Hoofdstuk 6 Het periodiek systeem De tabel van Mendeleev Metalen en nietmetalen De s, p, d en fblokken Elementen van de 2 e en 3 e periode De hoofdelementgroepen De overgangsmetalen Industrieel belangrijke chemicaliën en processen 6.1 Vroegst bekende elementen: Zilver Koolstof Koper Zwavel Goud Tin IJzer Antimoon Kwik + As ( ontdekt rond 1250) Eerste tabellering van chemische eenvoudige stoffen: A. Lavoisier ( + 1794) Meer elementen gelijkaardigheden binnen groepen van elementen 6.2 1
J. Döbereiner (1843): triaden Li, Na, K Ca, Sr, Ba Cl, Br, I etc. Verklaring voor 16 triaden? Pogingen tot systematisering: A.B. Charcontois (18201886) J.A.R. Newlands (18371898) J.L. Meyer (18301895) 6.3 D. Medeleev (1869): publicatie van voorloper van tabel geen onderscheid tussen hoofdgroepelementen overgangselementen 6.4 2
Henry Moseley A.B.Chancourtois ( 18201886) J.L.Meyer ( 18301895) A. Lavoisier (17431794) J.W.Döbereiner (17801849) J.A.R.Newlands (18371898) Dimitri Mendeleev (18341907) Glenn Seaborg (1912 1999) 6.5 Groepen (18): kolommen in het periodiek systeem gelijkaardige chemische eigenschappen verschillende systemen van nummering 6.6 3
Perioden (7): rijen in het periodiek systeem periodieke variatie van eigenschappen, bvb. atoomstraal 6.7 6.8 4
Metalen en nietmetalen metalen: in de meerderheid links(onder) in het p.s. niet (sterk) gekleurd metaalglans te isoleren in elementaire toestand vast bij kamertemperatuur (behalve Hg) goed vervormbaar goede geleiders van warmte en electriciteit halfmetalen/metalloïden: B, Si, As, Te, At 6.9 s, p, d en fblokken orbitaaltype van zwakst gebonden valentieelectronen hoofdgroep elementen: s + pblok overgangs elementen: d + fblok 6.10 5
Het sblok Groep 1A (kolom 1): alkalimetalen [edelgas]ns 1 M M + + 1e Na 2 O, KCl, Rb 2 SO 4 Groep 2A (kolom 2): aardalkalimetalen [edelgas]ns 2 M M 2+ + 2e MgO, CaCO 3, BaSO 4 Metalen (behalve H) reageren met H 2 O in metallische vorm sterk negatieve standaard reductiepotentialen 6.11 Het pblok Groepen 3A/7A (kolommen 1317) metalen, halfmetalen, nietmetalen Groep 8A (kolom 18): edelgassen volledig gevulde buitenste electronenschil weinig/niet reactief Groepen 6A en 7A (kolommen 16,17): sterke neiging om electronen op te nemen F, O 2 6.12 6
Het dblok Groepen 1B/8B (kolommen 312) alle metalen = overgangselementen lege gevulde dorbitalen 6.13 Het fblok binnenste overgangselementen ± buiten het periodiek systeem Lathaniden: gelijkaardige eigenschappen als La 3waardige ionen: Sm 3+,... (Ce 4+, Eu 2+ ) zeldzame aarden opvulling van de 4forbitalen Actiniden: gelijkaardige eigenschappen als Ac vele of alle isotopen zijn radioactief opvulling van de 5forbitalen 6.14 7
Continue variatie van eigenschappen linksonder (Cs, Ba) vs. rechtsboven (F, O) 6.15 Elementen van de tweede periode: Li, Be, B, C, N, O, F sterk afwijkende eigenschappen t.o.v. de 3e, 4e,... periode electronegativiteit C,N,O,F: kleine afmetingen, hoge electronenaffiniteit nietmetallisch karakter B: covalente, moleculaire verbindingen (BF 3 vs. AlF 3 ) 6.16 8
De elementen C, N, O nietmetallisch karakter geen dorbitalen; wel 2s, 2p x, 2p y, 2p z orbitalen N: vormt enkel NCl 3 P: vormt PCL 3 én PCL 5 kleine afmetingen efficiënte πoverlap C = C: veelvoorkomend Si = Si: zelden diffuse 3p orbitalen 6.17 6.2 De hoofdgroepelementen Aardkorst Menselijk lichaam alle hoofdgroepelementen, behalve Fe en Ti alle hoofdgroepelementen 6.18 9
