Metallit ja epämetallit

Jaksollinen järjestelmä jakaa alkuaineet karkeasti metalleihin, epämetalleihin ja puolimetalleihin. Tarkempi tarkastelu tekee eron vielä siirtymämetalleihin sekä jalokaasuihin, jotka useissa lähdemateriaaleissa luetaan epämetalleiksi. Jalokaasut eivät kuitenkaan reagoi kemiallisesti kuten epämetallit, joten tässä oppimateriaalissa jalokaasuja ei lueta epämetalleiksi.

Kemiallisisten reaktioiden tarkempi tarkastelu osoittaa reaktioiden olevan elektronien siirtoreaktioita. Atomit voivat siis luovuttaa tai vastaanottaa elektroneitaan, tai jakaa niitä yhteiseen käyttöön. Taustalla vaikuttaa atomien pyrkimys pysyvään energiaminimitilaan eli oktettiin, jossa atomilla on Bohrin atomimallin mukaisesti kahdeksan ulkoelektronia.

Metallit

Metallit

ovat alkuaineita, joiden atomit pyrkivät luovuttamaan ulkoelektroneitaan saavuttaakseen Bohrin atomimallin mukaisen oktetin.

Pääryhmien I-III metalleilla on ulkoelektroneita (ryhmästä riippuen) 1-3. Niille on siis suotuisampaa luovuttaa kyseiset ulkoelektronit pois kuin vastaanottaa useita lisää.

Esimerkki: natrium ja kalsium

Natrium (Na) on alkalimetalli, jolla on kolme elektronikuorta ja yksi ulkoelektroni. Luovuttaessaan uloimman elektroninsa, se saavuttaa Neonin elektronirakenteen. Natrium, kuten muut alkalimetallit, esiintyvät täten vain +1 ioneina.

Kalsium (Ca) on maa-alkalimetalli, jolla on kaksi ulkoelektronia. Luovuttaessaan kummankin ulkoelektroninsa, se saavuttaa Argonin elektronirakenteen. Magnesium, kuten muut maa-alkalimetallit, esiintyvät täten vain +2 ioneina.

Kolmannen pääryhmän metallit eli alumiini (Al), Gallium (Ga) ja Indium (In) esiintyvät Bohrin atomimallin mukaisesti +3 ioneina. On kuitenkin havaittu yhdisteitä, joissa booriryhmän metallit esiintyvät myös +1 ioneina. Tämä selittyy, kun tarkastellaan kyseisen ryhmän metalliatomien orbitaaleja. Niillä on yksi ainoa elektroni korkeimmalla p-orbitaalilla, mikä mahdollistaa joissain harvinaisissa tapauksessa +1 ionin muodostumisen.

Epämetallit

Epämetallit

ovat alkuaineita, joiden atomit pyrkivät vastaanottamaan elektroneita toisilta atomeilta tai ioneilta saavuttaakseen Bohrin atomimallin mukaisen oktetin.

Pääryhmien IV-VII epämetalleilla on ulkoelektroneita (ryhmästä riippuen) 4-7. Niille on siis suotuisampaa vastaanottaa lisää elektroneita uloimmalle kuorelleen kuin luovuttaa niitä.

Esimerkki: fluori ja hiili

Fluori (F) on halogeeni, jolla on kaksi elektronikuorta ja seitsemän ulkoelektronia. Vastaanottaessaan yhden elektronin lisää, se saavuttaa Neonin elektronirakenteen. Fluori, kuten muut halogeenit, esiintyvät täten yleensä vain -1 ioneina.

Fosfori-atomeilla (P) on kolme elektronikuorta ja viisi ulkoelektronia. Päästäkseen oktettiin se vastaanottaa kolme elektronia lisää ja saavuttaa Argonin elektronirakenteen. Tällöin syntyy negatiivinen fosfidi-ioni. Fosfori pystyy kuitenkin myös luovuttamaan kolme elektronia, mitä Bohrin atomimalli ei pysty selittämään. Orbitaaleja tarkastellessa voidaan havaita, että fosforin korkeimmalla energiatasolla, 3p-orbitaalilla, on kolme elektronia saman suuntaisin spinein (Hundin sääntö). Täten kvanttimekaaninen atomimalli pystyy selittämään fosforin kyvyn myös luovuttaa elektroneja.

Hiili (C) on ainoa epämetalli pääryhmässä IV. Sillä on kaksi elektronikuorta ja neljä ulkoelektronia. Hiili ei esiinny \(\pm\)4 ionina, vaan se jakaa ulkoelektroneitaan yhteiseen käyttöön toisten epämetalliatomien kanssa. Asiaan palataan kovalenttisen sidoksen yhteydessä.

Puolimetallit

Puolimetallien ryhmä ei ole selkeästi määritelty tai rajattu, vaan se voi lähteestä riippuen sisältää hieman eri alkuaineita. Tyypillistä puolimetalleille kuitenkin on, että niillä on sekä metallien että epämetallien ominaisuuksia tietyissä olosuhteissa. Ne myös johtavat sähköä, mutta yleensä heikommin kuin metallit. Siksi piitä, telluuria ja antimonia kutsutaan puolijohteiksi. Esimerkiksi pii on tärkeä puolijohtajien ja mikrosirujen valmistuksessa, sillä sen sähkönjohtokykyyn voidaan vaikuttaa.