Jaksollinen järjestelmä#
Taustaa#
Vuonna 1869 venäläinen kemisti Dmitri Mendelejev kehitti ensimmäisen jaksollisen järjestelmän, joka perustui atomien massoihin ja kemiallisiin ominaisuuksiin. Mendelejev huomasi, että kun hän järjesti alkuaineet kasvavan atomimassan mukaan, joillakin alkuaineilla oli samanlaisia kemiallisia ominaisuuksia ja että nämä ominaisuudet toistuivat säännönmukaisesti. Bohrin atomimallin mukaan nämä samankaltaisuudet johtuvat elektronikuorien rakenteesta atomiytimen ympärillä.
Katso aiheeseen liittyvä 10 minuutin video YLE Areenasta.
Taulukon rakenne#
Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä on taulukko, jossa alkuaineet on järjestetty kasvavan järjestysluvun mukaisesti. Suurin osa alkuaineista on metalleja. Epämetalleja on 11 kpl (kuvassa vihreällä pohjalla), vaikkakin useissa kemian lähdemateriaaleissa jaksollisen järjestelmän oikeassa reunassa olevat jalokaasut luetaan myös epämetalleihin. Lisäksi on olemassa puolimetalleja, joilla voi esiintyä niin metallien ja epämetallien ominaisuuksia. Jaksollisen järjestelmän vaakarivit ovat nimeltään jaksoja ja pystysarakkeet ryhmiä.
Fig. 11 Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä, lähde: Ptable.com#
Interaktiivinen jaksollinen järjestelmä: Mihin alkuaineita käytetään?
Jaksoja, eli vaakarivejä, on 7 kappaletta. Alkuaineen jakson numero vastaa atomin elektronikuorien lukumäärää. Ryhmiä taasen on 18. Ryhmät 1–2 ja 13–18 ovat pääryhmiä ja ryhmät 3–12 sivuryhmiä. Pääryhmiä merkitään tässä materiaalissa roomalaisilla numeroilla. Pääryhmillä on lisäksi omat nimensä.
Pääryhmä |
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Ryhmä |
1 |
2 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
Nimi |
alkalimetallit |
maa-alkalimetallit |
booriryhmä |
hiiliryhmä |
typpiryhmä |
happiryhmä |
halogeenit |
jalokaasut |
Saman pääryhmän alkuaineilla on samankaltaiset kemialliset ominaisuudet, mikä johtuu siitä, että pääryhmän numero vastaa atomin uloimmalla elektronikuorella olevien elektronien lukumäärää.
Tämä onkin yksi tärkeimmistä, ellei tärkein, asia ymmärtää kemiasta:
Uloimman elektronikuoren rakenne eli ulkoelektronien lukumäärä määrää alkuaineen kemialliset ominaisuudet.
Kun muistamme oktettisäännön, niin päärymien alkuaineiden kemialliset ominaisuudet voidaan päätellä suoraan jaksollisesta järjestelmästä.
Sivuryhmien alkuaineita nimitetään nimellä siirtymämetallit. Näillä metalliatomeilla on elektroneja neljännellä elektronikuorella eli N-kuorella. Bohrin atomimalli ei kuitenkaan enää ole riittävä selittämään niiden kemiallisia ominaisuuksia tai elektronirakennetta, sillä neljännen jakson alkuaineiden atomeilla elektronien täyttyminen kolmannelle kuorelle jatkuu, kun neljännellä kuorella on ensin kaksi ulkoelektronia. Tämän selittämiseen on kehitetty kvanttimekaaninen atomimalli, orbitaalimalli, jossa elektronien sijaintia atomien ympärillä ei enää kuvata kuorilla vaan eri muotoisilla kolmiulotteisilla orbitaaleilla.
Lisäksi jaksollisen järjestelmän alareunaan on erikseen sijoitettu lantanoidit ja aktinoidit syystä, että näiden kuudennen ja seitsemännen jakson alkunaineiden atomeilla on samalla kuorella niin paljon elektroneja, että jaksollisesta järjestelmästä tulisi hyvin leveä. Ptablen voi halutessaan muuttaa leveään muotoon yläreunassa löytyvästä napista.
