Κεφάλαιο 6.4 – Μεταβολή ορισμένων περιοδικών ιδιοτήτων (σελ. 240-248) – Απαντήσεις – Λύσεις

Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα

Άσκηση 18 (σελ. 241)

Πώς ορίζεται η πρώτη ενέργεια ιοντισμού και πώς η πρώτη ηλεκτρονιοσυγγένεια ενός στοιχείου;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμών.

Απάντηση: Ενέργεια πρώτου ιοντισμού \(E_{i,1}\): η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την πλήρη απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ελεύθερο άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση και σε αέρια φάση: \(\Sigma(g)\to\Sigma^+(g)+e^-,\ \Delta H>0\). Ηλεκτρονιοσυγγένεια \(E_{ea}\): η μεταβολή ενέργειας κατά την πρόσληψη ενός ηλεκτρονίου από άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση, σε αέρια φάση: \(\Sigma(g)+e^-\to\Sigma^-(g)\), συνήθως \(\Delta H<0\).

Άσκηση 19 (σελ. 241)

Πώς μεταβάλλεται η ατομική ακτίνα, η πρώτη ενέργεια ιοντισμού και η ηλεκτρονιοσυγγένεια των στοιχείων κατά μήκος μιας κύριας ομάδας και μιας περιόδου στον περιοδικό πίνακα;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση περιοδικών τάσεων.

Απάντηση: Κατά μήκος μιας περιόδου (αριστερά→δεξιά): η ατομική ακτίνα ελαττώνεται, ενώ η ενέργεια ιοντισμού και η απόλυτη τιμή της ηλεκτρονιοσυγγένειας αυξάνονται (αυξανόμενο δραστικό πυρηνικό φορτίο). Σε μια κύρια ομάδα (πάνω→κάτω): η ατομική ακτίνα αυξάνεται, ενώ η ενέργεια ιοντισμού και η απόλυτη τιμή της ηλεκτρονιοσυγγένειας ελαττώνονται (προστίθενται στιβάδες, μεγαλύτερη απόσταση από τον πυρήνα).

Άσκηση 55 (σελ. 246)

Να γίνει αντιστοίχηση των στοιχείων ₁₁Na, ₁₇Cl, ₁₉K, ₃₇Rb με την ατομική τους ακτίνα (σε Å): 0,99, 1,54, 2,27, 2,48.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Χρησιμοποιούμε τις περιοδικές τάσεις: εντός ομάδας IA η ακτίνα αυξάνεται Na<K<Rb· μεταξύ στοιχείων της ίδιας περιόδου (Na, Cl, περίοδος 3) η ακτίνα ελαττώνεται προς τα δεξιά, άρα Cl<Na. Σειρά αύξησης ακτίνας: Cl<Na<K<Rb, που αντιστοιχίζεται στις αύξουσες τιμές 0,99<1,54<2,27<2,48.

Λύση:

1. Cl (μη μέταλλο, δεξιά της περιόδου 3): μικρότερη ακτίνα ⟹ 0,99 Å
2. Na (μέταλλο, αριστερά της περιόδου 3, ομάδα IA, μικρότερο n από K/Rb): 1,54 Å
3. K (ομάδα IA, μεγαλύτερο n από Na): 2,27 Å
4. Rb (ομάδα IA, μεγαλύτερο n από K): μεγαλύτερη ακτίνα ⟹ 2,48 Å

Απάντηση: Na: 1,54 Å· Cl: 0,99 Å· K: 2,27 Å· Rb: 2,48 Å.

Πρόσεξε:

• Ο πίνακας τιμών του ψηφιοποιημένου κειμένου εμφανίζεται με εναλλαγμένα ζεύγη (Na↔K, Cl↔Rb)· η παραπάνω αντιστοίχιση ακολουθεί τη σωστή περιοδική τάση.

Άσκηση 56 (σελ. 246)

Να συμπληρώσετε τα κενά: α. Στοιχεία που .......... εύκολα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο κάτω αριστερό μέρος του περιοδικού πίνακα και χαρακτηρίζονται ως πολύ .......... ή με ισχυρό .......... χαρακτήρα. β. Στοιχεία που .......... εύκολα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο .......... δεξιό μέρος του περιοδικού πίνακα και χαρακτηρίζονται ως πολύ .......... ή με ισχυρό .......... χαρακτήρα. γ. Στα στοιχεία της ίδιας κύριας .......... όταν αυξάνεται ο ατομικός αριθμός ελαττώνεται η ενέργεια ιοντισμού και το άτομο πιο εύκολα μεταπίπτει σε .......... δ. Στα στοιχεία της ίδιας .......... όταν αυξάνεται ο ατομικός αριθμός κατά κανόνα αυξάνεται η απόλυτη τιμή της ηλεκτρονιοσυγγένειας, δηλαδή τα στοιχεία πιο εύκολα μεταπίπτουν σε ..........

