Tabela Periódica e Periodicidade Química

Au
Ge
Tabela Periódica
e
Periodicidade Química
P
Prof. Fernando R. Xavier
UDESC 2013
Au
Histórico
É fato que...
• Alguns elementos químicos já eram conhecidos desde a antiguidade...
Ex: Au, Ag, Sn, Cu, Pb e Hg...
Mas... Ge
• A primeira descoberta científica de um elemento químico foi em 1669,
quando o alquimista Henning Brand isolou uma amostra de fósforo partindose da urina humana.
P
E passados cerca de 200 anos...
60 elementos isolados !!!
Au
Histórico
Pergunta: Como organizar os elementos químicos?!
Resposta: De tal maneira que as semelhanças e diferenças entre eles
tornem-se evidentes. Assim, isso poderia ainda facilitar a descoberta de
novosGe
elementos.
• OsPcientistas adoram organizar coisas!!!
Os cientistas começaram a determinar as propriedades físicas e
químicas de cada elemento conhecido e, com base nisso, tentaram
criar grupos específicos de elementos.
Au
Histórico
• No início do séc. XIX John Dalton criou uma lista de
elementos com base em suas massas atômicas (mesmo
errôneas). Os elementos eram simplesmente colocados em
ordem crescente de massa.
Ge
Problema: Cl, Br e I tinham propriedades
semelhantes porém massas muito diferentes!
P
• 1829 – Johann Döbereiner
Estudou elementos com propriedades químicas
parecidas (primeiramente Ca, Sr e Ba) e
percebe a massa atômica do Sr é a média da
massas atômicas do Ca e do Ba.
Au
Histórico
As tríades de Döbereiner
Ge
P
E mais tarde...
Au
Histórico
• 1862 – Alexandre Chancourtois
Ge
P
•
•
•
Era geólogo – e propôs que os elementos químicos
conhecidos na época fossem colocados em linhas
espirais em volta de um cilindro.
O parafuso telúrico
de Chancourtois
Telúrico  Relativo à Terra;
Dividido em 16 setores radialmente;
Elementos semelhantes em linha vertical;
Porém... não funcionavam para todos os elementos conhecidos e a idéia não
recebeu muita atenção.
Au
Histórico
• 1864 – John Newlands – o músico
Ge
P
•
•
•
Um amante da música – e propôs que os elementos
químicos fossem colocados em linhas horizontais em
grupos de 7 utilizando a periodicidade das notas
musicais como base.
Lei das Oitavas de
Newlands
Desprezado pela comunidade científica;
Somente 20 anos depois, sua idéia de
periodicidade foi reconhecida;
Foi um dos precursores das idéias de
Mendeleev;
Au
Histórico
• 1869 – Dmitri Mendeleev
Ge
P
Teve a idéia de separar os elementos em linhas e
colunas (famílias) segundo suas propriedades físicoquímicas e, em uma ordem crescente de massa
atômica.
Au
Histórico
• O “insight” ...
Mendeleev teve que deixar espaços vagos entre alguns elementos
para que fossem respeitadas as propriedades dos elementos
químicos.
Ge
• A conclusão:
P
As lacunas eram elementos ainda não descobertos pelo homem!!!
Mendeleev fez estudos tão profundos
que foi capaz de prever as
propriedades
físico-químicas
de
alguns
elementos
químicos
desconhecidos.
A estes elementos desconhecidos,
Mendeleev adicionava o prefixo
“eka” ao nome do elemento
ligeiramente acima da lacuna. Ex.:
eka-silício
Au
Histórico
• O “eka-silício”
Previsão das propriedades físico-químicas:
Propriedade
Ge
Eka-silício (1871)
Germânio (1886)
Massa atômica
72
73,32
Massa específica
5,5
5,47
13 cm3
13,22 cm3
cinzento
cinzento-claro
0,073
0,076
Forma óxido branco
Forma óxido branco
Volume atômico
P
Cor
Calor específico
Aquecimento ao ar
• Primeira versão da Lei Periódica:
“Algumas propriedades físico-químicas dos elementos
periodicamente em função de suas massas atômicas.”
vaiam
Au
Histórico
• A tabela periódica de Mendeleev – 1871
Ge
P
• Um certo Lothar Meyer...
