רדיוסים אטומיים ואנרגיות יינון

חזרה על הטבלה המחזורית – שאלות מה השווה ומה השונה בין היסודות שמצויים באותה שורה (מחזור) בטבלה המחזורית? שווה – מספר רמות האנרגיה שונה - מספר אלקטרוני הערכיות (האלקטרונים של רמת האנרגיה האחרונה) – ככל שנעים ימינה בטור – מספר אלקטרוני הערכיות גדל. מה השווה ומה השונה בין היסודות שנמצאים באותו טור בטבלה המחזורית? שווה – מספר אלקטרוני הערכיות שונה - מספר רמות האנרגיה. ככל שיורדים בטור – מספר רמות האנרגיה גדל.

חזרה על הטבלה המחזורית – תשובות מה השווה ומה השונה בין היסודות שמצויים באותה שורה (מחזור) בטבלה המחזורית? שווה – מספר רמות האנרגיה שונה - מספר אלקטרוני הערכיות (האלקטרונים של רמת האנרגיה האחרונה) – ככל שנעים ימינה בטור – מספר אלקטרוני הערכיות גדל. מה השווה ומה השונה בין היסודות שנמצאים באותו טור בטבלה המחזורית? שווה – מספר אלקטרוני הערכיות שונה - מספר רמות האנרגיה. ככל שיורדים בטור – מספר רמות האנרגיה גדל.

רדיוסים אטומיים

אם נתאר את האטום או את היון ככדור הרי שניתן לייחס לו רדיוס אם נתאר את האטום או את היון ככדור הרי שניתן לייחס לו רדיוס. רדיוסים של חלקיקים כל כך קטנים מודדים ביחידה שנקראת אַנגסטרֶם Å. 1 Å = 8 –10 ס"מ = 10 –10 מטר.

האם וכיצד משתנים הרדיוסים האטומיים שלה היסודות לאורך הטבלה המחזורית?

רדיוסים אטומיים ב- Å

הרדיוסים האטומיים של היסודות השונים לאורך הטורים והשורות בטבלה המחזורית http://www.wellesley.edu/Chemistry/Chem101/inhallents/atomic-radius-s.gif

מדוע מתקיימת המגמה המוצגת על ידי החצים?

הרדיוס האטומי תלוי בשני גורמים: 1. מספר רמות האנרגיה של האטום: ככל שלאטום יש מספר גדול יותר של רמות מאוכלסות באלקטרונים כך הרדיוס גדול יותר. 2. מטען הגרעין: אם משווים בין יסודות בעלי אותו מספר רמות אנרגיה אז ככל שמספר הפרוטונים בגרעין גדול יותר, המטען החשמלי של הגרעין גדול יותר וכך המשיכה החשמלית בין גרעין לבין האלקטרונים גדולה יותר לכן הרדיוס האטומי קטן יותר.

השינוי ברדיוס האטומי כתלות במספר האטומי על פי גרף זה תארו את הגרף באופן מילולי

תרגילים - רדיוסים אטומיים

  1.    כיצד משתנה הרדיוס האטומי כשיורדים לאורך טור בטבלה המחזורית? הסבירו. 2.    כיצד משתנה הרדיוס האטומי כשנעים ימינה ( → )לאורך שורה בטבלה המחזורית? הסבירו. 3.    הסיבה שאטום נתרן, Na 11 גדול יותר מאטום ליתיום, Li 3 היא:         א.       לנתרן יש יותר אלקטרוני ערכיות (האלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה) מאשר לליתיום.         ב.        לליתיום יש פחות רמות אנרגיה מאשר לנתרן.         ג.        לליתיום יש יותר אלקטרונים מאשר לנתרן.         ד.        המטען הגרעיני של הנתרן גדול יותר משל הליתיום.

  4.            הסיבה שאטום צזיום, Cs55 , יותר גדול מאטום באריום, 56Ba , היא:                  א.       מספר רמות האנרגיה של הצזיום גדול יותר משל הבאריום.                   ב.        המטען הגרעיני של הצזיום קטן משל הבאריום.                   ג.        המטען הגרעיני של הצזיום גדול משל הבאריום.                   ד.        לצזיום יש יותר אלקטרונים מאשר לבאריום.