Σκέψη / Μεθοδολογία: Συμπληρώνουμε με βάση τις έννοιες ηλεκτροθετικότητας/ηλεκτραρνητικότητας και τις περιοδικές τάσεις.

Απάντηση: α. ...αποβάλλουν εύκολα ηλεκτρόνια... πολύ ηλεκτροθετικά ή με ισχυρό μεταλλικό χαρακτήρα. β. ...προσλαμβάνουν εύκολα ηλεκτρόνια... στο πάνω δεξιό μέρος... πολύ ηλεκτραρνητικά ή με ισχυρό αμεταλλικό χαρακτήρα. γ. ...ίδιας κύριας ομάδας... μεταπίπτει σε κατιόν. δ. ...ίδιας περιόδου... μεταπίπτουν σε ανιόν.

Άσκηση 57 (σελ. 246)

Να κυκλώσετε τις περιοχές του περιοδικού πίνακα στις οποίες: α. τα στοιχεία έχουν τη μικρότερη πρώτη ενέργεια ιοντισμού β. τα στοιχεία έχουν τη μέγιστη ατομική ακτίνα γ. τα στοιχεία έχουν την πιο αρνητική τιμή ηλεκτρονιοσυγγένειας

Σκέψη / Μεθοδολογία: Χρησιμοποιούμε τις γνωστές περιοδικές τάσεις (μείωση Ei/αύξηση ακτίνας κάτω-αριστερά, αύξηση |Eea| πάνω-δεξιά).

Απάντηση: α. και β.: η περιοχή κάτω-αριστερά του πίνακα (αλκάλια των κατώτερων περιόδων, π.χ. Cs, Fr) — εκεί η ενέργεια ιοντισμού είναι ελάχιστη και η ατομική ακτίνα μέγιστη. γ.: η περιοχή πάνω-δεξιά (αλογόνα, εξαιρουμένων των ευγενών αερίων, π.χ. F, Cl) — εκεί η ηλεκτρονιοσυγγένεια έχει την πιο αρνητική (μεγαλύτερη κατ' απόλυτη τιμή) τιμή.

Άσκηση 58 (σελ. 247)

Να αιτιολογήσετε ποιες από τις επόμενες προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες: α. Η ηλεκτρονιοσυγγένεια του ₉F είναι κατά απόλυτη τιμή μεγαλύτερη από αυτή του ₃Li. β. Η ηλεκτρονιοσυγγένεια του ₁₁Na είναι κατά απόλυτη τιμή μεγαλύτερη από αυτή του ₃Li. γ. Η ενέργεια ιοντισμού του ₁₉K είναι μικρότερη από την αντίστοιχη του ₃Li. δ. Η ενέργεια ιοντισμού του ₉F είναι μικρότερη από την αντίστοιχη του ₃Li.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Εφαρμόζουμε τις περιοδικές τάσεις: |Eea| και Ei αυξάνονται κατά μήκος περιόδου (→) και ελαττώνονται σε ομάδα (↓).

Λύση:

1. α: F και Li ίδια περίοδος (2η)· F πιο δεξιά ⟹ μεγαλύτερη |Eea|. Σωστό.
2. β: Na και Li ίδια ομάδα (IA)· Na πιο κάτω ⟹ μικρότερη |Eea| από το Li, όχι μεγαλύτερη. Λάθος.
3. γ: K και Li ίδια ομάδα (IA)· K πιο κάτω ⟹ μικρότερη Ei από το Li. Σωστό.
4. δ: F και Li ίδια περίοδος· F πιο δεξιά ⟹ μεγαλύτερη Ei από το Li, όχι μικρότερη. Λάθος.

Απάντηση: α. Σωστό. β. Λάθος. γ. Σωστό. δ. Λάθος.

