by: adminPosted on:

Bevezető kémia – előadás és labor

Tanulmányi célok

A fejezet végére képes leszel a következőkre:

  • Mondja el a periódusos törvényt és magyarázza meg az elemek szerveződését a periódusos rendszerben
  • Megjósolja az elemek általános tulajdonságait a periódusos rendszerben elfoglalt helyük alapján
  • A fémek, nemfémek és metalloidok azonosítása tulajdonságaik és/vagy a periódusos rendszerben elfoglalt helyük alapján

Amint a korai vegyészek az ércek tisztításán dolgoztak és újabb elemeket fedeztek fel, felismerték, hogy a különböző elemeket hasonló kémiai viselkedésük alapján csoportosítani lehet. Az egyik ilyen csoportosítás a lítium (Li), a nátrium (Na) és a kálium (K): Ezek az elemek mind fényesek, jól vezetik a hőt és az elektromosságot, és hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Egy másik csoportba a kalcium (Ca), a stroncium (Sr) és a bárium (Ba) tartozik, amelyek szintén fényesek, jól vezetik a hőt és az elektromosságot, és közösek a kémiai tulajdonságaik. E két csoportosítás sajátos tulajdonságai azonban jelentősen eltérnek egymástól. Például: A Li, a Na és a K sokkal reaktívabb, mint a Ca, a Sr és a Ba; a Li, a Na és a K az oxigénnel olyan arányban képez vegyületeket, hogy két atomjuk egy oxigénatomra esik, míg a Ca, a Sr és a Ba egy atomjuk egy oxigénatomra esik. A fluor (F), a klór (Cl), a bróm (Br) és a jód (I) szintén egymáshoz hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, de ezek a tulajdonságok drasztikusan eltérnek a fenti elemek bármelyikének tulajdonságaitól.

Dimitrij Mendelejev Oroszországban (1869) és Lothar Meyer Németországban (1870) egymástól függetlenül felismerte, hogy az akkor ismert elemek tulajdonságai között periodikus kapcsolat áll fenn. Mindketten olyan táblázatokat tettek közzé, amelyekben az elemek növekvő atomtömeg szerint vannak elrendezve. Mendelejev azonban egy lépéssel tovább ment, mint Meyer: táblázatát arra használta, hogy megjósolja olyan elemek létezését, amelyek az alumíniumhoz és a szilíciumhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, de még ismeretlenek voltak. A gallium (1875) és a germánium (1886) felfedezései nagyban alátámasztották Mendelejev munkáját. Bár Mendelejev és Meyer hosszasan vitatkozott az elsőbbségről, Mendelejev hozzájárulása a periódusos rendszer kialakításához ma már szélesebb körben elismert (1. ábra).

1. ábra. (a) Dimitrij Mendelejevnek széles körben tulajdonítják (b) az elemek első periódusos rendszerének megalkotását. (credit a: Serge Lachinov munkájának módosítása; credit b: “Den fjättrade ankan”/Wikimedia Commons munkájának módosítása)

A huszadik századra nyilvánvalóvá vált, hogy a periódusos összefüggés nem az atomtömegeket, hanem az atomszámokat foglalja magában. Ennek az összefüggésnek a modern megfogalmazása, a periódustörvény a következő: az elemek tulajdonságai az atomszámuk periódusfüggvényei. A modern periódusos rendszer az elemeket az atomszámuk szerinti növekvő sorrendbe rendezi, és a hasonló tulajdonságokkal rendelkező atomokat ugyanabban a függőleges oszlopban csoportosítja (2. ábra). Minden doboz egy elemet jelöl, és tartalmazza az elem atomszámát, szimbólumát, átlagos atomtömegét és (néha) nevét. Az elemek hét vízszintes sorba, úgynevezett periódusokba vagy sorozatokba, és 18 függőleges oszlopba, úgynevezett csoportokba vannak rendezve. A csoportok minden oszlop tetején fel vannak címkézve. Az Egyesült Államokban a címkék hagyományosan nagybetűs számok voltak. Az IUPAC azonban az 1-től 18-ig terjedő számok használatát ajánlja, és ezek a címkék elterjedtebbek. Ahhoz, hogy a táblázat elférjen egy oldalon, két sor, összesen 14 oszlop részeit általában a táblázat fő része alá írják.

2. ábra. Az elemek a periódusos rendszerben tulajdonságaik szerint vannak elrendezve.

Néhány elem kémiai és fizikai tulajdonságai drámaian különböznek egymástól, de néhány elem viselkedése hasonló. Például sok elem fényesnek tűnik, képlékeny (törés nélkül deformálható) és képlékeny (huzallá húzható), valamint jól vezeti a hőt és az elektromosságot. Más elemek nem fényesek, nem alakíthatók vagy képlékenyek, és rosszul vezetik a hőt és az elektromosságot. Az elemeket közös tulajdonságok alapján nagy osztályokba sorolhatjuk: fémek (fényes, képlékeny, a hőt és az elektromosságot jól vezető elemek – sárga színnel árnyékolva); nemfémek (tompának tűnő, a hőt és az elektromosságot rosszul vezető elemek – zöld színnel árnyékolva); és metalloidok (a hőt és az elektromosságot közepesen jól vezető elemek, amelyek rendelkeznek a fémek néhány tulajdonságával és a nemfémek néhány tulajdonságával – lila színnel árnyékolva).

