Domanda:
Perché il radio ha una prima energia di ionizzazione maggiore del bario?
Alicia Butteriss
2012-12-20 01:13:12 UTC
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Mi chiedo perché il radio sembra contrastare la tendenza generale secondo cui le prime energie di ionizzazione diminuiscono man mano che ci si sposta verso il basso di un gruppo nella tavola periodica: il bario (l'elemento del gruppo 2 che lo precede) ha una prima energia di ionizzazione di $ \ pu {502,9 kJ / mol} $ , mentre il radio ha un primo IE leggermente più alto di $ \ pu {509,3 kJ / mol} $ (da Wikipedia, sebbene il mio libro di testo sia d'accordo).

C'è qualche spiegazione per questo al momento? (Immagino che la meccanica quantistica possa essere coinvolta in qualche modo, ma non sono del tutto sicuro di come)

Ci sono molto probabilmente altri esempi di tendenza che viene interrotta, ma questo è l'unico che ho mi sono imbattuto finora e sono curioso di sapere perché è così.

La stessa rottura di tendenza può essere osservata con Cs e Fr. Anche la tendenza alla diminuzione dell'energia della prima ionizzazione non sembra reggere con il passaggio dal quinto periodo al sesto periodo dei metalli di transizione (così come alcuni dei principali elementi del gruppo) e il passaggio dai lantanidi agli attinidi (vedi: http: // chemreference.com/), quindi immagino che debba avere qualcosa a che fare con gli elettroni f aggiuntivi, ma non ho idea di cosa sia esattamente.
Cinque risposte:
#1
+17
Nicolau Saker Neto
2013-04-28 19:37:56 UTC
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Penso che sia anche importante menzionare qui gli effetti relativistici. Iniziano già a diventare abbastanza visibili dopo $ Z = 70 $ e $ \ ce {Ra} $ bugie un bel po 'dopo.

In atomi molto pesanti, gli elettroni dell'orbitale $ \ ce {1s} $ (in realtà, tutti gli orbitali con una certa densità di elettroni vicino al nucleo, ma l'orbitale $ \ ce {1s} $ è il più vicino e quindi il più colpito) sono soggetti a cariche nucleari efficaci molto elevate , comprimendo gli orbitali in una piccola regione di spazio. Questo a sua volta costringe i momenti degli elettroni più interni ad essere molto alti, tramite il principio di indeterminazione (o in un'immagine classica, gli elettroni devono orbitare attorno al nucleo molto rapidamente per evitare di cadere). Le quantità di moto sono così elevate, infatti, che le correzioni della relatività speciale diventano apprezzabili, così che le quantità di moto effettive, relativisticamente corrette, ( $ p _ {\ text {relativistic}} = \ gamma p_ { \ text {classical}} $ ) sono leggermente più alti dei momenti classici approssimativi. Sempre tramite il principio di indeterminazione, ciò causa una contrazione relativistica dell'orbitale $ \ ce {1s} $ (e altri orbitali con densità elettronica vicina al nucleo, in particolare gli orbitali $ \ ce {ns} $ e $ \ ce {np} $ ) .

La contrazione relativistica degli orbitali più interni crea una cascata di cambiamenti nella schermatura degli elettroni tra il resto degli orbitali. Il risultato finale è che tutti gli orbitali $ \ ce {ns} $ si contraggono, si avvicinano al nucleo e vengono spostati verso il basso in energia. Ciò è rilevante per la domanda perché gli $ \ ce {7s} $ elettroni di valenza in $ \ ce {Ra} $ sono più attratti dal nucleo di quanto ci si aspetterebbe da una semplice analisi dei trend, poiché raramente tengono conto dell'aumento degli effetti relativistici man mano che si scende nella tavola periodica.

Quindi, la prima (e la seconda) energia di ionizzazione di $ \ ce {Ra} $ diventa più alta del previsto, al punto che c'è effettivamente un blip al rialzo nella tendenza al ribasso. Eka-radium ( $ Z = 120 $ ) avrebbe effetti relativistici molto più forti e ci si può aspettare che abbia un'energia di ionizzazione significativamente più alta rispetto a $ \ ce {Ra} $ . In effetti, effetti relativistici cospireranno per rendere i metalli del gruppo 2 leggermente più nobili! Anche se la tavola periodica diventa un tale disordine vicino agli elementi super pesanti che è difficile dire se sarà una tendenza chiaramente visibile o solo un effetto da combinare con molti altri.

Questa è una buona spiegazione teorica degli effetti annotati nella mia risposta. Fondamentalmente, qualsiasi elemento dopo i latanidi avrà una prima energia di ionizzazione superiore a quella sopra di esso per questo motivo.
Ebbene, questo in realtà non è il caso degli elementi pesanti nei gruppi 15-18 (Bi, Po, At, Rn e quelli sotto di loro). Qui, gli effetti relativistici destabilizzano effettivamente due dei tre orbitali $ np $ di valenza (tecnicamente, la subshell $ np $ ha la sua degenerazione rotta a causa del forte accoppiamento spin-orbita, formando un $ np_ {1/2} $ orbitale stabilizzato e due destabilizzati $ np_ {3/2} $ orbitali), in modo che anche con una carica nucleare effettiva aumentata, tutte le energie di ionizzazione fino a $ np_ {1/2} ^ 2 $ richiedono meno energia rispetto agli elementi sopra. Questo effetto è più evidente in Bi, perché Pb ha una leggera nobiltà relativistica.
"contrazione relativistica" Non sono sicuro di cosa intendi per contrazione ?. È come se la probabilità di trovare l'elettrone si restringa in uno spazio più piccolo? Oppure gli orbitali si avvicinano al nucleo?
@Mockingbird Non sono molto sicuro di quale sia la differenza tra le due opzioni che hai fornito, ma fondamentalmente la distanza media dell'elettrone dal nucleo, in tutti gli orbitali $ s $, è minore quando includi la relatività.
#2
+10
Ben Norris
2013-04-28 16:41:17 UTC
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Questo comportamento può essere attribuito allo stesso fenomeno di quello che causa la contrazione dei lantanidi. Gli elettroni nelle $ f $ subshell sono molto poveri in schermatura nucleare, quindi il $ s $ gli elettroni nel successivo guscio superiore sono più vicini (in media) al nucleo di quanto ci si potrebbe aspettare. Se questi elettroni sono più vicini al nucleo, l'atomo mostra un raggio più piccolo del previsto e questi elettroni $ s $ sono più difficili da rimuovere. Secondo l'articolo di Wikipedia sulla contrazione dei lantanidi, ci sono cause sia quantomeccaniche che relativistiche per la contrazione dei lantanidi.

Questo comportamento si verifica anche in afnio (72), che è giusto dopo i lantanidi. La prima energia di ionizzazione di afnio è $ \ pu {658,5 kJ / mol} $ , mentre zirconio (40, proprio sopra afnio) è $ \ pu {640,1 kJ / mol} $ . Il bario è prima dei lantanidi e il radio è dopo di loro. Qualsiasi coppia così divisa mostrerà probabilmente questa nuova tendenza nei potenziali di ionizzazione. Vai a dare un'occhiata!

#3
+3
Julia Gonzalez
2013-01-28 11:12:37 UTC
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Gli elementi 57+ hanno elettroni negli orbitali f.

Il radio ha un sottolivello completo di 4f questi elettroni in quanto meno efficaci nella schermatura rispetto agli elettroni d (f

Puoi trovare informazioni più dettagliate sulla scarsa schermatura degli elettroni del blocco f qui. http://chemwiki.ucdavis.edu/Inorganic_Chemistry/Descriptive_Chemistry/Transition_Metals_and_Coordination_Complexes/The_Lanthanides/Lanthanide_Contraction
Sembra che la tua risposta sia stata abbreviata. Inoltre, sarebbe bello incorporare alcuni dei link nella tua risposta (scrivere con parole tue sarebbe bello, anche se la citazione va bene)
#4
  0
Farooq
2018-03-15 00:57:56 UTC
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È perché l'orbitale 4f del radio protegge l'orbitale 7S in modo meno efficace dall'attrazione nucleare, quindi è necessaria un'energia di ionizzazione più elevata per la loro rimozione.

#5
-1
Shahid hussain
2017-07-27 11:25:56 UTC
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Beh, è ​​tutta una questione di effetto schermante, f subshell ha molti buchi e quindi l'influenza nucleare sugli elettroni s esterni aumenta, quindi gli elettroni di valenza sono molto strettamente legati ai nucleas. spero tu abbia la risposta



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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