Periodičnost svojstava elemenata
Svojstva koja su periodično slična
Alkalijski metali vrlo burno reagiraju s vodom, a halogeni elementi su vrlo jaka oksidacijska sredstva. To jako dobro znamo, a to je bilo jasno i kemičarima XIX. stoljeća, kad su i smišljena ta imena, skupina elemenata. No, nisu to sva svojstva koja se periodično ponavljaju među elementima.
Elektronska konfiguracija (Reakcije alkalijskih metala s vodom.)
Na primjer, nacrtamo li u odnosu na atomski broj graf atomskih polumjera, ionizacijske energije ili elektronskog afiniteta, uočit ćemo vrlo jasnu periodičnost tih svojstava. Takva opažanja su kemičare XIX. stoljeća prirodno navodile na pokušaje sistematizacije elemenata prema sličnosti njihovih svojstava.
Povijest periodnog sustava elemenata
Već je Antoine Laurent Lavoisier sastavio prvu tablicu tada poznatih 30 kemijskih "elemenata", koje je podijelio na metalne i nemetalne tvari, koje se tada dostupnim metodama nisu mogle razložiti na jednostavnije tvari. Ne treba nas čuditi da među tim "elementima" nalazimo i neke tvari za koje danas dobro znamo da su zapravo spojevi.
No, prvu pravu klasifikaciju elemenata sličnih svojstava prema njihovim atomskim masama napravio je 1829. Johann Wolfgang Döbereiner. On je, naime, opazio pravilnost u razlikama atomskih masa nekih kemijski srodnih elemenata te ih je podijelio u trijade.
Sljedeći značajan pomak je učinio John Alexander Reina Newlands, koji je 1865. poredao elemente prema rastućim atomskim masama u sedam vodoravnih nizova i uočio ponavljanje kemijskih svojstava kod svakog 8. elementa. Tako je, inspiriran glazbom, nastao Newlandov zakon oktava.
Ipak, najveće zasluge za otkriće periodnog sustava elemenata pripadaju Dmitrij Ivanoviču Mendeljejevu, (1834. – 1907.). On je uočio da se svojstva elemenata periodički ponavljaju nakon određenog broja elemenata. Iz navedenog je zaključio je da niz tada treba prekinuti, a elemente sličnih fizikalnih i kemijskih svojstava staviti jedan ispod drugoga.
Kad je 1869. godine D. I. Mendeljejev objavio svoju tablicu periodnog sustava elemenata, bila su poznata svega 63 kemijska elementa. Značajno je i da je taj periodni sustav omogućio i predviđanje tada nepoznatih elemenata, što je prošlo test vremena. Naime, Mendeljejev je za neke neotkrivene elemente ostavio prazna mjesta i predvidio ne samo njihovo postojanje, nego i njihova svojstva, kao i neka svojstva njihovih spojeva. Poslije su ta mjesta doista i popunjena.
Na fundamentalnoj razini, periodičnost svojstava elemenata jedna je od manifestacija kvantnomehaničke prirode atoma. Jasno je da to kemičari XIX. stoljeća nisu mogli znati, iako su opažali takva svojstva i uspješno ih empirijski klasificirali.
Kad je 1869. godine D. I. Mendeljejev objavio svoju tablicu periodnog sustava elemenata,
bila su poznata svega 63 kemijska elementa.
Taj periodni sustav omogućio i predikciju nepoznatih elemenata,
što je prošlo test vremena.
Naime, Mendeljejev je za neke neotkrivene elemente ostavio prazna mjesta.
Predvidio je i njihova svojstva i neka svojstva njihovih spojeva.
Poslije su ta mjesta doista i popunjena.
Periodičnost svojstava elemenata jedna je od manifestacija kvantnomehaničke prirode atoma.
Jasno je da to kemičari XIX. stoljeća nisu mogli znati,
iako su opažali takva svojstva i uspješno ih empirijski klasificirali.
