Frage:
Warum hat Radium eine höhere erste Ionisierungsenergie als Barium?
Alicia Butteriss
2012-12-20 01:13:12 UTC
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Ich frage mich, warum Radium dem allgemeinen Trend zu widersprechen scheint, dass die ersten Ionisierungsenergien abnehmen, wenn Sie sich im Periodensystem nach unten bewegen: Barium (das Element 2 der Gruppe davor) hat eine erste Ionisierungsenergie von $ \ pu {502,9 kJ / mol} $ span>, während Radium einen etwas höheren ersten IE hat von $ \ pu {509,3 kJ / mol} $ span> (aus der Wikipedia, obwohl mein Lehrbuch zustimmt).

Gibt es derzeit eine Erklärung dafür? (Ich stelle mir vor, dass die Quantenmechanik in irgendeiner Weise beteiligt sein könnte, aber ich bin mir nicht ganz sicher, wie)

Es gibt höchstwahrscheinlich andere Beispiele dafür, dass der Trend gebrochen wird, aber dies ist das einzige, das ich habe Ich bin gespannt, warum dies der Fall ist.

Der gleiche Trendbruch kann bei Cs und Fr beobachtet werden. Auch der Trend zur Verringerung der Energie der ersten Ionisation scheint nicht mit dem Übergang von Übergangsmetallen der 5. Periode zur 6. Periode (sowie einigen der Hauptgruppenelemente) und dem Übergang von Lanthaniden zu Actiniden (siehe: http: // chemreference.com/), also muss es wohl etwas mit den zusätzlichen f-Elektronen zu tun haben, aber ich habe keine Ahnung, was es genau ist.
Fünf antworten:
Nicolau Saker Neto
2013-04-28 19:37:56 UTC
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Ich denke, es ist auch wichtig, hier relativistische Effekte zu erwähnen. Sie werden bereits sichtbar, nachdem $ Z = 70 $ span> und $ \ ce {Ra} $ span> liegen ein gutes Stück danach.

In sehr schweren Atomen sind die Elektronen des Orbitals $ \ ce {1s} $ span> (eigentlich alle Orbitale mit Einige Elektronendichten in der Nähe des Kerns, aber das $ \ ce {1s} $ span> -Orbital ist zufällig das nächstgelegene und daher am stärksten betroffene) und sind sehr hohen effektiven Kernladungen ausgesetzt Komprimieren der Orbitale in einen sehr kleinen Raumbereich. Dies wiederum zwingt die innersten Elektronenimpulse über das Unsicherheitsprinzip dazu, sehr hoch zu sein (oder in einem klassischen Bild müssen die Elektronen den Kern sehr schnell umkreisen, um ein Einfallen zu vermeiden). Die Impulse sind in der Tat so hoch, dass spezielle Relativitätskorrekturen spürbar werden, so dass die tatsächlichen, relativistisch korrigierten Impulse ( $ p _ {\ text {relativistic}} = \ gamma p_ { \ text {classic}} $ span>) sind etwas höher als die ungefähren klassischen Impulse. Wiederum verursacht dies über das Unsicherheitsprinzip eine relativistische Kontraktion des Orbitals $ \ ce {1s} $ span> (und anderer Orbitale mit nahe Elektronendichte) zum Kern, insbesondere $ \ ce {ns} $ span> und $ \ ce {np} $ span> Orbitale) .

Die relativistische Kontraktion der innersten Orbitale erzeugt eine Kaskade von Änderungen der Elektronenabschirmung zwischen den übrigen Orbitalen. Das Endergebnis ist, dass alle $ \ ce {ns} $ span> -Orbitale kontrahiert werden, sich dem Kern nähern und an Energie verlieren. Dies ist für die Frage relevant, da die Valenzelektronen $ \ ce {7s} $ span> in $ \ ce {Ra} $ fühlen sich mehr zum Kern hingezogen, als man von einer einfachen Trendanalyse erwarten würde, da sie selten die Zunahme relativistischer Effekte berücksichtigen, wenn man das Periodensystem hinuntergeht.

Somit wird die erste (und zweite) Ionisierungsenergie von $ \ ce {Ra} $ span> höher als erwartet, bis zu dem Punkt, an dem es tatsächlich gibt ein Aufwärtstrend im Abwärtstrend. Eka-Radium ( $ Z = 120 $ span>) hätte weitaus stärkere relativistische Effekte und es ist zu erwarten, dass es im Vergleich zu $ \ ce {Ra} $ span>. Tatsächlich werden relativistische Effekte verschwören, um die Metalle der Gruppe 2 etwas edler zu machen! Obwohl das Periodensystem in der Nähe der superschweren Elemente so durcheinander ist, dass es schwer zu sagen ist, ob es sich um einen deutlich sichtbaren Trend handelt oder nur um einen Effekt, der mit mehreren anderen kombiniert werden kann.