  1.            הסיבה שיון מגנזיום, Mg2+ ,יותר קטן מאטום מגנזיום, Mg ,היא:                  א.       מספר רמות האנרגיה של היון גדול משל האטום.                   ב.        ליון מטען גרעיני זהה לזה של האטום אך הוא מחזיק יותר אלקטרונים.                   ג.        מספר רמות האנרגיה של היון קטן משל האטום.                   ד.        המטען הגרעיני של היון גדול משל האטום.   5.            הסיבה שיון מגנזיום, Mg2+ ,יותר קטן מאטום מגנזיום, Mg ,היא:                  א.       מספר רמות האנרגיה של היון גדול משל האטום.                   ב.        ליון מטען גרעיני זהה לזה של האטום אך הוא מחזיק יותר אלקטרונים.                   ג.        מספר רמות האנרגיה של היון קטן משל האטום.                   ד.        המטען הגרעיני של היון גדול משל האטום.

 .6     א. רישמו את הערכות האלקטרונים של Ar18 ושל K+19 : ב. למי משני חלקיקים אלה יש רדיוס יותר גדול? נמקו:   ג. רישמו את הערכות האלקטרונים של Ar18 ושל - 17Cl : ד. למי משני חלקיקים אלה יש רדיוס יותר גדול? נמקו.  

אנרגיית יינון

זהירות קרינה מייננת

אנרגיית יִינוּן אנרגיית יִינוּן. את השלט שבשקופית הקודמת ניתן לראות על הדלת של חדרים שבהם מתבצעים צילומי רנטגן. אחד הסיבות לכך שאין להפריז בצילומים כאלה היא העובדה שקרינת הרנטגן היא קרינה מייננת. מהי קרינה מייננת? קרינה שגורמת לאטומים להפוך ליונים חיוביים. מכן ניתן להבין שכדי לנתק אלקטרון מן האטום ולהפוך אותו ליון חיובי – יש להשקיע אנרגיה. האנרגיה הנחוצה כדי לנתק אלקטרון מן האטום קרויה: אנרגיית יִינוּן.

מה קורה לאטום נתרן כאשר משקיעים בו אנרגיית יינון?

הגדרה של אנרגיית יינון אנרגיית יינון – כמות האנרגיה שיש להשקיע על מנת לנתק מול אלקטרונים ממול אטומים (או יונים) במצב הגזי. אנרגיית יינון נמדדת ביחידות של אנרגיה למול - אלקטרון וולט למול (ev/mol). או קילוג'אול למול (KJ/mol).

אנרגיית יינון ראשונה, שנייה וכו' אנרגיית היינון הראשונה של אטום – היא האנרגיה הנחוצה לנתק אלקטרון מן האטום. אבל אפשר להמשיך ולנתק עוד ועוד אלקטרונים. לכל אלקטרון שמנתקים יש אנרגיית יינון משלו. שאלות למחשבה : האם אנרגיית היינון השנייה גדולה או קטנה מן הראשונה? כיצד ניתן ללמוד מתוך אנרגיות היינון העוקבות של יסוד מסוים על היערכות האלקטרונים ברמות אנרגיה אצלו.

מה מושך את האלקטרון לאטום? במה תלויה משיכה זו?

גורמים שמשפיעים על אנרגיית היינון כל אלקטרון שמצוי באטום נמשך אל הפרוטונים שבגרעין האטום: אלקטרון שמטענו שלילי נמשך אל הפרוטונים שמטענם חיובי. האם כל אלקטרון בכל אטום של כל יסוד נמשך את הפרוטונים במידה שווה? כמובן שאין זה כך - ככל שהאלקטרון קרוב יותר לגרעין – כלומר מצוי ברמת אנרגיה נמוכה יותר – הוא נמשך יותר אל הגרעין ואז קשה יותר לנתק אותו מן האטום כלומר אנרגיית היינון שלו גדולה יותר. ככל שהגרעין מכיל יותר פרוטונים – הוא מושך יותר חזק את האלקטרון ואז קשה יותר לנתק אותו מן האטום כלומר אנרגיית היינון שלו גדולה יותר.

המשיכה בין האלקטרון לבין הגרעין תלויה בשני משתנים: המרחק בין האלקטרון לבין הגרעין – כלומר רמת האנרגיה שבה נמצא האלקטרון. מספר הפרוטונים בגרעין. השלימו את המשפטים הבאים: ככל שהמרחק בין האלקטרון לבין הגרעין גדל, אנרגיית היינון ________. ככל שמספר הפרוטונים בגרעין גדל , אנרגיית היינון __________.

1. ההשפעה של המרחק מהגרעין על אנרגיית היינון: אמרתנו שככל שהמרחק בין הגרעין לבין האלקטרון הערכי רב יותר, כך המשיכה החשמלית ביניהם קטנה יותר , ולכן יש להשקיע אנרגיה קטנה יותר כדי להוציא אלקטרון.

