Tendencje okresowe: jak zmieniają się promień atomowy, elektroujemność i energia jonizacji

Dwa zjawiska stojące za każdą tendencją

Niemal każda tendencja wynika z dwóch efektów. Pierwszy to ładunek jądra. Wzdłuż okresu każdy pierwiastek ma o jeden proton więcej, więc jądro silniej przyciąga elektrony. Elektrony dodawane do tej samej powłoki prawie nie ekranują się nawzajem, więc elektrony zewnętrzne odczuwają od lewej do prawej coraz silniejsze przyciąganie, zwane efektywnym ładunkiem jądra.

Drugi to liczba powłok. W dół grupy każdy pierwiastek ma o jedną zajętą powłokę więcej, więc elektrony zewnętrzne leżą dalej od jądra i są ekranowane przez więcej elektronów wewnętrznych. Są słabiej utrzymywane, mimo że jądro ma więcej protonów.

Promień atomowy

Promień atomowy jest miarą wielkości atomu. Wzdłuż okresu na ogół maleje, ponieważ silniejsze przyciąganie ściąga chmurę elektronową do środka. W dół grupy rośnie, ponieważ każda nowa powłoka leży dalej. Jony dodatnie są mniejsze od swoich atomów, a jony ujemne są większe.

Metale alkaliczne wyraźnie pokazują tendencję w grupie w danych tej strony: lit 182 pm, sód 227 pm, potas 275 pm, rubid 303 pm i cez 343 pm. Wartości promieni zależą od sposobu pomiaru (promienie kowalencyjne, metaliczne lub van der Waalsa), więc różne tablice podają różne liczby, a tendencja wzdłuż okresu jest ogólną prawidłowością, a nie idealnie gładką zmianą.

Elektroujemność

Elektroujemność mierzy, jak silnie atom przyciąga wspólne elektrony w wiązaniu chemicznym. W skali Paulinga rośnie wzdłuż okresu i maleje w dół grupy.

W okresie 2 rośnie od litu (0,98) przez węgiel (2,55) i tlen (3,44) do fluoru (3,98), najbardziej elektroujemnego pierwiastka. W dół grupy 17 maleje od fluoru do chloru (3,16), bromu (2,96) i jodu (2,66). Najniższe wartości są w lewym dolnym rogu, na przykład cez ma 0,79. Hel, neon i argon nie mają wartości, ponieważ nie tworzą trwałych związków.

Różnica elektroujemności przewiduje rodzaj wiązania. Duża różnica, jak między sodem (0,93) a chlorem (3,16), daje wiązanie jonowe, a mała różnica daje wiązanie kowalencyjne.

Energia jonizacji

Energia jonizacji to energia potrzebna do oderwania najbardziej zewnętrznego elektronu od atomu w fazie gazowej. Rośnie wzdłuż okresu, ponieważ elektrony są silniej utrzymywane, i maleje w dół grupy, ponieważ elektron zewnętrzny leży dalej od jądra.

W okresie 3 rośnie od 5,139 eV dla sodu do 15,76 eV dla argonu, a w dół grupy 1 maleje od 5,392 eV dla litu do 3,894 eV dla cezu. Hel ma najwyższą pierwszą energię jonizacji spośród wszystkich pierwiastków, 24,587 eV. Po drodze są niewielkie spadki: bor ma niższą energię niż beryl, ponieważ jego elektron zewnętrzny znajduje się na podpowłoce 2p o wyższej energii, a tlen ma niższą niż azot, ponieważ jego czwarty elektron 2p dzieli orbital z innym, a odpychanie ułatwia jego oderwanie.

Charakter metaliczny i reaktywność

Charakter metaliczny opisuje, jak łatwo atom oddaje elektrony. Jego tendencja jest odwrotna do energii jonizacji: maleje wzdłuż okresu i rośnie w dół grupy. Dlatego najbardziej metaliczne pierwiastki, takie jak cez i frans, leżą w lewym dolnym rogu, a najbardziej niemetaliczne, takie jak fluor i tlen, w prawym górnym.

Reaktywność wynika z tych tendencji, ale zależy od grupy. Metale alkaliczne stają się bardziej reaktywne w dół grupy, ponieważ ich pojedynczy elektron walencyjny łatwiej oddać: lit reaguje z wodą spokojnie, a potas gwałtownie. Fluorowce stają się mniej reaktywne w dół grupy, ponieważ większe atomy słabiej przyciągają dodatkowy elektron, więc fluor jest najbardziej reaktywnym fluorowcem.