8.3 Variasi periodik dalam sifat fisik (Chemistry-Raymond Chang)

8.3 Variasi periodik dalam sifat fisik

Seperti yang telah kita lihat, konfigurasi elektron dari unsur-unsur menunjukkan variasi periodik dengan meningkatnya nomor atom. Akibatnya, ada juga variasi periodik dalam perilaku fisik dan kimia. Di bagian ini dan bagian berikutnya, kita akan mengetahui beberapa sifat fisik dari unsur-unsur yang berada dalam kelompok atau periode yang sama dan tambahan sifat-sifat yang mempengaruhi perilaku unsur-unsur kimia. Pertama, mari kita lihat pada konsep muatan nuklir efektif, yang memiliki pengaruh langsung pada banyak properti atom.

Biaya efektif nuklir 

Dalam bab 7 kita akan membahas bagaimana melindungi elektron yang dekat dengan nukleus yang memiliki elektron kulit terluar dalam banyak atom elektron. Kehadiran elektron lain dalam atom mengurangi daya tarik elektrostatik antara elektron yang diberikan dan proton bermuatan positif dalam nukleus. Muatan nuklir efektif (Z eff) adalah muatan nuklir yang dirasakan oleh elektron ketika keduanya, muatan nuklir aktual (Z) dan efek (perisai) dari elektron lain diperhitungkan. Umumnya, Z eff diberikan oleh : 

Zeff = Z -

dimana s (sigma) disebut konstanta perisai (juga disebut konstanta penapisan).

Konstanta perisai lebih besar dari nol tetapi lebih kecil dari Z.

            Salah satu cara untuk mengilustrasikan bagaimana elektron dalam sebuah atom melindungi satu sama lain adalah dengan mempertimbangkan

jumlah energi yang dibutuhkan untuk menghilangkan dua elektron dari helium

atom. Eksperimen menunjukkan bahwa dibutuhkan 3,94 x  J untuk menghapus elektron pertama dan 8,72 x  J untuk menghapus elektron kedua. Tidak ada perisai elektron pertama yang dihapus, sehingga elektron kedua merasakan efek penuh dari +2 biaya nuklir. 






Karena elektron inti, rata-rata lebih dekat ke inti daripada elektron valensi, elektron inti
melindungi elektron valensi lebih dari elektron valensi satu sama lain.
Pertimbangkan elemen periode kedua dari Li ke Ne. Pindah dari kiri ke benar,
kita menemukan jumlah elektron inti (1 s 2) tetap konstan sementara nuklir
biaya meningkat. Namun, karena elektron yang ditambahkan adalah elektron
valensi dan valensi elektron tidak saling melindungi dengan baik, efek bersih
bergerak melintasi periode adalah a muatan nuklir efektif yang lebih besar
dirasakan oleh elektron valensi, seperti yang ditunjukkan di sini.


 Muatan nuklir yang efektif  akan meningkat ketika periodik turun kelompok tertentu. Namun, karena elektron valensi sekarang ditambahkan menjadi semakin besar maka cangkang sebagai n meningkat, tarikan elektrostatik antara nukleus dan valensi elektron sebenarnya menurun.


 Radius Atom 







Dua inti dalam dua atom logam yang berdekatan atau dalam molekul diatomik. Untuk atom yang
dihubungkan bersama untuk membentuk jaringan tiga dimensi yang luas, atom
radius hanya satu setengah jarak antara inti dalam dua atom yang berdekatan
[Gambar 8.4 (a)]. Untuk unsur-unsur yang ada sebagai molekul diatomik
sederhana, jari-jari atom adalah setengah jarak antara inti atom dari dua atom
dalam molekul tertentu [Gambar 8.4 (b)].