מאיזה אטום קל יותר לנתק את האלקטרון המסומן ?

ככל שנעים למעלה באותו טור בטבלה המחזורית – שני האטומים המתוארים כאן נמצאים באותו טור בטבלה המחזורית לאטום 2 יש יותר רמות אנרגיה קל יותר לנתק את האלקטרון מאטום 2 כי האלקטרון שמנתקים רחוק יותר מן הגרעין ככל שנעים למעלה באותו טור בטבלה המחזורית – אנרגיית היינון גדלה. 

2. ההשפעה של מטען הגרעין על אנרגיית היינון: ככל שמספר הפרוטונים בגרעין גדול יותר, המטען החשמלי של הגרעין גדול יותר וכך המשיכה החשמלית בין גרעין לבין האלקטרון הערכי גדולה יותר לכן יש להשקיע אנרגיה גבוהה יותר כדי להוציא אלקטרון.

מאיזה אטום קל יותר לנתק את האלקטרון המסומן ?

שני האטומים המתוארים כאן נמצאים באותה שורה בטבלה המחזורית – לשניהם אותו מספר רמות אנרגיה את האלקטרון של אטום 2 קל יותר לנתק כי הוא מוחזק על ידי פחות פרוטונים ככל שנעים ימינה באותה שורה – אנרגיית היינון גדלה.   

השינוי באנרגיית היינון בטבלה המחזורית

אנרגיית היינון של 20 היסודות הראשונים בטבלה המחזורית תארו באופן מילולי את הגרף הזה.

השינוי החל באנרגיית היינון לאורך הטבלה המחזורית כל שורה (מחזור) במערכה המחזורית מתחילה ביסוד מהטור ה- I ומסתיימת ביסודות מהטור ה- VIII. ניתן לראות כי בשקעי העקומה נמצאים היסודות מהטור הראשון ובשיאי העקומה נמצאים היסודות מהטור השמיני.

אנרגיית היינון של 86 היסודות הראשונים בטבלה המחזורית

השינוי באנרגיית היינון בטבלה המחזורית – גרף עמודות

השינוי באנרגיית היינון בטבלה המחזורית – טבלה תלת ממדית

אנרגיית היינון ככל שעולים בטור, מספר רמות אנרגיה באטום קטן והמרחק בין גרעין לבין אלקטרוני הערכיות קטן כתוצאה מכך המשיכה החשמלית גדולה. לכן יש להשקיע אנרגיה יחסית גדולה כדי להוציא אלקטרון. במעבר משמאל לימין בשורה (במחזור), קיימת עליה במס' האטומי של היסוד, המשיכה החשמלית בין גרעין לבין האלקטרון ברמת הערכיות גדולה עם עליה במספר הפרוטונים ואנרגיית היינון גדלה.

תודה ללילך על השקופיות האחרונות

למעשה השתמשתם כאן בחוק קולון.

לקראת חוק קוּלוֹן בשנות ה-80 של המאה ה-18 הגדיר קולון את הכוח שמתקיים בין שני גופים נקודתיים טעונים חשמלית. מלימודים קודמים ידוע לכם ש: אם שני גופים חשמליים טעונים במטענים שונים (האחד + והשני -) הם יימשכו זה לזה אם שני גופים חשמליים טעונים באותו מטען (שניהם + או שניהם -) הם יידַחו זה מזה הגופים הטעונים שנדבר עליהם בפרק זה הם: אלקטרונים שמטענם שלילי פרוטונים שמטענם חיובי

הכוח שמתקיים בין שני גופים נקודתיים טעונים חשמלית עשוי להיות כוח משיכה או כוח דחייה - + + + - - הכוח שבו שני הגופים הטעונים נמשכים זה לזה או נדחים זה מזה מצוין על ידי האות F (force). במה תלוי גודלו של F?

