αριθμούς: i. n=5, ℓ=2 και ms

1 2

ii. n=4 και mℓ =0

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

iii. n=3, mℓ = -1 και ms

1 2

iv. n=2 και mℓ=1

175

β. Ποιος είναι ο ελάχιστος ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείου, το άτομο του οποίου στη θεμελιώδη κατάσταση έχει: i. ημισυμπληρωμένη μια υποστιβάδα p; ii. συμπληρωμένα όλα τα τροχιακά της στιβάδας Μ; iii. δύο μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα Ν; Να προσδιορίσετε σε ποια θέση του Π.Π. ανήκει το καθέν από τα παραπάνω χημικά στοιχεία.

10. Τα χημικά στοιχεία Α, Β και Γ ανήκουν στην 3η περίοδο του Π.Π. Το χημικό στοιχείο Α είναι μέταλλο και το άτομό του στη θεμελιώδη κατάσταση δεν έχει μονήρη ηλεκτρόνια. Το χημικό στοιχείο Β έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα από το Α, ενώ το χημικό στοιχείο Γ ανήκει στη 16 η ομάδα του Π.Π. α. Να προσδιορίσετε τους ατομικούς αριθμούς των χημικών στοιχείων Α, Β και Γ. β. Να διατάξετε τα χημικά στοιχεία αυτά κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας πρώτου ιοντισμού (Εi1). γ. Να συγκρίνετε την ενέργεια δεύτερου ιοντισμού (Εi2) των χημικών στοιχείων Α και Β. δ. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των οξειδίων ΑΟ, Β2Ο και ΓΟ3. Να χαρακτηρίσετε τα οξείδια αυτά ως όξινα ή βασικά. Δίνεται ο ατομικός αριθμός (Ζ): 8Ο.

176

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 2 1. Να γράψετε τους κβαντικούς αριθμούς που περιγράφουν: α. τη στιβάδα Ν

β. την υποστιβάδα 5d

γ. το τροχιακό 4pz

δ. το ηλεκτρόνιο που ανήκει στο τροχιακό 3py ε. ένα ηλεκτρόνιο που ανήκει σε ένα τροχιακό 2p.

2. Ποιες από τις επόμενες προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Στο άτομο του υδρογόνου η ενέργεια του ηλεκτρονίου μειώνεται με την αύξηση της τιμής του κύριου κβαντικού αριθμού n. β. Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg αμφισβητεί τον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό του ηλεκτρονίου. γ. Για να εκδηλώνεται ο κυματικός χαρακτήρας ενός σωματιδίου, πρέπει αυτό να έχει μικρή μάζα και σχετικά μικρή ταχύτητα. δ. Στο άτομο του υδρογόνου δεν υπάρχουν ατομικά τροχιακά 3s ή 4p.

3. Ποιος είναι ο ελάχιστος ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείου, το άτομο του οποίου στη θεμελιώδη κατάσταση έχει: i. δύο ηλεκτρόνια σε τροχιακά p; ii. δύο ηλεκτρόνια σε τροχιακά με ℓ = 2; 4. Να βρείτε σε ποια θέση στον Π.Π. (τομέας, περίοδος, ομάδα) ανήκουν τα επόμενα χημικά στοιχεία, για τα οποία δίνεται η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους στη θεμελιώδη κατάσταση. α. [Ne]3s23p5

β. [Xe]6s2

στ. [Kr]4d105s25p1

γ. [Ne]3s1

ζ. [Rn]6d17s2

δ. [Ar]3d54s2

η. [Xe]4f145d106s1

ε. [Xe]4f76s2 θ. 1s2

ι. [Xe]4f145d106s26p2

5. Να υπολογίσετε τους δυνατούς ατομικούς αριθμούς των χημικών στοιχείων, τα άτομα των οποίων στη θεμελιώδη κατάσταση διαθέτουν: i. 2 μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα Μ. ii. 3 μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα L. iii. 7 ηλεκτρόνια σε s ατομικά τροχιακά.

6. Ποιες από τις επόμενες προτάσεις είναι σωστές;

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

177

α. Σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο όλα τα τροχιακά μιας υποστιβάδας έχουν την ίδια ενέργεια. β. Τα άτομα των χημικών στοιχείων της ομάδας VA (15η) του Π.Π. στη θεμελιώδη κατάσταση έχουν 3 ασύζευκτα (μονήρη) ηλεκτρόνια. γ. Το 2Ηe ανήκει στον τομέα s και στη 18η ομάδα του Π.Π.