Az elemek szintén osztályozhatók a főcsoport elemeire (vagy reprezentatív elemekre) az 1, 2 és 13-18 jelű oszlopokban; az átmeneti fémekre a 3-12 jelű oszlopokban; és a belső átmeneti fémekre a táblázat alsó két sorában (a felső sor elemei a lantanidák, az alsó sor elemei pedig az aktinidák; 3. ábra). Az elemek tovább oszthatók specifikusabb tulajdonságok, például az általuk alkotott vegyületek összetétele alapján. Például az 1. csoportba tartozó elemek (az első oszlop) olyan vegyületeket alkotnak, amelyek az elem egy atomjából és egy atom hidrogénből állnak. Ezeket az elemeket (a hidrogén kivételével) alkálifémeknek nevezzük, és mind hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. A 2. csoportba tartozó elemek (második oszlop) az elem egy atomjából és két hidrogénatomból álló vegyületeket alkotnak: Ezeket nevezzük alkáliföldfémeknek, hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek e csoport tagjai között. További sajátos nevű csoportok a pniktogének (15. csoport), a kalcogének (16. csoport), a halogének (17. csoport) és a nemesgázok (18. csoport, más néven inert gázok). A csoportokra a csoport első elemével is lehet hivatkozni: Például a kalcogéneket nevezhetjük oxigéncsoportnak vagy oxigéncsaládnak. A hidrogén egyedi, nem fémes elem, amely az 1A és a 7A csoportba tartozó elemekhez hasonló tulajdonságokkal rendelkezik. Ezért a hidrogén mindkét csoport elején vagy önmagában is megjelenhet.

3. ábra. A periódusos rendszer a hasonló tulajdonságokkal rendelkező elemeket csoportokba rendezi.

A Royal Society of Chemistry interaktív periódusos rendszeréhez kattintson erre a linkre, amely segítségével felfedezheti az elemek tulajdonságait (podcastokat és videókat tartalmaz az egyes elemekről). You may also want to try this one from PeriodicTable.com that shows photos of all the elements.

Example 1: Naming Groups of Elements

Atoms of each of the following elements are essential for life. Give the group name for the following elements:

  1. chlorine
  2. calcium
  3. sodium
  4. sulfur
Show Answer

The family names are as follows:

  1. halogen
  2. alkaline earth metal
  3. alkali metal
  4. chalcogen

Check Your Learning

Give the group name for each of the following elements:

  1. krypton
  2. selenium
  3. barium
  4. lithium
Show Answer

  1. noble gas
  2. chalcogen
  3. alkaline earth metal
  4. alkali metal

In studying the periodic table, talán észrevettél valamit néhány elem atomtömegével kapcsolatban. A 43-as elem (technécium), a 61-es elem (promécium) és a legtöbb 84-es vagy annál magasabb atomszámú elem (polónium) atomtömege szögletes zárójelben van megadva. Ez olyan elemek esetében történik, amelyek teljes egészében instabil, radioaktív izotópokból állnak (a radioaktivitásról többet fogsz megtudni a magkémia fejezetben). Ezekre az elemekre nem lehet átlagos atomsúlyt meghatározni, mivel radioizotópjaik relatív gyakorisága a forrástól függően jelentősen eltérhet, vagy nem is léteznek a természetben. A szögletes zárójelben lévő szám az adott elem legstabilabb izotópjának atomi tömegszáma (és hozzávetőleges atomtömege).

Főbb fogalmak és összefoglaló

A hasonló tulajdonságok periodikus ismétlődésének felfedezése az elemek között vezetett a periódusos rendszer kialakításához, amelyben az elemek növekvő atomszám szerinti sorrendben, periódusoknak nevezett sorokban és csoportoknak nevezett oszlopokban helyezkednek el. A periódusos rendszer azonos csoportjába tartozó elemek hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Az elemek osztályozhatók fémek, metalloidok és nemfémek, illetve főcsoportba tartozó elemek, átmeneti fémek és belső átmeneti fémek szerint. A csoportokat balról jobbra haladva 1-18-ig számozzák. Az 1. csoport elemei az alkálifémek, a 2. csoport elemei az alkáliföldfémek, a 15. csoport elemei a pnictogének, a 16. csoport elemei a kalcogének, a 17. csoport elemei a halogének, a 18. csoport elemei pedig a nemesgázok.

Foglalkozások

Fém vagy nemfém?