Άσκηση 59 (σελ. 247)

Τα στοιχεία Rb (Z=37) και Na (Z=11) ανήκουν στην ομάδα των αλκαλίων (ΙΑ). Ποιο από τα δύο στοιχεία έχει μικρότερη ατομική ακτίνα, ποιο μικρότερη ενέργεια ιοντισμού και ποιο μεγαλύτερη ηλεκτροθετικότητα και γιατί;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Στην ίδια κύρια ομάδα, η ατομική ακτίνα αυξάνεται και η ενέργεια ιοντισμού/ηλεκτροθετικότητα ακολουθούν την αντίστροφη/ίδια πορεία, καθώς προχωράμε προς τα κάτω (μεγαλύτερο n).

Λύση:

1. Το Na (μικρότερο n=3) έχει μικρότερη ατομική ακτίνα από το Rb (n=5).
2. Το Rb, έχοντας το εξωτερικό του ηλεκτρόνιο πιο μακριά από τον πυρήνα (μικρότερη έλξη), έχει μικρότερη ενέργεια ιοντισμού.
3. Το Rb, χάνοντας ευκολότερα το ηλεκτρόνιό του, έχει μεγαλύτερη ηλεκτροθετικότητα.

Απάντηση: Μικρότερη ατομική ακτίνα: Na. Μικρότερη ενέργεια ιοντισμού: Rb. Μεγαλύτερη ηλεκτροθετικότητα: Rb.

Άσκηση 60 (σελ. 247)

Γιατί η δεύτερη ενέργεια ιοντισμού του Li (Z=3) είναι πολύ μεγαλύτερη της αντίστοιχης του Be (Z=4);

Σκέψη / Μεθοδολογία: Γράφουμε τις δομές Li⁺ και Be⁺ και εντοπίζουμε από ποια υποστιβάδα αφαιρείται το δεύτερο ηλεκτρόνιο σε κάθε περίπτωση.

Λύση:

1. Li (1s²2s¹) → Li⁺ (1s²): η δεύτερη ενέργεια ιοντισμού αφαιρεί ηλεκτρόνιο από την ήδη συμπληρωμένη, εσωτερική στιβάδα 1s.
2. Be (1s²2s²) → Be⁺ (1s²2s¹): η δεύτερη ενέργεια ιοντισμού αφαιρεί το δεύτερο ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στιβάδας 2s.
3. Ένα 1s ηλεκτρόνιο βρίσκεται πολύ πιο κοντά στον πυρήνα και χωρίς εσωτερική θωράκιση, άρα απαιτεί πολύ περισσότερη ενέργεια για να αφαιρεθεί από ό,τι ένα 2s ηλεκτρόνιο.

Απάντηση: Επειδή στο Li η δεύτερη ενέργεια ιοντισμού αφαιρεί ηλεκτρόνιο από την εσωτερική, συμπληρωμένη στιβάδα 1s (πολύ ισχυρά δεσμευμένο), ενώ στο Be αφαιρεί ακόμη ένα ηλεκτρόνιο της εξωτερικής 2s.

Άσκηση 61 (σελ. 247)

Να ερμηνεύσετε με βάση την ηλεκτρονιακή τους δομή γιατί η ηλεκτρονιοσυγγένεια του F έχει αρνητική τιμή, ενώ του Ne θετική.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Εξετάζουμε αν η πρόσληψη ηλεκτρονίου οδηγεί σε δομή ευγενούς αερίου (ευνοϊκό, εξώθερμο) ή απαιτεί άνοιγμα νέας στιβάδας (δυσμενές, ενδόθερμο).

Λύση:

1. F (1s²2s²2p⁵) + e⁻ → F⁻ (1s²2s²2p⁶): αποκτά ακριβώς τη σταθερή δομή ευγενούς αερίου (Ne) — ευνοϊκή, εξώθερμη διαδικασία (Eea<0).
2. Ne (1s²2s²2p⁶, ήδη δομή ευγενούς αερίου) + e⁻ → Ne⁻ (1s²2s²2p⁶3s¹): το επιπλέον ηλεκτρόνιο αναγκάζεται να ανοίξει νέα, εξωτερικότερη στιβάδα (n=3), εγκαταλείποντας τη σταθερή δομή — δυσμενής, ενδόθερμη διαδικασία (Eea>0).

Απάντηση: Το F αποκτά με την πρόσληψη ηλεκτρονίου δομή ευγενούς αερίου (εξώθερμο, Eea<0)· το Ne, που ήδη έχει δομή ευγενούς αερίου, αναγκάζεται να ανοίξει νέα στιβάδα (ενδόθερμο, Eea>0).