Dies ist eine gute theoretische Erklärung der in meiner Antwort festgestellten Auswirkungen. Grundsätzlich hat jedes Element nach den Lathaniden aus diesem Grund eine höhere erste Ionisierungsenergie als das darüber liegende.
Nun, dies ist tatsächlich nicht der Fall für schwere Elemente in den Gruppen 15-18 (Bi, Po, At, Rn und die darunter liegenden). Hier destabilisieren relativistische Effekte tatsächlich zwei der drei Valenz-$ np $ -Orbitale (technisch gesehen ist die Entartung der $ np $ -Unterschale aufgrund einer starken Spin-Bahn-Kopplung gebrochen, wodurch ein stabilisiertes $ np_ {1/2} $ -Orbital und zwei destabilisierte entstehen $ np_ {3/2} $ Orbitale), so dass selbst bei erhöhter effektiver Kernladung alle Ionisierungsenergien bis zu $ ​​np_ {1/2} ^ 2 $ weniger Energie benötigen als für die obigen Elemente. Dieser Effekt ist in Bi am offensichtlichsten, da Pb einen leichten relativistischen Adel aufweist.
"relativistische Kontraktion" Ich bin mir nicht sicher, was Sie unter Kontraktion verstehen. Ist es so, als würde die Wahrscheinlichkeit, Elektronen zu finden, auf einen kleineren Raum schrumpfen? Oder nähern sich die Orbitale dem Kern?
@Mockingbird Ich bin mir nicht sicher, was der Unterschied zwischen den beiden von Ihnen angegebenen Optionen ist, aber im Grunde ist der durchschnittliche Abstand des Elektrons zum Kern in allen $ s $ -Orbitalen kleiner, wenn Sie die Relativität einbeziehen.
Ben Norris
2013-04-28 16:41:17 UTC
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Dieses Verhalten kann auf dasselbe Phänomen zurückgeführt werden, das die Lanthanoidkontraktion verursacht. Die Elektronen in $ f $ span> -Unterschalen sind bei nuklearer Abschirmung sehr schlecht, daher ist der $ s $ span> Elektronen in der nächsthöheren Schale sind (im Durchschnitt) näher am Kern als erwartet. Wenn diese Elektronen näher am Kern sind, weist das Atom einen kleineren Radius als erwartet auf und diese $ s $ span> -Elektronen sind schwieriger zu entfernen. Laut dem Wikipedia-Artikel über die Lanthanoidkontraktion gibt es sowohl quantenmechanische als auch relativistische Ursachen für die Lanthanoidkontraktion.

Dieses Verhalten tritt auch in Hafnium (72) auf, was richtig ist nach den Lanthaniden. Hafniums erste Ionisierungsenergie ist $ \ pu {658,5 kJ / mol} $ span>, während Zirkonium (40, direkt über Hafnium) $ \ pu {640,1 kJ / mol} $ span>. Barium ist vor den Lanthaniden und Radium ist hinter ihnen. Jedes so gespaltene Paar wird wahrscheinlich diesen neuen Trend bei den Ionisationspotentialen aufweisen. Probieren Sie es aus!

Julia Gonzalez
2013-01-28 11:12:37 UTC
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Elemente 57+ haben Elektronen in f-Orbitalen.

Radium hat eine volle 4f-Unterebene. Diese Elektronen sind bei der Abschirmung weniger wirksam als d-Elektronen (f

Detailliertere Informationen zur schlechten Abschirmung von f-Block-Elektronen finden Sie hier. http://chemwiki.ucdavis.edu/Inorganic_Chemistry/Descriptive_Chemistry/Transition_Metals_and_Coordination_Complexes/The_Lanthanides/Lanthanide_Contraction
Sieht so aus, als ob Ihre Antwort gekürzt wurde. Außerdem wäre es schön, einen Teil des Links in Ihre Antwort aufzunehmen (das Schreiben in eigenen Worten wäre schön, obwohl das Zitieren in Ordnung ist).
Farooq
2018-03-15 00:57:56 UTC
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Da das 4f-Orbital von Radium das 7S-Orbital weniger effektiv vor nuklearer Anziehung schützt, ist für deren Entfernung eine höhere Ionisierungsenergie erforderlich.

Shahid hussain
2017-07-27 11:25:56 UTC
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Nun, es geht nur um den Abschirmeffekt. Die f-Unterschale hat viele Löcher und somit nimmt der nukleare Einfluss auf die äußeren Elektronen zu. Daher sind Valenzelektronen sehr eng an die Nukleasen gebunden. Hoffentlich haben Sie die Antwort



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