Jeg har prøvet at besvare min (gymnasiums) datters spørgsmål om det periodiske system og reaktivitetsserien, men vi fortsætter med at ramme huller i min viden.
Så jeg viste, at de ædle gasser har en fuld ydre skal, hvorfor de ikke reagerer med noget. Og så over den anden side af det periodiske system har vi kalium og natrium, som kun har en elektron i deres ydre skal, hvilket er det, der gør dem så reaktive, og øverst på vores reaktivitetsliste. (Og jo større de bliver, jo mere reaktive, hvorfor vi ikke fik lov til at lege med cæsium i klasse …)
Men så kiggede vi op guld, der er i bunden af reaktivitetsserien, og fandt ud af, at det også kun har en elektron i sin yderste skal (2-8-18-32- 18-1).
Er der en let forklaring på, hvorfor guld ikke fizzer som kalium, når du taber det i vand?
(Dette spørgsmål kan omformuleres som “Hvilke egenskaber af hvert element bestemmer deres placering i metalreaktivitetsserier? “hvis du foretrækker det; det var det originale spørgsmål, vi forsøgte at besvare.)
Svar
Først og fremmest, guld gør reagere. Du kan danne stabile guldlegeringer og guldforbindelser. Det er bare svært, for det meste af grunde, der forklares med andet svar
Årsagen til, at massivt guldfast stof stort set ikke er reaktivt, er fordi elektronerne i guld falder ved energier, som kun få molekyler eller kemikalier matcher (dvs. på grund af relativistiske effekter).
En flot sammenfatning af noget arbejde af Jens K. Norskov kan findes her: http://www.thefreelibrary.com/What+makes+gold+such+a+noble+metal%3F-a017352490
I deres eksperimenter skelner de mellem guldatomer. at bryde og danne bindinger og den lethed, hvormed de danner nye forbindelser, såsom guldoxider. De to kvaliteter hænger sammen: For at fremstille en forbindelse skal guldatomer binde sig til andre atomer, men alligevel kan de ikke gøre det, før de har udslettet deres bånd med nærliggende guldatomer.
Jeg synes, det er en dejlig kortfattet forklaring. Du har altid denne kompromis med reaktioner, men i guld får du ikke meget energi i den nye sammensatte dannelse, og du mister guld-guld-interaktionerne.
Du kan selvfølgelig , reagerer guld med aggressiv reagenser som aqua regia , en 3: 1-blanding af $ \ ce {HCl} $ og $ \ ce {HNO3} $.
Hvis det er korrekt gjort, er produktet $ \ ce {HAuCl4} $ eller kloraursyre .
Svar
Konto for relativistiske effekter for guld mangler reaktivitet. Guld har en tung nok kerne til, at dens elektroner skal bevæge sig med hastigheder, der nærmer sig lysets hastighed for at forhindre dem i at falde i kernen. Denne relativistiske effekt gælder for de orbitaler, der har mærkbar tæthed ved kernen, som s og p-orbitaler. Disse relativistiske elektroner får masse og som følge heraf kontraherer deres kredsløb. Da disse s og (til en vis grad) p-baner er kontrakt ed, er de andre elektroner i d og f orbitaler bedre screenet fra kernen, og deres orbitaler udvides faktisk.
Da 6ers orbital med en elektron er kontraheret, er denne elektron tættere bundet til kernen og mindre tilgængelig til binding med andre atomer. 4b- og 5d-orbitalerne udvides, men kan ikke være involveret i dannelse af obligationer, da de er fuldstændigt fyldte. Derfor er guld relativt ureaktivt.
Hvis du gerne vil se formlerne og matematikken bag dette (det er ikke så kompliceret) se her . Bemærk også, at lignende argumenter forklarer kviksølv “s uregelmæssige egenskaber .
Kommentarer
- Det ' er ikke godt at tale om " relativistisk masse " da det indebærer en ændring i de iboende egenskaber, der ikke findes ' t.
- Hvorfor skal 5p-orbitalerne trække sig sammen? De er alligevel tomme, plus de har en node i kernen.
- @Karl $ \ ce {5p} $ orbital er optaget i guld ($ \ ce {5p ^ 6} $). I modsætning til d og f orbitaler har s orbitaler og i mindre grad p orbitaler en mærkbar elektrondensitet nær kernen. Som en konsekvens, i tungere elementer, hvor de er stærkt tiltrukket af kernen, kan de nå relativistiske hastigheder og opleve andre relativistiske effekter såsom kredsløbskontraktion. Dette tidligere svar kan være nyttigt.
- (jeg mente 6p, undskyld.) Nå ja, 5p6 tilhører [Xe] kernen i guldatomet. 6erne krymper meget og lader faktisk 5p udvide sig, så de bliver af lignende energi, hvilket betyder, at den kan deltage i kemien. Hvilket er hvad du siger i det tidligere svar.Jeg ser ingen grund til at sige 5p krymper, det er alligevel et godt stykke under 4f14 og 5d10.
- @Karl p orbitaler krymper på grund af relativistiske effekter, omend ikke så meget som s orbitaler – se her eller google noget som " relativistisk sammentrækning af p-orbitaler " links leveret