Άσκηση 73 (σελ. 249)

Η κορώνα του ήλιου έχει θερμοκρασία της τάξεως εκατομμυρίων βαθμών. Το φάσμα εκπομπής των ιόντων Fe¹⁴⁺ ανιχνεύεται στην ηλιακή ακτινοβολία. Η ενέργεια που χρειάζεται για να μετατραπεί το Fe¹³⁺ σε Fe¹⁴⁺ είναι 3,5·10⁴ kJ/mol. Η μέση κινητική ενέργεια 1 mol αερίου είναι (3/2)RT, R=8,314 J K⁻¹ mol⁻¹. Να προσδιορίσετε τη θερμοκρασία της κορώνας.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Εξισώνουμε την ενέργεια ιοντισμού (σε J/mol) με τη μέση κινητική ενέργεια (3/2)RT και λύνουμε ως προς T.

Λύση:

1. E = 3,5·10⁴ kJ/mol = 3,5·10⁷ J/mol
2. (3/2)RT = E ⟹ T = 2E/(3R) = (2×3,5·10⁷)/(3×8,314) = 7·10⁷/24,942
3. T ≈ 2,81·10⁶ K

Απάντηση: T ≈ 2,8·10⁶ K.

Άσκηση 75 (σελ. 249)

Οι τέσσερις διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού ενός στοιχείου κύριας ομάδας είναι: Ei1=738 kJ/mol, Ei2=1450 kJ/mol, Ei3=7,7·10³ kJ/mol, Ei4=1,1·10⁴ kJ/mol. Σε ποια κύρια ομάδα του περιοδικού πίνακα ανήκει το στοιχείο αυτό και γιατί;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Εντοπίζουμε πού εμφανίζεται απότομη («τεράστια») αύξηση στη διαδοχική ενέργεια ιοντισμού — εκεί αρχίζει η αφαίρεση ηλεκτρονίων από εσωτερική (πλήρη, σταθερή) στιβάδα, που δείχνει πόσα ηλεκτρόνια σθένους είχε αρχικά το άτομο.

Λύση:

1. Ei1→Ei2: 738→1450, αύξηση περίπου ×2 (φυσιολογική, ίδια στιβάδα σθένους).
2. Ei2→Ei3: 1450→7700, αύξηση περίπου ×5,3 (τεράστιο άλμα) — δείχνει ότι το τρίτο ηλεκτρόνιο αφαιρείται από πλήρη, εσωτερική (σταθερή) στιβάδα.
3. Άρα το άτομο είχε μόνο 2 ηλεκτρόνια σθένους.

Απάντηση: Το στοιχείο ανήκει στην ομάδα IIA (2 ηλεκτρόνια σθένους), αφού η τεράστια αύξηση εμφανίζεται μετά την αφαίρεση του 2ου ηλεκτρονίου.

Άσκηση 77 (σελ. 249)

Ποιο από τα παρακάτω ιόντα έχει μεγαλύτερο μέγεθος και γιατί; α. N³⁻ ή F⁻ β. ¹²Mg²⁺ ή ₂₀Ca²⁺ γ. Fe²⁺ ή Fe³⁺

Σκέψη / Μεθοδολογία: Για ισοηλεκτρονιακά είδη (ίδιος αριθμός ηλεκτρονίων), μεγαλύτερο μέγεθος έχει αυτό με μικρότερο πυρηνικό φορτίο (ασθενέστερη έλξη)· για ίδιο στοιχείο, μεγαλύτερο θετικό φορτίο σημαίνει μικρότερο μέγεθος (λιγότερα ηλεκτρόνια, ίδιος πυρήνας).

Λύση:

1. α: N³⁻ (10 e⁻, Z=7) και F⁻ (10 e⁻, Z=9) είναι ισοηλεκτρονιακά· μικρότερο Z (N) ⟹ ασθενέστερη έλξη ⟹ μεγαλύτερη ακτίνα.
2. β: Mg²⁺ και Ca²⁺ ίδια ομάδα (IIA)· Ca βρίσκεται πιο κάτω (μεγαλύτερο n) ⟹ μεγαλύτερη ακτίνα.
3. γ: Fe²⁺ έχει περισσότερα ηλεκτρόνια από το Fe³⁺ για τον ίδιο πυρήνα ⟹ ασθενέστερη ενεργός έλξη ανά ηλεκτρόνιο ⟹ μεγαλύτερη ακτίνα.

Απάντηση: α. N³⁻ β. Ca²⁺ γ. Fe²⁺ (σε κάθε ζεύγος, το πρώτο έχει το μεγαλύτερο μέγεθος).