Trabalhou independentemente na Alemanha e chegou a
mesma conclusão que Mendeleev, publicando seus
resultados antes mesmo do russo...
Au
Histórico
• Henry Moseley – 1913
Através de estudos utilizando raios X, Moseley fez
importantes descobertas com relação ao núcleo
atômico e assim surgiu a idéia do número atômico (Z)
Ge
que posteriormente
foi associada ao número de
prótons em um dado núcleo.
Assim... Os experimentos comprovaram que era em
P do número de prótons e não da massa atômica,
função
que as propriedades dos átomos variavam.
• Versão atual da Lei Periódica ou Lei de Moseley
“Algumas propriedades físico-químicas dos elementos
periodicamente em função de seus números atômicos (Z).”
vaiam
Au
As propriedades e a distribuição eletrônica
• Niels Bohr
Estabeleceu a relação entre a periodicidade das
propriedades dos elementos e a semelhança de suas
configurações eletrônicas.
Ge
Logo...
As posições dos elementos na tabela periódica são fornecidas pelas suas
P
distribuições
eletrônicas, principalmente das suas camadas de valência.
• A forma longa da Tabela Periódica
Apesar de 19 dos 118 elementos não seguirem a distribuição eletrônica
regular de Linus Pauling, é esta a metodologia adotada atualmente para a
montagem da tabela periódica moderna.
Au
As propriedades e a distribuição eletrônica
• A forma longa da Tabela Periódica
Ge
P
Subnível mais energético:
• “s” ou “p” – Elemento representativo (amarelo e verde);
• “d” – Elemento de transição externa (laranja);
• “f” – Elemento de transição interna (rosa);
Au
As propriedades e a distribuição eletrônica
Elementos representativos: o número de elétrons de valência corresponde
ao algarismo das unidades do grupo a que o elemento pertence.
Configuração eletrônica: (nsX – bloco “s” ou ns2npX – bloco “p”)
Exemplos:
Ge
• 11Na – 1s2 2s2 2p6 3s1
elétron de valência
3s1
Orbital “s” em preenchimento
3º período
P
•
34Se
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p4
6 elétrons de valência
4s24p4
Orbital “p” em
preenchimento
4º período
Au
As propriedades e a distribuição eletrônica
Elementos de transição (externa): são os grupos 3 a 12 da tabela.
Possuem uma configuração eletrônica do tipo: (ns2(n-1)dX – bloco “d”)
Exemplos:
• 22
Ti – 1s2 2s2 2p6 3s23p6 4s2 3d2
Ge
2 elétrons
4s23d2
Orbital “d” em
preenchimento
P
4º período
•
46Pd
–
8 elétrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d8
5s24d8
5º período
Orbital “d” em
preenchimento
Au
As propriedades e a distribuição eletrônica
Elementos de transição (interna): são dentro do grupo 3 da tabela.
Possuem uma configuração eletrônica do tipo: (ns2(n-2)fX – bloco “f”)
Exemplos:
• 58
Ce – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d105p6 6s2 4f2
Ge
6º período
P
•
92U
6s24f2
Orbital “f” em
preenchimento
2 elétrons
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d105p6 6s2 4f14 5d106p6 7s2 5f4
7º período
7s2 5f4
Orbital “f” em
preenchimento
4 elétrons
Au
As propriedades e a distribuição eletrônica
Os gases nobres:
preenchidas - ns2np6
Possuem
camadas
eletrônicas
completamente
Ge
P
Os gases nobres sob
corrente elétrica
Au
Até 1986...
