Jag har försökt svara på min (gymnasies) dotter frågor om det periodiska systemet och reaktivitetsserien, men vi fortsätter att slå luckor i min kunskap.
Så jag visade att ädelgaserna har ett fullständigt yttre skal, varför de inte reagerar med någonting. Och över andra sidan av det periodiska systemet har vi kalium och natrium, som bara har en elektron i sitt yttre skal, vilket är det som gör dem så reaktiva, och högst upp på vår reaktivitetslista. (Och ju större de blir, desto mer reaktiva, varför vi inte fick spela med cesium i klass …)
Men sedan letade vi upp guld, som ligger längst ner i reaktivitetsserien, och fann att det också bara har en elektron i sitt yttersta skal (2-8-18-32- 18-1).
Finns det en enkel förklaring till varför guld inte gnistrar som kalium när du tappar det i vatten?
(Den här frågan kan omformuleras som ”Vilka egenskaper av varje element bestämmer deras ranking i metallreaktivitetsserier? ”om du föredrar; det var den ursprungliga frågan vi försökte svara på.)
Svar
För det första, guld gör reagera. Du kan bilda stabila guldlegeringar och guldföreningar. Det är bara svårt, mestadels av skäl som förklaras av annat svar
Anledningen till att bulkguldfast material till stor del är oreaktivt beror på att elektronerna i guld faller vid energier som få molekyler eller kemikalier matchar (dvs. på grund av relativistiska effekter).
En fin sammanfattning av något arbete av Jens K. Norskov finns här: http://www.thefreelibrary.com/What+makes+gold+such+a+noble+metal%3F-a017352490
I sina experiment skilde de mellan guldatomerns förmåga att bryta och bilda bindningar och hur lätt de bildar nya föreningar, såsom guldoxider. De två egenskaperna är relaterade: För att skapa en sammansättning måste guldatomer bindas till andra atomer, men ändå kan de inte göra det förrän de har sönderdelat sina bindningar med närliggande guldatomer.
Jag tycker att det här är en trevlig kortfattad förklaring. Du har alltid denna kompromiss i reaktioner, men i guld får du inte mycket energi i den nya sammansatta formationen, och du tappar guld-guld-interaktionerna.
Du kan naturligtvis , reagera guld med aggressiv reagens som aqua regia , en 3: 1-blandning av $ \ ce {HCl} $ och $ \ ce {HNO3} $.
Om det är korrekt gjort är produkten $ \ ce {HAuCl4} $ eller kloroaurinsyra .
Svar
Relativistiska effekter för guldets brist på reaktivitet. Guld har en tillräckligt tung kärna för att elektronerna måste färdas med hastigheter som närmar sig ljusets hastighet för att förhindra att de faller in i kärnan. Denna relativistiska effekt gäller de orbitaler som har märkbar densitet vid kärnan, som s och p-orbitaler. Dessa relativistiska elektroner får massa och som en följd därav kontraherar deras banor. Eftersom dessa s och (i viss mån) p-banor är kontraherande ed, de andra elektronerna i d- och f-orbitaler skärms bättre från kärnan och deras orbitaler expanderar faktiskt.
Eftersom 6s-banan med en elektron är sammandragen är denna elektron tätare bunden till kärnan och mindre tillgänglig för bindning med andra atomer. Orbitalerna 4f och 5d expanderar, men kan inte vara inblandade i bindningsbildning eftersom de är helt fyllda. Det är därför guld är relativt oreaktivt.
Om du vill se formlerna och matematiken bakom detta (det är inte så komplicerat) se här . Observera också att liknande argument förklarar kvicksilver ”avvikande egenskaper .
Kommentarer
- Det ' är inte bra att prata om " relativistisk massa " eftersom det innebär en förändring av de inneboende egenskaperna som inte finns ' t existerar.
- Varför ska 5p-orbitalerna dras samman? De är ändå tomma, plus att de har en nod i kärnan.
- @Karl $ \ ce {5p} $ orbital är upptagen i guld ($ \ ce {5p ^ 6} $). Till skillnad från d- och f-orbitaler har s-orbitaler och i mindre grad p-orbitaler en märkbar elektrontäthet nära kärnan. Som en följd, i tyngre element där de starkt lockas av kärnan kan de uppnå relativistiska hastigheter och uppleva andra relativistiska effekter som orbital kontraktion. Det här tidigare svaret kan vara användbart.
- (jag menade 6p, sorry.) Nåja, 5p6 tillhör [Xe] -kärnan i guldatomen. 6-talet krymper mycket och låter faktiskt 5p expandera så att de blir av liknande energi, vilket innebär att den kan delta i kemin. Vilket är vad du säger i det tidigare svaret.Jag ser ingen anledning att säga att 5p krymper, det är ändå långt under 4f14 och 5d10.
- @Karl p-orbitaler krymper på grund av relativistiska effekter, om än inte så mycket som s-orbitaler – se här eller google något som " relativistisk sammandragning av p-orbitaler " länkar tillhandahålls