7. Δίνονται οι επόμενες ηλεκτρονιακές δομές: i. 12Mg: 1s22s22p6

ii. 14Si: 1s22s22p63s13p3

iv. 9 F:1s2 2s2 2p2x 2p2y 2p2z

iii. 26Fe: [Ar]3d5

v. 33As: [Ar]3d104s34p2

vi. 38Sr: 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2 Ποιες από τις δομές αυτές αντιστοιχούν σε: α. θεμελιώδη κατάσταση ατόμου;

β. διεγερμένη κατάσταση ατόμου; γ. θεμελίωδη δομή ιόντος;

8. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των χημικών ενώσεων που σχηματίζονται μεταξύ των χημικών στοιχείων: α. 12Mg και 17Cℓ

β. 19K και 16S

γ. 20Ca και 1H

δ. 14Si και 17Cℓ

9. Ένα χημικό στοιχείο Χ ανήκει στην τρίτη περίοδο του Π.Π. και το άτομό του στη θεμελιώδη κατάσταση έχει δύο μονήρη ηλεκτρόνια. α. Ποιοι είναι οι δυνατοί ατομικοί αριθμοί του χημικού στοιχείου Χ; β. Το χημικό στοιχείο Χ σχηματίζει με το υδρογόνο την ομοιοπολική ένωση Η2Χ στο μόριο της οποίας το Χ αποκτά ηλεκτρονιακή δομή ευγενούς αερίου. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του χημικού στοιχείο Χ και σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκει; γ. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των παρακάτω χημικών ενώσεων: ΧΟ2, Νa2ΧΟ4, ΝaΗΧΟ3 και ΧF6 δ. Το οξείδιο ΧΟ3 διαλύεται στο νερό. Να εξηγήσετε αν το διάλυμα που προκύπτει είναι όξινο, ουδέτερο ή βασικό. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί (Ζ): 1Η, 8Ο, 9F,

11Na.

10. Να συγκρίνετε το μέγεθος για τα επόμενα άτομα και ιόντα: i. 7N3-, 9F-, 12Mg2+ ii. 9F, 12Mg, 17Cℓ iii. 12Mg, 12Mg+, 12Mg2+

178

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 3

1. Να υπολογισθεί ο ελάχιστος ατομικός αριθμός των στοιχείων με τα εξής χαρακτηριστικά: α. Στοιχείου Χ του οποίου το άθροισμα όλων των κβαντικών αριθμών του spin είναι ίσο με 2,5. και β. Στοιχείου Ψ του οποίου το άθροισμα όλων των κβαντικών αριθμών του spin είναι ίσο με 3.

2. Ποιος είναι ο ελάχιστος ατομικός αριθμός στοιχείου Ψ στο άτομο του οποίου το άθροισμα των κβαντικών αριθμών του spin όλων των ηλεκτρονίων είναι +2 και στις

υποστιβάδες που έχουν

ηλεκτρόνια δεν υπάρχουν κενά τροχιακά d; Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή του ιόντος Ψ2+ ;

3. Επιλέξτε την ορθή από τις απαντήσεις: Ι. Στοιχείο Α έχει σε θεμελιώδη κατάσταση 3

μονήρη ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα Μ .

Επομένως ο ατομικός του αριθμός θα είναι: α. 15, β. 23, γ. 15 ή 23, δ. 13 ΙΙ. Στοιχείο μετάπτωσης Β ανήκει στην 4η περίοδο και έχει σε θεμελιώδη κατάσταση 3 μονήρη ηλεκτρόνια και κανένα κενό τροχιακό στην υποστιβάδα 4d. Επομένως θα ανήκει στην ομάδα: α. 3η, β. 5η, γ. 7η, δ. 9η

4. Τα ηλεκτρόνια του στοιχείου Χ κατανέμονται σε 5 τροχιακά (θεμελιώδης κατάσταση), ενώ το αλγεβρικό άθροισμα των κβαντικών αριθμών του spin των ηλεκτρονίων είναι ίσο με 1. α. Να προσδιορισθεί ο ατομικός αριθμός του Χ, β. Nα συγκριθεί η ατομική ακτίνα του Χ με τις ατομικές ακτίνες, στοιχείου Ψ που ανήκει στην 2 η περίοδο και την 18η ομάδα και στοιχείου Ζ που έχει ατομικό αριθμό 16.

5. Επιλέξτε την σωστή από τις απαντήσεις για κάθε ερώτηση: Ι. Η δομή εξωτερικής στιβάδας Μ s2,p2, αναφέρεται σε στοιχείο με ατομικό αριθμό: α. 14, γ. 32,

β. 22,

δ. 35 .

ΙΙ. Στοιχείο της τρίτης περιόδου είναι αδύνατον να έχει ηλεκτρόνιο με τετράδα κβαντικών αριθμών α. (2,1,0,-1/2), β. (3,2,1,+1/2, γ. (3,1,-1,-1/2), δ. (1,0,0,+1/2) ΙΙΙ. Ο χημικός τύπος της ένωσης μεταξύ των στοιχείων αζώτου , οξυγόνου και χλωρίου είναι:

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

179

α. O=N-Cℓ,

β. N=O-Cℓ,

γ. Cℓ=O-N,

δ. N-Cℓ-O,

ε. O-N=Cℓ. (Δίνονται: Z(O)=8, Z(N)=7,

Z(Cℓ)=17).

IV. Πόσες υποστιβάδες που διαθέτουν ηλεκτρόνια σε θεμελιώδη κατάσταση μπορεί να έχει στοιχείο της 4ης περιόδου; α) 6, β) 7, γ) 8 , δ) 6 ή 7 ή 8.

6. Για τα στοιχεία Α, Β, Γ και Δ δίνονται τα εξής: Το Α2+ έχει δομή ευγενούς αερίου της 3ης περιόδου. Το Β έχει την μικρότερη ενέργεια ιοντισμού της περιόδου και στιβάδα σθένους την Ο. Το Γ ανήκει στον τομέα p, έχει 2 μονήρη ηλεκτρόνια και ηλεκτρόνια στη θεμελιώδη κατάσταση, σε 5 τροχιακά. Το Δ έχει ατομικό αριθμό 28. α. Επομένως στοιχείο μετάπτωσης είναι το ….., αμέταλλο είναι το ….., μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το ….., μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού έχει το και στοιχεία του τομέα s είναι τα ….. β. Το στοιχείο Γ αντιδρά με το Α και σχηματίζει χημική ένωση με μοριακό τύπο ……, η οποία όταν διαλυθεί σε νερό δίνει διάλυμα το οποίο σε θερμοκρασία 25oC έχει pH ……….. του 7. γ. Να γραφεί ο ηλεκτρονικός τύπος Lewis της ένωσης ΒΓΗ. (ΖΗ=1).

7. Εξηγείστε πως μεταβάλλεται η ενέργεια πρώτου ιοντισμού από πάνω προς τα κάτω στην 1η ομάδα του Π.Π.

8. Δίνονται τα χημικά στοιχεία 16S, 17Cℓ και 20Ca. α. Σε ποια θέση στον Π.Π. ανήκει το καθένα από τα χημικά στοιχεία; β. Ποιο από τα χημικά στοιχεία αυτά: i. έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; ii. είναι περισσότερο ηλεκτροθετικό; iii. έχει μεγαλύτερο δραστικό πυρηνικό φορτίο; iv. έχει μεγαλύτερη ηλεκτραρνητικότητα; γ. Πόσα ηλεκτρόνια από το άτομο του Ca στη θεμελιώδη κατάσταση έχουν: i. mℓ=0;

ii. mℓ =-1;

iii.

ms

1 ; 2

δ. Να γράψετε τους ηλεκτρονιακούς τύπους κατά Lewis των παρακάτω χημικών ενώσεων:

180

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

i. CaO

ii. SO3

iii. NaHSO4

iv. Ca(CℓO3)2

Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί (Ζ): 1Η, 8Ο,

11Νa

9. Δίνονται οι επόμενες ηλεκτρονιακές δομές: α. 6C: 1s22s2 2p 2x

β. 8O: 1s22s22p6

γ. 7N: (

)( ) (

1s 2s δ.

16

S:1s2 2s2 2p6 3s2 3p2x 3p1y 3p1z

ε.

27Ca:

[Ar]3d7

)( )( ) 2p

ζ. 11Na: 1s22s32p53s1

Ποιες από τις δομές αυτές: i. παραβιάζουν την απαγορευτική δομή του Pauli; ii. παραβιάζουν τον κανόνα του Hund; iii. αντιστοιχούν σε δομή ιόντος; iv. αντιστοιχούν σε θεμελιώδη κατάσταση ατόμου;

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

181

ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΩΝ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΤΡΟΧΙΑΚΟ – ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ Θέμα 1ο 1) α.Λ, β.Σ, γ.Λ, δ.Λ, ε.Λ, ζ.Λ, η.Σ, θ.Λ, ι.Σ, κ.Σ, λ.Λ, μ.Σ, ν.Σ 2) β

3) α

11) β

4) β

12) γ

5) δ

13) β

6) α 14) γ

16) 2s1, 4p3, 3d5, 5f7 23) β

7) β

8) 1-γ, 2-α, 3-δ, 4-β

9) γ

10) δ

15) 1-ε, 2-γ, 3-α, 4-β, 5-ζ

17) γ

18) δ

19) γ

20) δ

21) γ

22) α

24) β 25) γ 26) γ 27) γ

Θέμα 2ο 1) α) Στην υποστιβάδα αντιστοιχούν (2 ℓ + 1) τροχιακά ή (2 n -1) + 1 = (2 n – 1) τροχιακά. Σε μια στιβάδα αντιστοιχούν 1 + 3 + 5 + . . . +(2 n – 1) τροχιακά. Άρα το άθροισμα είναι:

n (1 2n 1) n2 2

S β)

Άρα

1

2

2

1

2) α) E1 β)

1 3

(1) (2) γ)

182

2

1

4

4 1

1

4

16

3 1 16

2

Ε1 9

h f2 8 1 f1 9h f2 5 1 36h 1

f2

1

9

8 9

h f1

8 9

1

E3 E1

3

Ε3 2 =Ε3 -Ε 2 = 3 2

3 1 4

1 1

1

8 1 (1) 9h 4 1 9 1 5 1 36 36

1

f1

1

4

3 2

1

h 8 36 9 5

36h

(2)

32 5 1

0

1

1

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

3) Λάθος, καθορίζονται και από τις απώσεις ηλεκτρονίου – ηλεκτρονίου.

ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ

Θέμα 1

ο

1) α. Λ

β. Λ

γ. Λ

δ. Σ

ε. Λ

ζ. Λ

η. Λ

θ. Λ

ι. Σ

κ. Σ

λ. Σ

μ. Σ 2) α

3) α-4, β-1, γ-5, δ-2

10) 1-στ, 2-β, 3-α, 4-γ

4) γ

11) γ

5) β

12) δ

6) β

13) β

7) β

14) α

8) γ 15) γ

9) β 16) Α.δ Β.γ

17) γ

18) γ

19) γ

20) α

21) δ

22) β

23) γ

24) β

25) γ

26) δ

27) α

28) γ

29) β

30) γ

31) α

32) δ

33) β

34) β

35) δ

36) β

37) β 38) α. αρχή ελάχιστης ενέργειας β. απαγορευτική αρχή Pauli γ. Κανόνας Hund δ. Απαγορευτική αρχή Paouli 42) δ

43) δ

44) α

45) β

39) β

40) α.14, β.6, γ.2 δ. 4 ε. 4 41) β

46) β

47) β 48) β 50) β 51) β

Θέμα 2ο 1) δ

2) 1s2, 2s2, 2p2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d6 – (4,0 ,0 +

1 1 ), (4, 0, 0, - ) 2 2

3) α) Τροχιακό: καθορίζεται από τους 3 πρώτους κβαντικούς αριθμούς. Ο τέταρτος μπορεί να πάρει τις τιμές +

1 1 και - .

2 2

Απαγορευμένη αρχή του Paouli: δεν μπορούν να υπάρξουν ηλεκτρόνια με την ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών. Άρα σε ένα τροχιακό μπορεί να υπάρξουν μόνο 2 ηλεκτρόνια με spin + β)

30Zn:

4)

12Mg

1 1 και - .

2 2

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2

2+

: 1s2 2s2 2p6

15P:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 : 3 μονήρη

19K:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 : 1 μονήρες

2+ 26Fe :

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 : 4 μονήρη

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

183

5) Σωστή. Γιατί το

34Se

έχει δομή 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10, 4s2, 4p4 άρα υπάρχουν 4 ηλεκτρόνια

4pz τροχιακό με κβαντικούς αριθμούς n=4, ℓ=1, mℓ=0.

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ - ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕΤΑΠΤΩΣΗΣ Θέμα 1ο 1) α. Σ, β. Λ, γ. Λ, δ. Λ, ε. Λ, ζ. Λ η. Σ θ. Σ

2) β

3) γ

4) γ

5) α-5, β-1, γ-6, δ-2, ε-3 6) α 7) Α: 1 μον., p, 3η περ, 17η ομάδα Β: 3 μον., d, 4η περ, 9η ομάδα Γ: 3 μον., p, 2η περ, 15η ομάδα Δ: κανένα μον., p, 3η περ, 18η ομάδα 8) γ

9) γ 10) α 11) γ 12) δ 13) δ 14) γ 15) δ

Θέμα 2ο 1) Α: 1s22s22p4, Z=8 B: 1s22s22p5, Ζ=9 Γ: 1s22s22p6, Ζ=10, Δ: 1s22s22p63s1, Ζ=11 2) α)Λάθος, το ανιόν Α- έχει ηλεκτρονιακή δομή ευγενούς αερίου β) Σωστή , 4s24p3 3) α) Z=12 β) 1s22s22p63s2, 3η περίοδος 2η ομάδα γ) (4, 0, 0, +

4) Z=20 1s22s22p63s23p64s2

4η περίοδος

2η ομάδα

Z=26 1s22s22p63s23p63d64s2 4η περίοδος

8η ομάδα

Z=16 1s22s22p63s23p4

1 1 ) (4, 0, 0, - ) 2 2

3η περίοδος 16η ομάδα

5) α) 8, 2s22p6 β) 1s22s22p63s23p63d74s2

d τομέας 4η περίοδος

9η ομάδα

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Θέμα 1ο 1) α. Σ β. Λ γ. Σ δ. Λ ε. Λ ζ. Σ η. Σ θ. Σ ι. Λ κ. Σ λ. Λ μ. Λ ν. Λ ξ. Σ ο. Λ π. Λ ρ. Λ 2) γ

3) δ

4) 1s2, 2s2, 2px22py22pz2, 3s2, 3px2, 3py13pz1, 6, 2, η ατομική ακτίνα του S2- μεγαλύτερη

5) γ 6) β 7) β 8) β

184

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Θέμα 2ο 1) Λάθος, στα στοιχεία της ίδιας ομάδας με αύξηση του ατομικού αριθμού αυξάνεται η ατομική ακτίνα, άρα ελαττώνεται η έλξη πυρήνα – ηλεκτρονίου και κατά συνέπεια ελαττώνεται η ενέργεια πρώτου ιοντισμού.

2) α) Το ηλεκτρόνιο φεύγει ευκολότερα από ένα ουδέτερο άτομο παρά από ένα θετικά φορτισμένο ίον και πολύ πιο δύσκολα από ένα ιόν με φορτίο +2. β) Το ένα ηλεκτρόνιο του Νa μπορεί να αποσπαστεί ευκολότερα από το ένα ηλεκτρόνιο του Li από την έλξη του πυρήνα εφόσον βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση.

3) α) 1s22s22p63s1 - 1s22s22p63s23p5 β) Το Cℓ γιατί η έλξη του πυρήνα στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας του Li στην προκειμένη περίπτωση είναι μεγαλύτερη λόγω αυξημένου δραστικού πυρηνικού φορτίου. Προσοχή τα δραστικά πυρηνικά φορτία είναι ίσα.

4) α) 1s22s22p63s23p64s2 - 1s22s22p63s23p63d14s2 β) Το Ca γιατί το επιπλέον πρωτόνιο του πυρήνα του Sc έλκει το ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στιβάδας, έτσι η ενέργεια ιοντισμού του Sc αυξάνεται. γ) 1s22s22p63s23p6 5) α) Λάθος το Mg έχει μικρότερη ατομική ακτίνα γιατί έχει μεγαλύτερο δραστικό πυρηνικό φορτίο. β) Σωστό γ) Λάθος με αύξηση του ατομικού αριθμού σε μια ομάδα αυξάνονται οι στιβάδες άρα και η ατομική ακτίνα.

6) α) 1s22s22p63s23p3 : Z=15

1s22s22p63s23p63d34s2 : Z=23

1s22s22p63s23p63d74s2 : Z=27 β) Το Z=15. Μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού έχει το 1s22s23p3 : Z=7, γιατί έχει μικρότερη ατομική ακτίνα.

7) α-β) Α: 1s22s22p6

2η περίοδο

18η ομάδα

Β: 1s22s22p63s23p5

3η περίοδο

17η ομάδα

Γ: 1s22s22p63s23p64s1

4η περίοδο

1η ομάδα

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

185

γ) Μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού έχει το Α γιατί έχει το μεγαλύτερο δραστικό πυρηνικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας βρίσκονται κοντά στον πυρήνα. Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Γ γιατί έχει περισσότερες στιβάδες και μικρότερο δραστικό πυρηνικό φορτίο.

8) α-β) Χ: 1s22s22p63s1 Ψ: 1s22s22p5

1η ομάδα – s τομέας 17η ομάδα – p τομέας

γ) Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Χ γιατί έχει περισσότερες στιβάδες.

9) Κ: 1s22s22p63s23p64s1 L: 1s22s1 Na: 1s22s22p63s1 Ατομική ακτίνα Li < Na < K 10) Mg: 1s22s22p63s2 S: 1s22s22p63s23p4 Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Mg λόγω μικρότερου δραστικού πυρηνικού φορτίου.

11) α) Είναι πιο δύσκολο να αποσπασθεί ηλεκτρόνιο από ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν παρά από ένα ουδέτερο άτομο. β) Σε μια περίοδο του Π.Π. από αριστερά προς τα δεξιά αυξάνεται η έλξη του πυρήνα στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας, λόγω αύξησης του δραστικού πυρηνικού φορτίου. γ) Όσο πιο μεγάλη η ατομική ακτίνα τόσο πιο μικρή η έλξη του πυρήνα στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας άρα πιο μικρή η ενέργεια ιοντισμού. δ) 17Cℓ: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 16S:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

Το Cℓ έχει μεγαλύτερη 1η ενέργεια ιοντισμού γιατί βρίσκεται στην ίδια περίοδο και πιο δεξιά στο Π.Π. από το S (17η ομάδα το Cℓ και 16η ομάδα το S).

12) α-β) Br: 1s22s22p63s23p63d104s24p5: 4η περίοδο – 17η ομάδα Ca: 1s22s22p63s23p64s2: 4η περίοδο – 2η ομάδα γ) Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει το Ca λόγω μικρότερου δραστικού πυρηνικού φορτίου.

13) α) Cℓ

186

β) Mn

γ) Na

δ) 1s22s22p63s23p1

ε) 1η ή 6η ή 11η ομάδα

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

14) Σωστή γιατί ενώ στις τρεις πρώτες περιπτώσεις ιοντισμού έχουμε αύξηση της τιμής, στην τέταρτη περίπτωση η ενέργεια ιοντισμού μειώνεται δραματικά.

ΘΕΩΡΙΑ LEWIS Θέμα 1ο 1) γ

Θέμα 2ο 1) α) Χ: 1s22s22p3: 15η ομάδα Ζ=17 β) (2, 0, 0, +

1 1 1 1 1 ), (2, 0, 0, - ), (2, 1, 1, + ), (2, 1, 0, + ), (2, 1, -1, + ) 2 2 2 2 2

γ) Be: 1s22s2, Mg: 1s22s22p63s2, Ενέργεια ιοντισμού: Mg < Be < X 2

3M g

2

3 : Mg :

3

2 :X:

δ)

H :O : X :O : :O: 2) α) Η: 1s1 O: 1s22s22p4 Cℓ: 1s22s22p63s23p5 Απαγορευτική Αρχή Paouli – Αρχή ελάχιστης ενέργειας – Κανόνας Hund β) H : O : Cl : 3) α-β) H: 1s1 O: 1s22s22p4

1η περίοδος – 1η ομάδα – s τομέας 2η περίοδος – 16η ομάδα – p τομέας

Si: 1s22s22p63s23p2

3η περίοδος – 14η ομάδα – p τομέας

P: 1s22s22p63s23p3

3η περίοδος – 15η ομάδα – p τομέας

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

187

H

H

:O:

:O:

γ) H : O : Si : O : H

H :O : P :O : H :O: H

:O: H

H :O:

H 4)

H :N :H

,

: Cl :

H :C N : , H :O : S :O :

H

:O:

5) Α: 1s22s22p4

2η περίοδος – p τομέας

Β: 1s22s22p63s23p4

3η περίοδος – p τομέας

A :: B :: A

6) α) F: 1s22s22p5, O: 1s22s22p4, N: 1s22s22p3 β) Ατομική ακτίνα F < O < N, σε μια περίοδο από αριστερά προς τα δεξιά μειώνεται η ακτίνα γιατί αυξάνεται η έλξη του πυρήνα στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας λόγω αυξημένου δραστικού πυρηνικού φορτίου.

γ) : F : N :: O :

7) α) Η: 1s1, N: 1s22s22p3, O: 1s22s22p4

β) H : O : N :: O :

8) α-β) Na: 1s22s22p63s1 S: 1s22s22p62s23p4

1η ομάδα – s τομέας 16η ομάδα – p τομέας

1

γ) 2 Na

S

2 : Na :

9) α-β) O: 1s22s22p4

188

2

:S:

16η ομάδα – p τομέας

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

C: 1s22s22p2

14η ομάδα – p τομέας

: O :: C :: O :

10) α) Η : O : Cl : έχει πέντε μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων. β) Λάθος, η αλκαλική γαία θα διώχνει τα 2 e της εξωτερικής στιβάδας ενώ το οξυγόνο θα προσλαμβάνει τα 2 e άρα θα δημιουργείται ιοντική ένωση του τύπου ΑΟ.

11) α) H: 1s1 N: 1s22s22p3 O: 1s22s22p4 β) H : O : N :: O :

12) α) S: 1s22s22p63s23p4 2 μονήρη, και τα τρία 3p τροχιακά περιέχουν ηλεκτρόνια 1

:O: β)

H :O : S :O : :O:

13) α) N: 1s22s22p3

O: 1s22s22p4

β) Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα το Ν γιατί έχει μικρότερο δραστικό πυρηνικό φορτίο.

:O: γ) H : O : N :: O :

H 14)

H :N :H

: O : N :: O :

H

:O:

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

189

:O: H : O : Cl : O :

H :C N :

:O:

15) α) Η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται

Νa < Mg < S < O γιατί αυξάνεται από αριστερά προς τα

δεξιά στην ίδια περίοδο (Na, Mg, S) και από κάτω προς τα πάνω σε μια ομάδα (S, O).

1

β) 2 Na

O

2 : Na :

2

:O:

2

Mg

O

: Mg :

βασικό

2

:O:

βασικό

: O : S :: O : όξινο :O:

16) α) Α: 1s22s22p63s23p3

B: 1s22s22p63s23p5

β) : B : A : B :

:B:

γ) Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα το Α γιατί η ατομική ακτίνα αυξάνεται από δεξιά προς τα αριστερά.

17) α) O: 1s22s22p4

S: 1s22s22p63s23p4

β) Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα το S, περισσότερες στιβάδες.

γ) : O : S :: O :

:O:

18) α) Το Γ είναι στοιχείο της 4ης περιόδου με τη μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού, άρα έχει ένα ηλεκτρόνιο στη 4s. Γ: 1s22s22p63s23p64s1 Z=19

190

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

β) A: 1s22s22p63s23p5

B: 1s22s22p63s23p63d104s24p5

γ) γ. Κατά μήκος μιας περιόδου η ατομική ακτίνα μειώνεται από αριστερά προς τα δεξιά άρα rΓ > rΒ. Σε μια ομάδα η ατομική ακτίνα αυξάνεται από πάνω προς τα κάτω άρα rB > rA. 19) α-β) O: 1s22s22p4

16η ομάδα – 2η περίοδο

Cℓ: 1s22s22p63s23p5

17η ομάδα – 3η περίοδο

γ) H : O : Cl :

20) H : O : N :: O

3 2 Al 3 O

2 : Al :

21) α) Ο: 1s2, 2s2, 2p4

β)

: Na :

2 3 :O:

Na: 1s2, 2s22p63s1

S: 1s2, 2s2, 2p63s23p4

:O : S :O : :O: H

22) α) Ο: 1s22s22p4 Br: 1s22s22p63s23p63d104s24p5 N: 1s22s22p3 β) Μεγαλύτερη ατομική ακτίνα το Ν γιατί σε μια περίοδο η ατομική ακτίνα αυξάνει από δεξιά προς τα αριστερά, λόγω μικρότερου δραστικού πυρηνικού φορτίου.