Ge
P
Organização
Períodos (1 até 7)
Famílias (I até VIIA) – representativos
(I até VIIIB) – transição
Au
A forma compacta da Tabela Periódica – Julho 2013
Ge
P
Au
As propriedades e a distribuição eletrônica
•O futuro...
Ge
P
Au
O grupo 11...
Não obedecem a distribuição eletrônica de Linus Pauling!!!
Situação ideal: ns2(n-1)d9
Ge
P
Situação real: ns1(n-1)d10
Orbital interno “d” ganha
estabilidade se completamente
preenchido
Au
As propriedades periódicas
• Variam em função do aumento de Z ao longo de cada período.
• O raio atômico
O raio atômico é a distância entre o centro de um átomo e os limites da sua
Ge Determinado via técnica de difratometria de raios X – distância
eletrosfera.
entre os núcleos.
P
r
Z
Au
As propriedades periódicas
O aumento do raio atômico:
No período: da direita para a esquerda;
No grupo: de cima para baixo;
Ge
Nro. de camadas
eletrônicas
P
Carga nuclear
efetiva (Zef)
Au
As propriedades periódicas
A carga nuclear efetiva (Zef): é a força atrativa que o núcleo exerce
sobre os e- da camada de valência. A Zef não é igual a carga nuclear total
devido ao efeito de blindagem das camada eletrônicas interiores.
Ge
Exemplo: Cálculo da Zef para o 2o período.
3Li
4Be
5B
6C
7N
8O
9F
10Ne
K P 2
2
2
2
2
2
2
2
L
1
2
3
4
5
6
7
8
Zef
3-2=1
4-2=2
5-2=3
6-2=4
7-2=5
8-2=6
9-2=7
10-2=8
Como aumento de Zef , ocorre uma maior atração do núcleo sobre os
elétrons do último nível energético e assim o raio atômico diminui.
Au
As propriedades periódicas
Ge
P
Au
As propriedades periódicas
• O raio atômico x raio iônico
• Átomo – elétron = cátion (+)
13Al
–
Ge
1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
P
3+ – 1s2 2s2 2p6
13Al
Zef = Z – S
13 – 10 = 3
Zef = Z – S
13 – 2 = 11
Raio do Átomo > raio do cátion
• Átomo + elétron = ânion (-)
8O
– 1s2 2s2 2p4 Zef = Z – S
8–2=6
8O
– 1s2 2s2 2p6 Zef = Z – S
8–2=6
A entrada de 2 e- não altera a
Zef mas a repulsão eletrônica
aumenta.
Raio do Átomo < raio do ânion
Au
As propriedades periódicas
• O raio atômico x Raio Iônico
Ge
P
Au
As propriedades periódicas
• Íons isoeletrônicos
Exemplo de série isoeletrônica: 13Al3+, 12Mg2+, 11Na+, 10Ne, 9F-, 8O2Ge
Todas as espécies químicas apresentam 10 e-.
3+
13AlP
Zef = Z – S = 13 – 2 = 11
2+
12Mg
Zef = Z – S = 12 – 2 = 10
+
11Na
Zef = Z – S = 11 – 2 = 9
10Ne
Zef = Z – S = 10 – 2 = 8
9F
-
Zef = Z – S = 9 – 2 = 7
2-
Zef = Z – S = 8 – 2 = 6
8O
13
12
--- --- -- - - -- - -- - - 11 - 10
-- - -- - - 8
- 9
- - - - -
Au
As propriedades periódicas
• Energia (potencial) de ionização
É a energia necessária para retirarmos 1 elétron de um átomo (ou
íon) isolado no estado gasoso.
Ge
13Al
P
– 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
Al(g) + 1a energia de ionização (6 eV)  Al+(g) + eAl+(g) + 2a energia de ionização (18,8 eV)  Al2+(g) + eAl2+(g) + 3a energia de ionização (28,4eV)  Al3+(g) + e-
1a energia de
ionização
<
2a energia de
ionização
<
3a energia de
ionização
Ocorre redução do raio iônico e aumenta a atração nucleo-eletrosfera.