  1. Using the periodic table, classify each of the following elements as a metal or a nonmetal, and then further classify each as a main-group (representative) element, transition metal, or inner transition metal:
    1. uranium
    2. bromine
    3. strontium
    4. neon
    5. gold
    6. americium
    7. rhodium
    8. sulfur
    9. carbon
    10. potassium
  2. Using the periodic table, classify each of the following elements as a metal or a nonmetal, and then further classify each as a main-group (representative) element, transition metal, or inner transition metal:
    1. cobalt
    2. europium
    3. iodine
    4. indium
    5. lithium
    6. oxygen
    7. cadmium
    8. terbium
    9. rhenium
Show Answer

1. (a) metal, inner transition metal; (b) nonmetal, representative element; (c) metal, representative element; (d) nonmetal, representative element; (e) metal, transition metal; (f) metal, inner transition metal; (g) metal, transition metal; (h) nonmetal, representative element; (i) nonmetal, representative element; (j) metal, representative element

Identifying Elements

  1. Using the periodic table, identify the lightest member of each of the following groups:
    1. noble gases
    2. alkaline earth metals
    3. alkali metals
    4. chalcogens
  2. Using the periodic table, identify the heaviest member of each of the following groups:
    1. alkali metals
    2. chalcogens
    3. noble gases
    4. alkaline earth metals
  3. Use the periodic table to give the name and symbol for each of the following elements:
    1. the noble gas in the same period as germanium
    2. the alkaline earth metal in the same period as selenium
    3. the halogen in the same period as lithium
    4. the chalcogen in the same period as cadmium
  4. Use the periodic table to give the name and symbol for each of the following elements:
    1. the halogen in the same period as the alkali metal with 11 protons
    2. the alkaline earth metal in the same period with the neutral noble gas with 18 electrons
    3. the noble gas in the same row as an isotope with 30 neutrons and 25 protons
    4. the noble gas in the same period as gold
  5. Write a symbol for each of the following neutral isotopes. Include the atomic number and mass number for each.
    1. the alkali metal with 11 protons and a mass number of 23
    2. the noble gas element with and 75 neutrons in its nucleus and 54 electrons in the neutral atom
    3. the isotope with 33 protons and 40 neutrons in its nucleus
    4. the alkaline earth metal with 88 electrons and 138 neutrons
  6. Write a symbol for each of the following neutral isotopes. Include the atomic number and mass number for each.
    1. the chalcogen with a mass number of 125
    2. the halogen whose longest-lived isotope is radioactive
    3. the noble gas, used in lighting, with 10 electrons and 10 neutrons
    4. the lightest alkali metal with three neutrons
Show Selected Answers

1. (a) He; (b) Be; (c) Li; (d) O

3. (a) krypton, Kr; (b) calcium, Ca; (c) fluorine, F; (d) tellurium, Te

5. (a) {}_{11}^{23}\text{Na} ; (b) {}_{54}^{129}\text{Xe} ; (c) {}_{33}^{73}\text{As} ; (d) {}_{88}^{226}\text{Ra}

Glossary

actinide: inner transition metal in the bottom of the bottom two rows of the periodic table

alkali metal: 1. csoportba tartozó elem

alkaliföldfém: 2. csoportba tartozó elem

kalkogén: 16. csoportba tartozó elem

csoport: a periódusos rendszer függőleges oszlopa

halogén: 17. csoportba tartozó elem

inert gáz: (más néven nemesgáz) 18. csoportba tartozó elem

belső átmeneti fém: (más néven lantanid vagy aktinid) elem az alsó két sorban; ha az első sorban van, akkor lantanidnak, ha a második sorban van, akkor aktinidnak is nevezik

lantanid: belső átmeneti fém a periódusos rendszer alsó két sorának tetején

Főcsoportba tartozó elem: (más néven reprezentatív elem) az 1., 2. és 12-18. oszlopban lévő elem

fém: fényes, képlékeny, a hőt és az elektromosságot jól vezető elem

metalloid: a hőt és az elektromosságot közepesen jól vezető elem, amely a fémek egyes tulajdonságaival és a nemfémek egyes tulajdonságaival rendelkezik

nemesgáz: (inert gáz is) 18. csoportba tartozó elem

nemfém: tompának tűnő, a hőt és az elektromosságot rosszul vezető elem

periódus: (más néven sorozat) a periódusos rendszer vízszintes sora

periodikus törvény: az elemek tulajdonságai az atomszámuk periodikus függvényei.

periodikus táblázat: az elemek táblázata, amely a hasonló kémiai tulajdonságú elemeket egymáshoz közel helyezi el

pniktogén: a 15. csoportba tartozó elem

reprezentatív elem: (más néven főcsoportelem) az 1., 2. és 12-18. oszlopban szereplő elem

sorozat: (más néven periódus) a periódustáblázat vízszintes sora

átmenetifém: a 3-11. oszlopokban szereplő elem

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük