Ich habe versucht, die Fragen meiner (Highschool-) Tochter zum Periodensystem und zur Reaktivitätsreihe zu beantworten, aber wir stoßen immer wieder auf Lücken Mein Wissen.
Also habe ich gezeigt, dass die Edelgase eine volle Außenhülle haben, weshalb sie mit nichts reagieren. Und dann haben wir auf der anderen Seite des Periodensystems Kalium und Natrium. die nur ein Elektron in ihrer äußeren Hülle haben, was sie so reaktiv macht und ganz oben auf unserer Reaktivitätsliste steht. (Und je größer sie werden, desto reaktiver, weshalb wir nicht mit Cäsium spielen durften Klasse …)
Aber dann haben wir nach Gold gesucht, das sich am Ende der Reaktivitätsreihe befindet, und festgestellt, dass es auch nur ein Elektron in seiner äußersten Schale hat (2-8-18-32- 18-1).
Gibt es eine einfache Erklärung dafür, warum Gold nicht wie Kalium sprudelt, wenn Sie es in Wasser fallen lassen?
(Diese Frage könnte als „Welche Eigenschaften“ umformuliert werden von jedem Element entscheiden ihre Rangfolge in der Metallreaktivitätsreihen? „wenn Sie es vorziehen; Das war die ursprüngliche Frage, die wir zu beantworten versuchten.)
Antwort
Zunächst einmal tut Gold reagieren. Sie können stabile Goldlegierungen und Goldverbindungen bilden. Es ist nur schwer, hauptsächlich aus Gründen, die durch die andere Antwort
erklärt werden Gold fällt bei Energien, mit denen nur wenige Moleküle oder Chemikalien übereinstimmen (dh aufgrund relativistischer Effekte).
Eine schöne Zusammenfassung einiger Arbeiten von Jens K. Norskov finden Sie hier: http://www.thefreelibrary.com/What+makes+gold+such+a+noble+metal%3F-a017352490
In ihren Experimenten unterschieden sie die Fähigkeit zwischen Goldatomen zu brechen und Bindungen zu bilden und die Leichtigkeit, mit der sie neue Verbindungen wie Goldoxide bilden. Die beiden Eigenschaften hängen zusammen: Um eine Verbindung herzustellen, müssen sich Goldatome mit anderen Atomen verbinden, können dies jedoch erst, wenn sie ihre Bindungen mit benachbarten Goldatomen getrennt haben.
Ich denke, dies ist eine schöne, prägnante Erklärung. Sie haben immer diesen Kompromiss bei den Reaktionen, aber bei Gold erhalten Sie nicht viel Energie in der neuen Verbindungsbildung und verlieren die Gold-Gold-Wechselwirkungen.
Das können Sie natürlich Reagieren Sie Gold mit aggressiven Reagenzien wie Königswasser , eine 3: 1-Mischung aus $ \ ce {HCl} $ und $ \ ce {HNO3} $.
Bei richtiger Ausführung ist das Produkt $ \ ce {HAuCl4} $ oder Chlorwasserstoffsäure .
Antwort
Konto für relativistische Effekte Gold hat einen Kern, der schwer genug ist, dass seine Elektronen sich mit einer Geschwindigkeit bewegen müssen, die der Lichtgeschwindigkeit nahe kommt, um zu verhindern, dass sie in den Kern fallen. Dieser relativistische Effekt gilt für jene Orbitale, die am Kern eine nennenswerte Dichte aufweisen. wie s- und p-Orbitale. Diese relativistischen Elektronen gewinnen an Masse und infolgedessen ziehen sich ihre Bahnen zusammen. Da diese s- und (bis zu einem gewissen Grad) p-Bahnen kontrahieren Die anderen Elektronen in d- und f-Orbitalen werden besser vom Kern abgeschirmt und ihre Orbitale dehnen sich tatsächlich aus.
Da das 6s-Orbital mit einem Elektron kontrahiert ist, ist dieses Elektron fester an den Kern gebunden und weniger für die Bindung mit anderen Atomen verfügbar. Die 4f- und 5d-Orbitale dehnen sich aus, können jedoch nicht an der Bindungsbildung beteiligt sein, da sie vollständig gefüllt sind. Deshalb ist Gold relativ unreaktiv.
Wenn Sie die Formeln und die Mathematik dahinter sehen möchten (es ist nicht allzu kompliziert) siehe hier . Beachten Sie auch, dass ähnliche Argumente erklären, dass Quecksilber anomal ist Eigenschaften .
Kommentare
- ‚ ist nicht gut, über “ relativistische Masse „, da dies eine Änderung der intrinsischen Eigenschaften impliziert, die ‚ nicht existiert.
- Warum sollten sich die 5p-Orbitale zusammenziehen? Sie sind sowieso leer und haben einen Knoten im Kern.
- @Karl Das Orbital $ \ ce {5p} $ ist mit Gold besetzt ($ \ ce {5p ^ 6} $). Im Gegensatz zu d- und f-Orbitalen haben s-Orbitale und in geringerem Maße p-Orbitale eine nennenswerte Elektronendichte in der Nähe des Kerns. Infolgedessen können sie in schwereren Elementen, in denen sie stark vom Kern angezogen werden, relativistische Geschwindigkeiten erreichen und andere relativistische Effekte wie die Orbitalkontraktion erfahren. Diese frühere Antwort kann nützlich sein.
- (ich meinte 6p, sorry.) Ah, 5p6 gehört zum [Xe] -Kern von das Goldatom. Die 6s schrumpfen stark und lassen die 5p tatsächlich expandieren, so dass sie eine ähnliche Energie haben, was bedeutet, dass sie an der Chemie teilnehmen können. Welches ist, was Sie in dieser früheren Antwort sagen.Ich sehe keinen Grund zu sagen, dass 5p schrumpft, es liegt sowieso weit unter 4f14 und 5d10.
- @Karl p-Orbitale schrumpfen aufgrund relativistischer Effekte, wenn auch nicht so stark wie s-Orbitale – siehe hier oder googeln Sie so etwas wie “ relativistische Kontraktion von p-Orbitalen “ und sehen Sie einige der Links bereitgestellt