במה תלוי גודלו של F? ועוד שתי אותיות הכוח בין שני גופים טעונים תלוי בגודל המטען שלהם למשל: לגרעין בעל 9 פרוטונים יש מטען חיובי גדול משל גרעין בעל 8 פרוטונים. את מטען הגוף נסמן על ידי האות q לזכרו של קולון. מטען של גוף אחד יסומן על ידי האות q1 המטען של הגוף האחר האחר יסומן על ידי האות q2 הכוח בין שני גופים טעונים תלוי במרחק שביניהם למשל: המרחק שבין אלקטרון ברמה הראשונה לבין הגרעין גדול מן המרחק שבין האלקטרון ברמה השנייה לבין הגרעין. המרחק יסומן על ידי האות r

הכוח הפועל בין שני החלקיקים טעונים תלוי ב- גודל המטען החשמלי שלהם (q1 ו- q2). הכוח הפועל בין שני חלקיקים טעונים נמצא ביחס ישר לגודל המטען. ככל שהמטענים גדולים יותר, כך הכוח החשמלי גדול יותר וההפך. המרחק בין המטענים (r)- הכוח הפועל בין שני מטענים נמצא ביחס הפוך לריבוע המרחק שביניהם. ככל שהמרחק בין המטענים גדול יותר כך כוח החשמלי הפועל ביניהם קטן יותר וההפך. המרחק הוא גורם משפיע יותר מן המטען

חוק קולון מטעני הגופים הכוח החשמלי בין המטענים המרחק בין המטענים מספר קבוע שנועד לקשר בין יחידות של מטען חלקי מרחק לבין יחידות של כוח

בין הפרוטונים החיוביים בגרעין לבין האלקטרונים קיימת משיכה חשמלית. המשיכה החשמלית קטנה יותר כאשר האלקטרון נמצא ברמת אנרגיה רחוקה יותר מן הגרעין. המשיכה החשמלית גדלה יותר ככל שמספר הפרוטונים בגרעין האטום גדול יותר. בין האלקטרונים באטום קיימת דחייה חשמלית

מושגים חדשים/ ישנים רמת אנרגיה = אורביטל רמת אנרגיה = אורביטל מספר הפרוטונים בגרעין האטום = מטען גרעיני

אנרגיית יינון Ionization energy- כמות האנרגיה הדרושה להוצאת אלקטרון מאטום במצב צבירה גזי. בתהליך היינון מתקבל יון חיובי (קטיון) מאטום ניטראלי. X (g)  X+ (g) + ē אנרגיית יינון מסמנים באות Ei ויחידות המדידה הן אלקטרון וולט eV או ג’אולים (קילו גאול)kJ .

רדיוסים לעומת אנרגיות יינון

א. כיצד משתנה אנרגיית היינון לאורך שורה בטבלה המחזורית               א.      כיצד משתנה אנרגיית היינון לאורך שורה בטבלה המחזורית? ציינו את שמות היסודות אליהם התייחסתם. הסבירו ב.     כיצד משתנה אנרגיית היינון לאורך טור בטבלה המחזורית? ציינו את שמות היסודות אליהם התייחסתם. הסבירו.    

תרגול

10 11 12

13 14 15

16 17 18

19 20

21 22

4

5 6

רדיוס אטומי ורדיוס יוני: הרדיוס האטומי הוא מדד לגודלו של האטום.

רדיוס אטומי. רדיוס יוני רדיוס יוני של יון חיובי (קטיון), תמיד קטן מהרדיוס של אטום היסוד. מספר הפרוטונים זהה באטום ניטרלי וביון חיובי, לכן המטען הגרעיני זהה. מספר האלקטרונים ביון החיובי קטן יותר מאשר באטום מכיוון שאלקטרוני הערכיות נעדרים, מספר הרמות המאוכלסות באלקטרונים קטן ולכן הרדיוס קטן.

רדיוס אטומי. רדיוס יוני רדיוס יוני של יון שלילי (אניון), תמיד גדול מהרדיוס של אטום היסוד. מספר הפרוטונים זהה באטום ניטרלי וביון שלילי לכן המטען הגרעיני זהה. מספר האלקטרונים ביון השלילי גדול יותר מאשר באטום לכן הדחייה בין האלקטרונים ביון השלילי גדולה יותר, כתוצאה מכך ענן האלקטרוני "מתפשט" והרדיוס של היון השלילי גדל.

לפניכם תוצאות מדידות של רדיוסים של אטומים ושל יונים לפניכם תוצאות מדידות של רדיוסים של אטומים ושל יונים. מה ניתן ללמוד מתוצאות אלה?

הרדיוס האטומי גדל במורד טור הרדיוס האטומי של יון חיובי קטן מזה של האטום הנייטרלי שממנו נוצר. נסביר זאת אחרי שנכתוב את היערכות האלקטרונים של כל החלקיקים שבאיור

היערכות האלקטרונים של היון ושל האטום היערכות האלקטרונים של היון ושל האטום

רדיוסים אטומיים ויוניים של יסודות טור VII – טור ההלוגנים

היערכות האלקטרונים של היון ושל האטום היערכות האלקטרונים של היון ושל האטום