6.3 De overgangselementen Weinig voorkomende in biologische systemen Zeer belangrijk Fe: hemoglobine Co: vitamine B12 Ni, Cu, Zn: deel van diverse enzymen 6.19 6.3 De overgangselementen Elektronenconfiguraties van KZn: [Ar]3d x 2s 2 in atomen: 3d minder stabiel dan 4s Verwachte Werkelijke Element Z elektronenconfiguratie elektronenconfiguratie K 19 [Ar] 3d 0 4s 1 _ [Ar] 3d 0 4s 1 _ Ca 20 [Ar] 3d 0 4s 2 [Ar] 3d 0 4s 2 Sc 21 [Ar] 3d 1 4s 2 [Ar] 3d 1 4s 2 Ti 22 [Ar] 3d 2 4s 2 _ [Ar] 3d 2 4s 1 _ V 23 [Ar] 3d 3 4s 2 _ _ [Ar] 3d 3 4s 2 _ _ Cr 24 [Ar] 3d 4 4s 2 _ _ _ [Ar] 3d 5 4s 1 _ _ _ _ _ _ Mn 25 [Ar] 3d 5 4s 2 _ _ _ _ _ [Ar] 3d 5 4s 2 _ _ _ _ _ Fe 26 [Ar] 3d 6 4s 2 _ _ _ _ [Ar] 3d 6 4s 2 _ _ _ _ Co 27 [Ar] 3d 7 4s 2 _ _ _ [Ar] 3d 7 4s 2 _ _ _ Ni 28 [Ar] 3d 8 4s 2 _ _ [Ar] 3d 8 4s 2 _ _ Cu 29 [Ar] 3d 9 4s 2 _ [Ar] 3d 10 4s 1 _ Zn 30 [Ar] 3d 10 4s 2 [Ar] 3d 10 4s 2 6.20 10
6.3 De overgangselementen Naamgeving van de groepen 1B, 2B: analoge elektronenconfiguraties als 1A, 1B 1B: Cu [Ar]3d 10 4s 1 1A: K [Ar]4s 1 2B: Zn [Ar]3d 10 4s 2 2A: Ca [Ar]4s 2 3B8B: analoge elektronenconfiguraties als 3A8A elementen van kolommen 9 en 10 (Co, Ni) ook in 8B Co: [Ar]3d 7 4s 2 Ni: [Ar]3d 8 4s 2 1A 2A 3A O 8A 6.21 6.3 De overgangselementen Oxidatietoestanden van Fe: Fe 2+ en Fe 3+ Fe: [Ar] 3d 6 4s 2 _ _ _ _ Fe 2+ : [Ar] 3d 6 4s 0 _ _ _ Fe 3+ : [Ar] 3d 5 4s 0 _ _ _ _ in ionen: 3d meer stabiel dan 4s 6.22 11
6.3 De overgangselementen Variatie van smeltpunt = f(aantal ongepaarde e ) 1 2 3 6 5 4 3 2 1 0 (3d 10 4s 2 ): 410 o C (4d 10 5s 2 ): 321 o C (4f 14 5d 10 6s 2 ): 39 o C V: 1910 o C; Mo: 2623 o C; W: 3422 o C 6.23 6.3 De overgangselementen Variatie van atoomstraal toenemende effectieve kernlading toenemende afscherming v/d kern door electronenparen 6.24 12
6.3 De overgangselementen Variatie van dichtheid lanthaniden: opvulling van 4f schil toenemende effectieve kernlading toenemende afscherming v/d kern door electronenparen lanthanide contractie: volledige 4f schil schermt kern goed af 6.25 6.3 De overgangselementen Variatie van standaard reductiepotentiaal Reduction + Ti Ni: E o stijgt ( = wordt minder negatief) moeilijker om 4s elektronen te verwijderen naarmate meer 3d electronen aanwezig zijn 6.26 13
6.3 De overgangselementen Oxidatietoestanden van 1e reeks overgangselementen afgeven/delen van 3d e afgeven van 4s e vroege overgangsmetalen late overgangsmetalen 6.27 6.4 Industrieel belangrijke chemicaliën en processen De top15 van de chemische industrie Rank Billions of lb 2001 95 94 Chemical Formula 1995 1994 Principal uses 1 1 1 Sulfuric acid H2SO4 95.36 89.63 Fertilizers,chemicals,oil 2 2 2 Nitrogen N2 68.04 63.91 Inert atmospheres, cryo 3 3 3 Oxygen O2 53.48 50.08 Steelmaking, welding 4 4 4 Ethylene CH2=CH2 46.97 44.60 Plastics, antifreeze 5 5 5 Lime CaO, Ca(OH)2 41.23 38.37 Steelmaking, chemicals 6 9 10 Propylene CH3CH=CH2 25.69 23.94 Plastics, fibers, solvents 7 6 6 Ammonia NH3 35.60 34.51 Fertilizers, NH3 8 10 9 Chlorine Cl2 25.09 24.37 Chemicals, water treat. 9 7 7 Phosphoric acid H3PO4 26.19 25.58 Fertilizers, detergents 10 8 8 Sodium hydroxide NaOH 26.19 25.11 Chemicals,textiles,soap 11 11 Sodium carbonate Na2CO3 22.28 20.56 Glassmaking, soaps 12 18 Methyl tertbutyl ether MTBE 17.62 13.61 Gasoline additive 13 14 Ethylene dichloride CHCl=CHCl 17.26 16.76 Chemicals, plastics 14 12 Nitric acid HNO3 17.24 17.22 Fertilizers, explosives 15 13 Ammonium nitrate NH4NO3 15.99 17.03 Fertilizers, explosives 6.28 14