Gambar 8.5 menunjukkan jari-jari atom banyak elemen menurut posisinya
dalam tabel periodik, dan Gambar 8.6 memplot jari-jari atom dari elemen-elemen ini
nomor atom mereka. Tren periodik jelas terlihat. Pertimbangkan periode kedua
elemen. Karena muatan nuklir efektif meningkat dari kiri ke kanan, yang ditambahkan
elektron valensi pada setiap langkah lebih kuat ditarik oleh nukleus daripada yang satu
sebelum. Oleh karena itu, kami berharap dan memang menemukan radius atom menurun dari Li ke
Ne. Dalam suatu kelompok kami menemukan bahwa jari-jari atom meningkat dengan nomor atom. Untuk


            gambar 8.4
a) Dalam logam semacam 
berilium, jari-jari atomnya
didefinisikan sebagai setengah jarak
antara dua pusat atom yang berdekatan. 
(b) Untuk elemen yang ada sebagai molekul diatomik,
seperti yodium, jari-jari atom didefinisikan sebagai satu setengah
jarak antara pusat atom-atom dalam molekul.


logam alkali dalam Golongan 1A, elektron valensi berada di orbital ns. Karena orbital
ukuran meningkat dengan meningkatnya bilangan kuantum utama n, ukuran atom
radius meningkat meskipun muatan nuklir efektif juga meningkat dari Li ke Cs.








gambar 8.5 Jari-jari atom (dalam picometers) dari perwakilan elemen sesuai dengan posisi mereka  dalam tabel periodik. Perhatikan bahwa tidak ada yang umum tentang ukuran atom jari-jari. Kami fokus hanya pada tren di jari-jari atom, bukan pada nilai mereka yang tepat.











contoh 8.2 

Mengacu pada tabel periodik, susun atom-atom berikut dalam urutan peningkatan radius atom : P, Si, N.
Strategi  Apa tren dalam jari-jari atom kelompok periodik dan khususnya periode? Manakah dari unsur-unsur sebelumnya dalam kelompok yang sama? di periode yang sama?
Solusi Dari Gambar 8.1 kita melihat bahwa N dan P berada dalam kelompok yang sama (Grup 5A).
Oleh karena itu, jari-jari N lebih kecil dari P.   N < P < Si .  Latihan Praktek susun atom-atom berikut dalam tingkat penurunan jari-jari: C, Li, Be.


Review Konsep
Bandingkan ukuran setiap pasang atom yang terdaftar di sini: (a) Be, Ba; (b) Al, S;
(c) 12 C, 13 C.






























turun ke grup). Si dan P keduanya berada di periode ketiga, dan Si berada di sebelah kiri P.
Oleh karena itu, jari-jari P lebih kecil daripada jari Si (radius atom menurun seperti kita
bergerak dari kiri ke kanan melintasi suatu periode). Dengan demikian, urutan peningkatan jari-jari adalah










gambar 8.6 Plot jari-jari atom (dalam picometers) elemen terhadap nomor atom 





Radius ion 

Jari-jari ionik adalah jari-jari kation atau anion. Ini dapat diukur dengan difraksi sinar-X (lihat Bab 11).
Jari-jari ionik mempengaruhi sifat fisik dan kimia senyawa ionik. Misalnya,
struktur tiga dimensi dari senyawa ionik tergantung pada ukuran relatif  kation dan anionnya. 

          Ketika atom netral diubah menjadi ion, kita mengharapkan perubahan ukuran. Jika itu atom membentuk anion,
ukurannya (atau radius) meningkat, karena muatan nuklir tetap sama tetapi
tolakan yang dihasilkan dari elektron tambahan (s) memperbesar domain dari awan
elektron. Di sisi lain, menghapus satu atau lebih elektron dari atom mengurangi
tolakan elektron-elektron tetapi muatan nuklir tetap sama, sehingga awan
elektron menyusut, dan kation lebih kecil dari atom. Gambar 8.7 menunjukkan
perubahan ukuran yang dihasilkan ketika logam alkali diubah menjadi kation dan
halogen diubah menjadi anion; Gambar 8.8 menunjukkan perubahan ukuran yang
terjadi ketika atom lithium bereaksi dengan atom fluoride untuk membentuk unit
LiF. 

           Gambar 8.9 menunjukkan jari-jari ion yang berasal dari unsur-unsur akrab,
diatur sesuai dengan posisi elemen dalam tabel periodik. Kita bisa melihat tren
paralel antara jari-jari atom dan jari-jari ionik. Misalnya, dari atas ke bawah
baik atom radius dan jari-jari ionik meningkat dalam suatu kelompok. Untuk ion
yang berasal dari elemen dalam kelompok yang berbeda, perbandingan ukuran
bermakna hanya jika ion bersifat isoelektronik. Jika kita memeriksa ion isoelektronik,
kita menemukan bahwa kation lebih kecil daripada anion. Untuk contoh, Na1 lebih
kecil dari F2. Kedua ion memiliki jumlah elektron yang sama, tetapi Na (Z = 11)
memiliki lebih banyak proton daripada F (Z = 9). Muatan nuklir efektif yang
lebih besar Hasil Na1 dalam radius yang lebih kecil. 