Suvremeni periodni sustav elemenata
Suvremeni periodni sustav elemenata odraz je građe atoma, ali prvenstveno njegove elektronske konfiguracije. Svaki element je označen odgovarajućim simbolom, pod kojim je naznačena njegova relativna atomska masa, a s lijeve strane je naveden njegov atomski (protonski) broj. Raspored tih podataka ne mora biti uvijek takav, a u periodni sustav se mogu dodati još neki podatci, što ovisi o specifičnoj namjeni konkretnog izdanja.
Periodni sustav se sastoji od 7 redova, koje nazivamo periodama, te 18 stupaca, koji imaju značenje skupina elemenata.
Metali, koji čine većinu elemenata, zauzimaju lijevu stranu i sredinu periodnog sustava. Nemetale nalazimo na njegovojh desnoj strani. Na granici između metala i nemetala smješteni su polumetali.
Suvremeni periodni sustav elemenata odraz je
građe atoma i njegove elektronske konfiguracije.
Svaki element je označen odgovarajućim simbolom.
Pod simbolom je naznačena njegova relativna atomska masa,
a s lijeve strane je naveden njegov atomski (protonski) broj.
Raspored tih podataka ne mora biti uvijek takav.
U periodni sustav se mogu dodati još neki podatci.
To ovisi o specifičnoj namjeni konkretnog izdanja.
Periodni sustav se sastoji od 7 redova, perioda.
Ima 18 stupaca koji imaju značenje skupina elemenata.
Metali čine većinu elemenata.
Zauzimaju lijevu stranu i sredinu periodnog sustava.
Nemetale nalazimo na njegovoj desnoj strani.
Na granici između metala i nemetala smješteni su polumetali.
Kvantnomehanička podloga periodičnosti
U poglavlju o kvantnomehaničkom opisu strukture atoma, puno smo naučili o elektronskom oblaku i njegovoj strukturi. No, ostavili smo ga praznog, a sad je došlo vrijeme i da ga popunimo. Vidjet ćemo da je to popunjavanje elektronskog oblaka zapravo fundamentalna podloga opažene periodičnosti svojstava kemijskih elemenata.
Elektronska konfiguracija – kako se popunjava elektronski oblak
Elektronska konfiguracija atoma je prikaz rasporeda elektrona po ljuskama i orbitalama. Ona se, kao i toliko toga što proizlazi iz kvantne mehanike, može prikazivati samo shematski.
Za atom vodika, nejjednostavniji atom, elektronsku konfiguraciju, u terminima kvantnih brojeva, zapisujemo ovako:
Orbitale se popunjavaju elektronima redom od orbitala niže prema orbitalama više energije, a energije elektrona u orbitalama su poredane kao na sljedećoj slici:
Ukupan broj elektrona u svim orbitalama nenabijenog atoma nekog elementa jednak je protonskom broju tog elementa. Orbitale se popunjavaju elektronima od niže prema višoj energiji, a redoslijed popunjavanja orbitala se može prikazati i shemom pravila dijagonala:
Smještaj elemenata u periodnom sustavu
Periodni sustav elemenata sastoji se od 7 perioda, koliko ima i energijskih razina u Bohrovom modelu atoma. Svaka perioda, osim prve, počinje s alkalijskkim metalom, a završava s plemenitim plinom. Nova perioda započinje s popunjavanjem nove ljuske elektronima. Duž određene periode svojstva elemenata se značajno mijenjaju upravo zbog različitoga broja elektrona u valentnoj ljusci. Atomi svih elemenata koji se nalaze u istoj periodi imaju isti broj ljusaka.
Periodni sustav se sastoji i od 18 stupaca, koji čine skupine elemenata. Kemijska svojstva elemenata iste skupine su slična, ali ne i jednaka. Naime, elektroni valentne ljuske s porastom protonskoga broja, odnosno s povećanjem broja ljusaka, sve su udaljeniji od jezgre. Osim označavanja brojevima, neke skupine imaju i posebne nazive, koji proizlaze iz karakterističnih kemijskih svojstava elemenata.