γ) H : O : Br :

23) α) He

β) Fe

γ) Κ

δ) Mg: 1s22s22p63s2

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

F: 1s22s22p5

191

2 ε) Mg

2 F:

: Mg :

1 2 :F:

24) α) Ar: 1s22s22p63s23p6 Z=18

β) K: Z=19, Cℓ: Z=17

γ) K: 1s22s22p63s23p64s1 Cℓ: 1s22s22p63s23p5 O: 1s22s22p4

1

δ) : K :

: O : Cl : O : :O:

25) α) Ενέργεια ιοντισμού F > O > S 2

:O: β) : O : S : O :

:O: Έξι ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ θείου και των 6 φθορίων (δεν ισχύει ο κανόνας της οκτάδας). γ) SF6 26) a) X1: 1s22s22p63s23p1 Z=13

X2: 1s22s22p63s23p5

Z=17

β) P: 1s22s22p63s23p3 Μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού από το P έχει το Z=17.

H :O : X :O : 27) α-β) Ζ: 1s22s22p3

15η ομάδα – 2η περίοδο – p τομέας

γ) Ενέργεια ιοντισμού Z > Li

δ) (2, 0, 0, +

192

1 ) 2

(2, 0, 0, -

Ατομική ακτίνα Li > Z

1 ) 2

(2, 1, 1, +

1 ) 2

(2, 1, 0, +

1 ) 2

(2, 1, -1, +

1 ) 2

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

ε) H : O : P :: O

:O:

28) α-β) P: 1s22s22p63s23p3 – 15η ομάδα

Cℓ: 1s22s22p63s23p5 – 17η ομάδα

γ) : Cl : P : Cl :

:Cl: 29) α) ℓ= 0

s Άρα Α: 1s22s22p63s23p64s1 Ζ=19

B: 1s22s22p63s23p3 Ζ=15

Γ: 1s 2 2s 2 2 px2 2 p2y 2 p1z Ζ=9

β) Α: 1η ομάδα – 4η περίοδο Β: 15η ομάδα – 3η περίοδο Γ: 17η ομάδα – 2η περίοδο Ενέργεια ιοντισμού Α < Β < Γ γ) Βασικό οξείδιο μπορεί να σχηματίσει το Α 2

2A

:O

2 : A:

:O:

30) α) Si: 1s22s22p63s23p2

Cl: 1s22s22p63s23p5

β) Ενέργεια ιοντισμού Cℓ > Si γιατί η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά στον περιοδικό πίνακα.

:Cl: : Cl : Si : Cl : :Cl:

2

H 31) 2 H : N : H

:O : : O : C :: O :

H

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

193

:O :

32) : N

:

: O : C :: O

2

3 :

3

2 :N:

g:

33) α) Ζ=9

β) Mg

γ)

Cl |

Cl \

2

H

/ Cl

P Cl / \ Cl

:O C O:

H:C:

: Mg :

: Cl :

H

δ) Ζ=33 34) α) Ν β) : Na :

:O N

O:

|

ετεροπολική ένωση.

:O:

35) α) i) Ίδια ομάδα H-Na και N-P. ii) Ίδια περίοδο Ν-Ο και Νa-P. 3 :O: H | | β) 3 H N H : O P O : | :O: H |

36) α) P: 3s23p3 3

2

:O:

β) 3 : Ca :

|

2 :O

P|

O:

:O:

37) α)17η – 4η 2

β) : X :

1 2 :

:

γ)17

194

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας

Χημεία Γ΄ Λυκείου Κατεύθυνσης

195

www.chem.gr ΑΘΗΝΑ: Εμμ. Μπενάκη & Γραβιάς 10-12, τηλ:210 3809488, 210 3306490 Fax:210 3306490 ΒΟΥΛΑ: Βασ. Παύλου 102 – 104 (Voula Center) τηλ. 210 8996030

196

Δ. Μπαμπίλης –Δρ.Χημείας