Pääryhmät I - VIII

Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineiden metalliset ominaisuudet kasvavat mentäessä ryhmässä alaspäin ja jaksoissa vasemmalle. Pääryhmillä I - VIII on omat nimensä alla olevan taulukon mukaisesti.

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

Fig. 13 Jaksollisen järjestelmän pääryhmät I-VIII, kuvan lähde: Ptable

I Alkalimetallit

Alkalimetalleilla on vain yksi elektroni uloimmalla kuorellaan (s-orbitaalilla). Ne pyrkivät saavuttamaan oktettirakenteen luovuttamalla pois tämän ulkoelektroninsa, minkä seurauksena niiden varaus ionina on aina +1.

Alkalimetallit ovatkin erittäin reaktiivisia ja muodostavat helposti yhdisteitä muiden alkuaineiden kanssa. Niinpä ne eivät esiinny luonnossa alkuaineina. Alkalimetallit hapettuvat ollessaan kosketuksissa ilman kanssa, jolloin niiden metallikiilto himmenee. Alkalimetallit reagoivat hyvin voimakkaasti veden kanssa, jolloin syntyy alkalimetallihydroksidia (XOH, jossa X on alkalimetalli) ja vetykaasua (alkuainevetyä H₂). Reaktiossa vapautuu erittäin paljon lämpöenergiaa (eksoterminen reaktio), minkä vuoksi muodostunut vetykaasu voi räjähtää ilmassa olevan hapen kanssa.

Tärkeimmät alkalimetallit ovat natrium (Na) ja kalium (K). Natriumhydroksidi (NaOH) tunnetaan nimellä lipeä, jota käytettiin ennen pyykinpesussa. Tänä päivänä natriumhydroksidi on tärkeä teollisuuden kemikaali sen voimakkaan emäksisyyden johdosta. Kidevedellistä natriumkarbonaattia eli kidesoodaa (Na₂CO₃ \(\cdot\) 10 H₂O) käytetään maalin tarttuvuuden lisäämiseen pesemällä maalattavat pinnat kidesoodan vesiliuoksella. Natriumvetykarbonaatti (NaHCO₃) tunnetaan paremmin ruokasoodana, jota käytetään leivinjauheena sekä liuosten neutralointiin, kuten vatsalaukun liikahappoisuuden eli närästyksen hillitsemiseen.

Natriumkloridi (NaCl) tunnetaan ruokasuolana ja kaliumkloridia (KCl) myydään kaupoissa mineraalisuolana. Natrium ja kalium ovat myös vastuussa eläinsolujen lepopotentiaalista, joka tarkoittaa sitä, että solujen sisäpuolella vallitsee negatiivinen varaus ja ulkopuolella positiivinen. Jännite-ero syntyy, kun solukalvon tärkein proteiini natrium-kaliumpumppu (ns. Na-K-ATPaasi) pumppaa kolme Na⁺-ionia ulos ja kaksi K⁺-ionia solun sisään. Kaliumnitraatti (KNO₃) on tärkeä maatalouden lannoite. Litiumkobolttioksidia (LiCoO₂) puolestaan käytetään litiumakkujen katodimateriaalina.

II Maa-alkalimetallit

Maa-alkalimetalleilla on aina kaksi ulkoelektronia (samalla s-orbitaalilla eri merkkisin spinein), mikä tekee niistä hieman vähemmän reaktiivisia kuin vastaavat alkali-metallit. Maa-alkalimetallit pyrkivät pääsemään oktettiin luovuttamalla nämä kaksi ulkoelektroniaan, minkä johdosta ne esiintyvät aina +2 ionina. Myös maa-alkalimetallit hapettuvat ollessaan kosketuksissa ilman kanssa. Niiden vesiliuokset ovat emäksisiä, mistä tulee niiden nimitys “alkali”-emäs.