            Berfokus pada kation isoelektronik, kita melihat bahwa jari-jari ion tripositif (ion yang menanggung
tiga muatan positif) lebih kecil daripada ion dipositif (ion itu menanggung dua
muatan positif), 













gambar 8.7 Perbandingan dari jari-jari atom dengan jari-jari ionik.
(a) Logam alkali dan alkali kation logam. (B) Halogen dan ion halida.













gambar 8.8 Perubahan ukuran Li dan F ketika mereka bereaksi untuk membentuk LiF.







gambar 8.9 

Jari-jari (dalam pikometer) ion-ion unsur-unsur yang dikenal disusun menurut posisi unsur-unsur dalam tabel periodik.




yang pada gilirannya lebih kecil dari ion unipositif (ion yang
menanggung satu muatan positif). Tren ini diilustrasikan dengan baik dengan
ukuran tiga ion isoelektronik pada periode ketiga: Al3+, Mg2+, dan Na+ (lihat
Gambar 8.9). Ion Al3+ memiliki jumlah elektron yang sama dengan Mg2+,
tetapi memiliki satu proton lagi. Demikian, awan elektron di Al3+ ditarik ke
dalam lebih dari itu di Mg2+,  dibandingkan dengan Na+ jari-jarinya Mg2+ lebih kecil dan dapat dijelaskan dengan cara serupa. Beralih ke isoelektronik anion, kami menemukan

bahwa jari-jari meningkat saat kita beralih dari ion dengan tidak positif  (-) untuk mereka dengan muatan dinegatif (2-), dan seterusnya. Jadi, ion oksida
itu lebih besar dari ion fluoride karena oksigen memiliki satu proton lebih
sedikit daripada fluorine; itu awan elektron tersebar lebih banyak di O2-.




contoh 8.3 




Untuk masing-masing pasangan berikut, tunjukkan salah satu dari dua spesies yang lebih besar: (a) N32

atau F2; (b) Mg2+ atau Ca2+; (c) Fe2+ atau Fe3+


Strategi Dalam membandingkan jari-jari ion, berguna untuk mengklasifikasikan ion menjadi tiga kategori:



(1) ion isoelektronik, (2) ion yang membawa muatan yang sama dan dihasilkan dari atom
dari kelompok periodik yang sama, dan (3) ion membawa muatan yang berbeda tetapi dihasilkan dari
atom yang sama. Dalam kasus (1), ion yang membawa muatan negatif yang lebih besar selalu lebih besar; di
huruf (2), ion dari atom yang memiliki nomor atom lebih besar selalu lebih besar; dalam hal
(3), ion yang memiliki muatan positif yang lebih kecil selalu lebih besar.
Solusi (a) N3- dan F- adalah anion isoelektrik, keduanya mengandung 10 elektron.
Karena N3- hanya memiliki tujuh proton dan F- memiliki sembilan, daya tarik yang lebih kecil diberikan oleh nukleus pada elektron menghasilkan ion N3- yang lebih besar.
(B) Baik Mg dan Ca milik Grup 2A (logam alkali tanah). Jadi, ion Ca2+ adalah lebih besar dari Mg21 karena elektron valensi Ca berada dalam cangkang yang lebih besar (n = 4) daripada adalah Mg's (n = 3).
(c) Kedua ion memiliki muatan inti yang sama, tetapi Fe2+ memiliki satu elektron lagi (24 elektron)
dibandingkan dengan 23 elektron untuk Fe3+) dan karenanya tolakan elektron-elektron yang lebih besar. Itu jari-jari Fe2+ lebih besar.
Latihan - latihan Pilih ion yang lebih kecil di masing-masing pasangan berikut: (a) K+, Li+;
(b) Au+, Au3+; (c) P3-, N3-.