Au
As propriedades periódicas
• Energia (potencial) de ionização
Al3+(g) + 4a energia de ionização (120 eV)  Al4+(g) + eGe
3a energia de
ionização
28,4 eV
P
<<<
4a energia de
ionização
120 eV
Au
As propriedades periódicas
• Afinidade eletrônica ou eletrofinidade
É a energia liberada quando um átomo neutro e isolado no estado
gasoso
Ge captura um elétron.
X(g) + e-  X1-(g) + energia
P
• Exemplos:
Cl(g) + e-  Cl1-(g) + energia – processo exotérmico
Ar(g) + e- + energia  Ar1-(g) – processo endotérmico
Qual a diferença ?!
Au
As propriedades periódicas
• Afinidade eletrônica ou eletrofinidade
Ge
P
O aumento da eletrofinidade:
No período: da esquerda para a direita;
No grupo: de baixo para cima;
Au
As propriedades periódicas
• Eletronegatividade
É a capacidade que um átomo possui de atrair elétrons para perto
de si, em comparação a outro átomo.
Ge
Importante:
• Quem atrai os elétrons é o núcleo atômico;
• O núcleo vai atrair os elétrons de valência, uma vez que as
P
camadas
internas estão completas;
• Não é definida eletronegatividade para os gases nobres;
A escala de Linus Pauling:
É uma escala relativa onde foi atribuído ao flúor (F) o valor 4,0 como
sendo o mais eletronegativo de todos os elementos.
Au
As propriedades periódicas
• Eletronegatividade
Ge
P
A escala de
Alfred e Rochow
Au
As propriedades periódicas
• Eletropositividade ou caráter metálico
É a capacidade que um átomo possui de doar elétrons, em
comparação
a outro átomo.
Ge
Importante:
• É uma
P propriedade inversa a
eletronegatividade;
• Quanto maior for o átomo, menor
será a atração do núcleo sobre as
última camada e assim mais
facilmente o elétron ser doado;
Au
Classificação dos elementos segundo suas propriedades
• Metais
- Dos 117 elementos conhecidos atualmente 91 são metais;
- A principal característica dos destes é a eletropositividade, e daí o
Ge caráter metálico;
termo
- Possuem forte tendência de doar elétrons e formar cátions;
Fisicamente os metais são:
P
- Bons condutores de calor;
- Maleáveis
- Bons condutores de eletricidade;
- Dúcteis
- Brilho metálico;
Au
Classificação dos elementos segundo suas propriedades
• Ametais ou não metais
- São conhecidos atualmente 20 elementos não metalicos;
- A principal característica dos destes é a eletronegatividade;
Ge
- Possuem
forte tendência de atrair elétrons e formar ânions;
Fisicamente os ametais são:
P
- Não possuem brilho;
- Isolantes térmicos;
S
- Isolantes elétricos;
C
P
Au
Classificação dos elementos segundo suas propriedades
• Semi-metais
- São conhecidos atualmente 7 elementos semi-metalicos;
- Possuem propriedades intermediárias entre metais e não metais;
Ge
Exemplos:
- Semicondutores
(Si
P e Ge)
As
B
- Veneno;
- Resistência
mecânica;
Sb
- Materiais anti-chama;
Au
Classificação dos elementos segundo suas propriedades
• Gases Nobres
- São conhecidos atualmente 7 gases nobres;
- Possuem inércia química, com raras exceções;
Ge
Rn
Exemplos:
He
P
Ar
Ne
Kr
Xe
Au
Classificação dos elementos segundo suas propriedades
• Hidrogênio
- É o menor elemento da tabela e com propriedades atípicas;
- Não é classificado em nenhum grupo específico;
Ge
P
75% da massa do universo é Hidrogênio!!!