Kalsium on maankuoren kolmanneksi yleisin metalli ja yksi tärkeimmistä maa-alkalimetalleista. Esimerkiksi ihmisen luuston kova pintakerros on kalsiumfluoridia (CaF₂) ja sisäosa eli luumassa kalsiumfosfaattia (Ca₃(PO₄)₂). Kipsi on kidevedellistä kalsiumsulfaattia (CaSO₄ \(\cdot\) 2 H₂O). Luonnossa maaperään kerrostunut kalkkikivi on enimmäkseen kalsiumkarbonaattia (CaCO₃) eli kalsiittia. Puhtaana ja kiteytyneenä kalsiittia kutsutaan marmoriksi. Kalsiumoksidi (CaO) eli poltettu kalkki on käytössä useilla eri teollisuudenaloilla, kuten maataloudessa, jossa se auttaa vähentämään maaperän happamuutta. Kalsiumhydroksidi (Ca(OH)₂) eli sammutettu kalkki on käytössä laajasti esimerkiksi rakennusmateriaalien valmistuksessa ja vesienkäsittelyssä.

Fig. 14 Kalkkikiven poltto ja sammutus, kuvan lähde: Wikipedia

Toinen tärkeä maa-alkalimetalli on kevyt mutta kestävä magnesium, jota saadaan merivedestä. Magnesiumilla on monia käyttötarkoituksia esimerkiksi elektroniikka-, auto-, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa. Se tarjoaa etuja muihin rakenteellisiin materiaaleihin, kuten alumiiniin, verrattuna, mutta magnesiumin käyttöä haittaa sen kyky syttyä helposti. Magnesiumin palaessa syntyy magnesiumoksidia (MgO), joka on yksi yleisimmistä magnesiumyhdisteistä. Magnesiumoksidista valmistettuja levyjä voidaan käyttää palonkestävänä ja kestävänä rakennusmateriaalina. Lisäksi silkä on käyttökohteita lääketieteellisissä sovelluksissa ja maataloudessa. Dolomiitti on kalkkikiveä, joka sisältää yli 7 % magnesiumkarbonaattia (MgCO₃).

III Booriryhmä eli maametallit

Booriryhmä on jaksollisen järjestelmän kolmas pääryhmä. Ryhmän alkuaineilla on kolme ulkoelektronia, jotka ovat sijoittuneet kahdelle s-orbitaalille ja yhdelle p-orbitaalille. Booriryhmän alkuaineet pyrkivät metallimaisina (booria lukuunottamatta) usein luovuttamaan ulkoelektroninsa, jolloin niiden ionivaraus on +3. Alumiini (Al) on maankuoren yleisin metalli ja se luetaan kevytmetalliksi (tiheys alle 5 kg/dm³), sillä sen tiheys on 2.7 kg/dm³. Alumiinilla on hyvä lämmön- ja sähkönjohtokyky, ja se onkin yleinen materiaali sähköjohdoissa, kuten runkoverkoissa, vaikkakin sen sähkönjohtavuus on noin 60 % kuparista vastaavasta.

Alumiini on passivoituva metalli, sillä se muodostaa luonnostaan erittäin kovan oksidisuojan pintaansa, joka ei ruostu vedessä tai ilmassa (ei korroosiota). Tämän ominaisuutensa vuoksi se soveltuu hyvin käytettäväksi eri kulkuneuvojen rungoissa. Alumiini ei myöskään katkeile tai halkeile lämpötilan vaihtelun johdosta. Täten alumiinista valmistettu tuote harvoin tarvitsee muuta huoltoa kuin puhdaana pitoa. Alumiini on jauheena hyvä pelkistin ja reagoi voimakkaasti reautaoksidin kanssa pelkistäen raudan atomeiksi. Reaktio tunnetaan nimellä termiittireaktio, jossa syntyy noin 3000 ^oC:een lämpötila. Reaktion avulla voidaan hitsataan mm. ratakiskoja yhteen, kuten alla olevalla videolla.

Alumiinia valmistetaan malmista nimeltä bauksiitti, josta vähintään puolet on alumiiniokdisia. Alumiinin kierrätys on tärkeää, sillä tällöin alumiinin valmistus kuluttaa vain 10 % siitä energiasta, joka kuluisi alumiinin valmistukseen bauksiitista. Galliumia käytetään esimerkiksi led-valoissa ja aurinkokennoissa, ja indiumia käytetään näyttöteknologioissa, kuten LCD-näytöissä. Booria käytetään puolestaan lasin ja keraamisten materiaalien valmistuksessa.

IV Hiiliryhmä

Hiiliryhmän alkuaineet jakavat yhteisen ulkokuoren rakenteen, jossa on neljä ulkoelektronia: kaksi s-orbitaalilla ja kaksi p-orbitaaleilla samansuuntaisin spinein (Hundin sääntö). Hiiliryhmässä on sekä metalleja (tina ja lyijy), puolimetalleja (pii ja germanium) että epämetallina hiili. Tinaa käytetään laajalti metallurgiassa ja lyijyä mm. akkujen valmistuksessa. Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine (noin 27.7 % maankuoren massasta), jota käytetään puolijohteiden valmistuksessa, joten se on tärkeä komponentti monissa sähkötekniikan sovelluksissa. Myös germaniumia käytetään puolijohteissa. Hiiltä esiintyy luonnossa runsaasti kivihiilenä, jota käytetään edelleen polttoaineena. Toinen teollisuuden käyttökohde on raudan valmistus masuunissa, jossa hiiltä eli koksia lisätään masuuniin pelkistämään rautaa. Hiili on myös tärkeä osa elollista luontoa ja orgaanisen kemian peruspalikka, sillä miljoonat orgaaniset yhdisteet, kuten proteiinit, hiilihydraatit ja rasvat, perustuvat hiileen.

Aktiivihiili puuttuu.

Allotropia tarkoittaa alkuaineen esiintymistä erilaisissa kemiallisissa muodoissa. Toisin sanoen, alkuaineen atomit ovat sitoutuneet toisiinsa eri allotrooppisissa muodoissa eri tavalla. Hiilellä tunnetaan useita allotrooppisia muotoja, joista mm. timanttia ja grafeenia esiintyy luonnossa, mutta osa on valmistettu laboratorioissa.

Fig. 15 Hiilen allotrooppisia muotoja, kuvan lähde: Wikipedia

a) timantti: jokainen hiiliatomi on sitoutunut neljään muuhun hiiliatomiin tetraedrin muotoisesti muodostaen kolmiulotteisen verkon. Käytetään korujen ja leikkuutyökalujen valmistuksessa. Kovin tunnettu hiilen muoto.

b) grafiitti ja grafeeni: grafiitilla on monikerroksinen rakenne, jossa hiiliatomit ovat järjestäytyneet kuusikulmaisista hiilirenkaista tasoksi. Käytetään esimerkiksi sähkömoottorien hiiliharjoissa, lyijykynissä sekä ydinreaktoreissa vapautuvia neutroneja hidastavana aineena. Grafeeni on yhden atomikerroksen paksuinen muoto grafiitista, mutta samalla erittäin vahva ja joustava materiaali, joka johtaa hyvin sähköä ja lämpöä. Käytetään mm. elektroniikan komponenteissa ja kosketusnäytöissä, kestävin tunnettu aine.

c) lonsdaleiitti: harvinainen hiilen muoto, joka muistuttaa timanttia mutta on järjestäynyt eri tavalla. Arvellaan olevan lupaava materiaali esimerkiksi puolijohteissa, energian varastoinnissa ja lääketieteellisissä sovelluksissa. Yksi kovimmista aineista maailmassa.

d), e) ja f) fullereenit: pallosymmetrisiä hiilimolekyylejä, joissa hiiliatomit ovat järjestyneet kuutiollisesti. Käytetään esimerkiksi lääketieteellisissä sovelluksissa.

g) amorfinen hiili: hiilen muoto, jossa hiiliatomit eivät ole järjestäytyneet tietyllä tavalla, vaan ovat sattumanvaraisesti ja epäsäännöllisesti. Käytetään muun muassa musteiden ja pigmenttien valmistuksessa.

h) hiilinanoputki: putkimainen hiilen muoto, jossa kerros grafeenia on “rullalla” eli hiiliatomit ovat järjestäytyneet sylinteriksi. Käytetään esimerkiksi komposiittimateriaaleissa ja sähköisten laitteiden valmistuksessa.