Periodni sustav elemenata sastoji se od 7 perioda.
Toliko ima i energijskih razina u Bohrovom modelu atoma.
Svaka perioda, osim prve, počinje s alkalijskim metalom,
a završava s plemenitim plinom.
Nova perioda započinje s popunjavanjem nove ljuske elektronima.
Duž određene periode svojstva elemenata se značajno mijenjaju upravo zbog
različitoga broja elektrona u valentnoj ljusci.
Atomi svih elemenata koji se nalaze u istoj periodi imaju isti broj ljusaka.
Periodni sustav se sastoji i od 18 stupaca.
Stupci čine skupine elemenata.
Kemijska svojstva elemenata iste skupine su slična, ali ne i jednaka.
Elektroni valentne ljuske s porastom protonskoga broja,
odnosno s povećanjem broja ljusaka, sve su udaljeniji od jezgre.
Osim označavanja brojevima, neke skupine imaju i posebne nazive.
Ti nazivi proizlaze iz karakterističnih kemijskih svojstava elemenata.
1. skupina → ALKALIJSKI METALI.
Oni u valentnoj ljusci imaju samo jedan s-elektron.
Za njih karakteristična vrlo mala ionizacijska energija i vrlo mali elektronski afinitet.
Zato su oni vrlo reaktivni.
Vrlo burno reagiraju s vodom dajući jake lužine, pa im otuda i dolazi naziv.
2. skupina → ZEMNOALKALIJSKI ELEMENTI
Oni u valentnoj ljusci imaju dva s-elektrona.
To čini tu orbitalu popunjenom.
Za ove elemente također je karakteristična mala ionizacijska energija i mali elektronski afinitet.
Ta svojstva su slabije izražena u odnosu na alkalijske metale.
Spojevi tih metala su česti sastojci Zemljine kore.
U reakciji s vodom stvaraju lužine pa se nazivaju zemnoalkalijskim elementima.
Elementi 13., 14. i 15. skupine
Dobili su ime po prvom elementu u skupini.
Nazivamo ih borova, ugljikova i dušikova skupina elemenata.
Kod tih elemenata je popunjena s-orbitala valentne ljuske,
a p-orbitale se postupno popunjavaju.
16. skupina → HALKOGENI ELEMENTI
Karakterizirani su konfiguracijom valentne ljuske ns2 np4.
Ti elementi imaju velik elektronski afinitet pa su relativno jaki oksidansi.
Česti su sastojci ruda, iz čega im potječe i ime.
17. skupina → HALOGENI ELEMENTI
Karakterizirani su konfiguracijom valentne ljuske ns2 np5.
Dakle, njima za popunjavanje valentne ljuske nedostaje samo 1 p-elektron, pa zato imaju vrlo velik elektronski afinitet.
To ih čini vrlo jakim oksidansima.
Njihovi karakteristični spojevi su ionski, tj. soli, pa im odatle i potječe naziv.
18. skupina→PLEMENITI PLINOVI
Imaju potpuno popunjenu valentnu ljusku.
To ih čini kemijski inertnima pri standardnim uvjetima. T
Zbog te su popunjenosti valentne ljuske svi u plinovitom stanju.
Ime su dobili prema svojstvu da, u pravilu, ne reagiraju s drugim elementima.
3. – 12. skupina → PRIJELAZNI METALI
Kod njih je popunjena ns orbitala.
Popunjavanje elektronskog omotača završava popunjavanjem (n-1)d orbitala.
Dakle, svi oni imaju u valentnoj ljusci 2 s-elektrona.
Njihova su kemijska svojstva međusobno relativno slična.
Lantanidi i aktinidi su elementi kod kojih je popunjena ns orbitala.
Popunjavanje elektronskog omotača završava popunjavanjem (n-2)f orbitala.
Ti elektroni još manje od d-elektrona utječu na kemijska svojstva.
To te elemente čini međusobno vrlo sličnima.