Fig. 12 Vaihtoehtoisia tapoja esittää alkuaineiden jaksollinen järjestelmä. Lähde: Periodic Table of the Elements, in Pictures and Words © 2005-2016 Keith Enevoldsen elements.wlonk.com#
Ominaisuuksia#
Jaksollisen järjestelmän avulla voidaan ennustaa alkuaineiden ominaisuuksia, kuten atomi- ja ionisäteen suhteellista kokoa, ionisoitumisenergiaa, hapetuslukuja, elektronegatiivisuuden suhteellista arvoa sekä reaktiivisuutta. Tässä linkki Taulukot.com-sivustolle.
Atomisäde kasvaa mentäessä ryhmässä alaspäin, koska elektronikuorien lisääntyessä ulkoelektronit ovat yhä kauempana ytimestä. Atomisäde kuitenkin pienenee kasvaa mentäessä jaksollisessa järjestelmässä vasemmalta oikealle, koska kasvavan positiivisen ytimen suhteellinen kyky vetää uloimman kuoren elektroneja kasvaa.
Yleisin hapetusluku voidaan pääryhmien alkuaineiden osalta päätellä ryhmän perusteella. Metallit luovuttavat ulkoelektroneja ja epämetallit vastaanottavat elektroneja siten, että taustalla vaikuttaa pyrkimys oktettiin eli pysyvään kahdeksan ulkoelektronin rakenteeseen. Epämetalleilla on kuitenkin kyky esiintyä kemiallisissa yhdisteissä useilla eri hapetusluvuilla, samoin kuin siirtymämetallit johtuen niiden monimutkaisemmasta elektronikonfiguraatiosta.
Ionisoitumisenergia on energia, joka vaaditaan irrottamaan elektroni atomin uloimmalta kuorelta. Ionisaatioenergia on aina positiivinen, koska energiaa vaaditaan, jotta atomin elektroni irtoaa sen neutraalista perustilasta, joka vastaa energiaminimiä.
Elektronegatiivisuus kuvaa suhteellista kykyä, joka atomilla on vetää yhteisiä sidoselektroneja puoleensa kemiallisissa sidoksissa.
Elektroniaffiniteetti kuvaa energiaa, joka vapautuu, kun atomi vastaanottaa elektronin ja muuttuu ioniksi. Jaksollisessa järjestelmässä elektroniaffiniteetti kasvaa siirryttäessä riveillä vasemmalta oikealle ja sarakkeessa ylhäältä alaspäin.
Ionisoitumisenergia, elektronegatiivisuus ja elektroniaffiniteetti kasvavat atomikoon pienentyessä, kun jaksollisessa järjestelmässä mennään vasemmalta oikealle ja alhaalta ylös, koska ulkoelektronien kokema protonien suhteellinen vetovoima kasvaa.
Reaktiivisuus kuvaa kykyä, joka atomilla on reagoida muiden atomien kanssa kemiallisissa reaktioissa. Esimerkiksi alkalimetallit, joilla on yksi ulkoelektroni, reagoivat hyvin kiivaasti. Reaktiivisuus vaihtelee jaksollisessa järjestelmässä ja riippuu monista tekijöistä, kuten elektronirakenteesta, elektronegatiivisuudesta ja ionisaatioenergiasta.
Tiivistelmä#
Jaksollisessa järjestelmässä
alkuaineet on järjestetty kasvavan järjestysluvun mukaan
vaakarivit ovat nimeltään jaksoja ja pystyrivit ryhmiä
saman jakson alkuaineilla on yhtä monta elektronikuorta
saman ryhmän alkuaineilla on yhtä monta ulkoelektronia
saman ryhmän alkuaineet ovat kemiallisilta ominaisuuksiltaan samankaltaiset.
Ryhmät 1–2 ja 13–18 (I - VIII) ovat pääryhmiä ja ryhmät 3–12 sivuryhmiä.
Kaikilla pääryhmillä on erityisnimet.
Uloimman elektronikuoren rakenne eli ulkoelektronien lukumäärä määrää alkuaineen ominaisuudet!