V Typpiryhmä (kesken)

Typpiryhmän alkuaineiden atomeilla on 5 ulkoeletkronia: 2 s-orbitaalilla ja 3 p-orbitaaleilla saman suuntaisin spinein. Ryhmään kuuluu kaksi tärkeää epämetallia: typpi (nitridi-ioni N^3-) ja fosfori (fosfidi-ioni F^3-), jotka ovat tunnettuja lannoitteiden raaka-aineina. Fosforilannoitteet ovat yleisesti fosfaatteja (PO₄^3-), kun taas typpilannoitteet ovat nitraatteja (NO₃^-). Nitraatteja käytetään myös räjähteissä. Esimerkki kalsiumfosfaatista Ca₃(PO₄)₂) on apatiitti, joka on löydettävissä muun muassa Soklin esiintymästä.

VI Happiryhmä (kesken)

Happiryhmä koostuu viidestä alkuaineesta, jotka kaikki tarvitsevat kaksi elektronia täyttääkseen ulkokuorensa oktetin. Ryhmään kuuluvat epämetallit happi rikki ja seleeni, sekä metalliset telluuri ja polonium. Happi ja rikki esiintyvät -2-ionina, jolloin niitä nimitetään oksideiksi (O^2-) ja sulfideiksi (S^2-). Happi on maankuoren yleisin alkuaine (noin 46.6 % maankuoren massasta)(allotropia, palamisreaktiot…) Rikki (rikkikiisut, rikkihappo…) Happiryhmän alkuaineita käytetään laajasti erilaisissa sovelluksissa, kuten metallien louhinnassa ja rikin poistamisessa polttoaineista.

VII Halogeenit (kesken)

Halogeenit ovat ryhmä erittäin reaktiivisia epämetalleja johtuen niiden yhden ulkoelektronin vajauksesta oktetista. Halogeenien ionivaraus on täten -1.

Fluori on halogeeneista elektronegatiivisin, sillä sen atomisäde on pienin (ulkoelektronien kokema ytimen vetovoima suurin). Fluoripitoisia yhdisteitä käytetään hammastahnassa ja juomaveden fluoraamisessa, koska fluorin uskotaan ehkäisevän hammaskariesta. Vetyfluoridia (HF), jota veteen liuotettuna kutsutaan fluorivetyhapoksi, käytetään esimerkiksi lasin ja metallien syövyttämisessä, puhdistuksessa ja öljynjalostuksessa. Freonit ovat fluoria, klooria ja hiiltä sisältävien yhdisteisen ryhmä (ns. CFC-yhdisteet), joita käytettiin aiemmin kylmäaineina ja ilmastointijärjestelmissä sekä spray-purkeissa, mutta niiden käyttö on nykyään kielletty niiden otsonia tuhoavan vaikutuksen johdosta. Lue lisää historiallisesta Montrealin pöytäkirjasta: Freonipäästöt saatiin kuriin yhteisin ponnistuksin (viitattu 26.2.2023).

Kloorikaasua käytetään veden desinfiointiin ja aikaisemmin myös selluloosan valkaisuun. Natriumkloridi (NaCl) tunnetaan ruokasuolana, ammoniumkloridi (NH₄Cl) tunnetaan paremmin nimellä salmiakki.

VIII Jalokaasut

Jaksollisen järjestelmän oikeassa reunassa sijaitsevat jalokaasut ovat oktetissa. Ne eivät siis reagoi vaan ovat kemiallisesti hyvin passiivia ja täten esiintyvät yksittäisinä atomeina. Jalokaasuja (helium ja argon) käytetään usein suojakaasuina, ns. inerttinä kaasuna, joka reagoi esim. palamisreaktiossa. Radon-kaasua vapautuu ilmaan maankuoressa olevan uraanin ja toriumin hajoamisen seurauksena, jolloin syntyy edelleen radioaktiivista \(^{222}Rn\) isotooppia.

Virittämällä jalokaasuatomien elektroneja korkeammille energiatasoille saadaan aikaiseksi suuri määrä sähkömagneettista säteilyä näkyvän valon alueella. Esimerkiksi auton polttimoissa käytetyn ksenonin viritystilojen purkautuessa syntyy voimakas valkoinen valo, joka koostuu useista aallonpituuksista.

Fig. 16 Jalokaasujen viritystilojen purkauksissa syntyvät näkyvät valot, kuvan lähde: Wikipedia