gambar 8.10 Periode elemen ketiga. Foto dari argon, yang tidak berwarna, gas yang tidak berbau, menunjukkan warnanya dipancarkan oleh gas dari tabung lucutan.















elemen kedua-ke-terakhir dari periode itu, adalah non-logam yang sangat reaktif. Di antaranya, the
elemen menunjukkan transisi bertahap dari sifat logam ke sifat non-logam.
Sodium, magnesium, dan aluminium semuanya memiliki jaringan atom tiga dimensi yang luas,
yang dipegang bersama oleh gaya-gaya karakteristik dari keadaan metalik. Silikon itu
sebuah metalloid; ia memiliki struktur tiga dimensi raksasa di mana atom Si dipegang
bersama-sama dengan sangat kuat. Dimulai dengan fosfor, elemen-elemennya ada secara sederhana, diskrit
unit molekul (P 4, S 8, Cl 2, dan Ar) yang memiliki titik leleh rendah dan titik didih.




Dalam suatu kelompok periodik sifat-sifat fisik bervariasi lebih dapat diduga, terutama jika
unsur-unsur berada dalam kondisi fisik yang sama. Misalnya, titik leleh argon dan

elemen menengah krypton dengan mengambil rata-rata dari dua nilai ini 

sebagai berikut:

xenon masing-masing 2189,2 ° C dan 2111,9 ° C. Kita dapat memperkirakan titik lelehnya








titik leleh Kr = 5
[(2189.2°C) 1 (2111.9°C)]
2
5 2150.6°C













Nilai ini cukup dekat dengan titik lebur aktual 2156,6 ° C.










AKSI KIMIA 



Dari 117 elemen yang diketahui, 11 adalah gas di bawah atmosfer
kondisi. Enam dari ini adalah elemen Grup 8A (yang
gas mulia Dia, Ne, Ar, Kr, Xe, dan Rn), dan yang lainnya adalah
hidrogen (H 2), nitrogen (N 2), oksigen (O 2), fl uorine (F 2), dan
klorin (Cl 2). Anehnya, hanya dua elemen yang cair pada 25 ° C:
merkuri (Hg) dan bromin (Br 2).
Kami tidak tahu sifat dari semua elemen yang dikenal
karena beberapa dari mereka tidak pernah disiapkan dalam jumlah banyak
cukup besar untuk penyelidikan. Dalam hal ini, kita harus mengandalkan
tren periodik untuk memprediksi properti mereka. Apa peluangnya,
kemudian, menemukan unsur cair ketiga?
Mari kita lihat francium (Fr), anggota terakhir dari Grup 1A,
untuk melihat apakah itu mungkin cairan pada 25 ° C. Semua isotop francium
bersifat radioaktif. Isotop paling stabil adalah francium-223, yang
memiliki waktu paruh 21 menit. (Waktu paruh adalah waktu yang diperlukan
setengah dari nuklei dalam jumlah tertentu dari zat radioaktif
untuk hancur.) Waktu paruh yang singkat ini berarti hanya sekali
jejak kecil francium mungkin ada di Bumi. Dan meskipun demikian
layak untuk mempersiapkan fransium di laboratorium, tidak
kuantitas yang dapat ditimbang dari unsur tersebut telah disiapkan atau diisolasi.
Jadi, kami tahu sangat sedikit tentang fisik dan kimia francium
properti. Namun kita dapat menggunakan tren periodik grup
memprediksi beberapa properti tersebut.
Ambil titik leleh francium sebagai contoh. Jalan cerita
menunjukkan bagaimana titik leleh dari logam alkali bervariasi dengan
nomor atom. Dari litium ke natrium, titik leleh jatuh 81,4 °; dari natrium ke kalium, 34,6 °; dari potassium ke
rubidium, 24 °; dari rubidium ke caesium, 11 °. Atas dasar
Tren ini, kita dapat memprediksi bahwa perubahan dari cesium ke fransium
akan sekitar 5 °. Jika demikian, titik leleh fransium
akan sekitar 23 ° C, yang akan membuatnya menjadi cair di bawah atmosfer
kondisi.


Plot titik leleh dari logam alkali versus nomor atom mereka.
Dengan ekstrapolasi, titik leleh fransium harus 23 ° C.


Esai Chemistry in Action di atas menggambarkan satu aplikasi menarik
properti grup periodik.