Introductory Chemistry – Lecture & Lab

Wcześniejsi chemicy, pracując nad oczyszczaniem rud i odkrywając kolejne pierwiastki, zdali sobie sprawę, że różne pierwiastki można pogrupować ze względu na ich podobne zachowania chemiczne. Jedna z takich grup obejmuje lit (Li), sód (Na) i potas (K): Wszystkie te pierwiastki są błyszczące, dobrze przewodzą ciepło i elektryczność oraz mają podobne właściwości chemiczne. Druga grupa obejmuje wapń (Ca), stront (Sr) i bar (Ba), które również są błyszczące, dobrze przewodzą ciepło i elektryczność oraz mają wspólne właściwości chemiczne. Jednak specyficzne właściwości tych dwóch grup są znacząco różne od siebie. Na przykład: Li, Na, i K są znacznie bardziej reaktywne niż Ca, Sr, i Ba; Li, Na, i K tworzą związki z tlenem w stosunku dwa ich atomy do jednego atomu tlenu, podczas gdy Ca, Sr, i Ba tworzą związki z jednym ich atomem do jednego atomu tlenu. Fluor (F), chlor (Cl), brom (Br) i jod (I) również wykazują podobne do siebie właściwości, ale są one drastycznie różne od właściwości któregokolwiek z powyższych pierwiastków.

Dimitri Mendelejew w Rosji (1869) i Lothar Meyer w Niemczech (1870) niezależnie uznali, że istnieje związek okresowy między właściwościami znanych wówczas pierwiastków. Obaj opublikowali tablice z pierwiastkami ułożonymi według wzrastającej masy atomowej. Mendelejew poszedł jednak o krok dalej niż Meyer: wykorzystał swoją tabelę do przewidzenia istnienia pierwiastków, które miałyby własności podobne do aluminium i krzemu, ale nie były jeszcze znane. Odkrycie galu (1875) i germanu (1886) stanowiło wielkie wsparcie dla pracy Mendelejewa. Chociaż Mendelejew i Meyer długo spierali się o pierwszeństwo, wkład Mendelejewa w rozwój układu okresowego jest obecnie szerzej uznawany (Rysunek 1).

Rysunek 1. (a) Dimitrij Mendelejew jest powszechnie uznawany za twórcę (b) pierwszego układu okresowego pierwiastków. (credit a: modification of work by Serge Lachinov; credit b: modification of work by „Den fjättrade ankan”/Wikimedia Commons)

Do XX wieku stało się oczywiste, że związek okresowy dotyczy raczej liczb atomowych niż mas atomowych. Współczesne określenie tego związku, prawo okresowe, brzmi następująco: właściwości pierwiastków są okresowymi funkcjami ich liczb atomowych. Współczesny układ okresowy układa pierwiastki w porządku rosnącym według ich liczb atomowych i grupuje atomy o podobnych właściwościach w tej samej pionowej kolumnie (Rysunek 2). Każda ramka reprezentuje pierwiastek i zawiera jego liczbę atomową, symbol, średnią masę atomową i (czasami) nazwę. Pierwiastki są ułożone w siedmiu poziomych rzędach, zwanych okresami lub seriami, i 18 pionowych kolumnach, zwanych grupami. Grupy są oznakowane na górze każdej kolumny. W Stanach Zjednoczonych, etykiety tradycyjnie były cyframi z dużymi literami. Jednak IUPAC zaleca, aby używać liczb od 1 do 18 i te etykiety są bardziej powszechne. Aby tabela zmieściła się na jednej stronie, części dwóch wierszy, w sumie 14 kolumn, są zwykle zapisane poniżej głównej części tabeli.

Rysunek 2. Pierwiastki w układzie okresowym są uporządkowane według ich właściwości.

Wiele pierwiastków różni się drastycznie w swoich właściwościach chemicznych i fizycznych, ale niektóre pierwiastki są podobne w swoich zachowaniach. Na przykład, wiele elementów wydaje się błyszczących, są ciągliwe (mogą być odkształcane bez łamania) i plastyczne (mogą być ciągnięte w druty), i dobrze przewodzą ciepło i elektryczność. Inne elementy nie są błyszczące, plastyczne lub ciągliwe i są słabymi przewodnikami ciepła i elektryczności. Możemy posegregować pierwiastki na duże klasy o wspólnych właściwościach: metale (pierwiastki błyszczące, ciągliwe, dobrze przewodzące ciepło i elektryczność – odcień żółty); niemetale (pierwiastki matowe, słabo przewodzące ciepło i elektryczność – odcień zielony); metaloidy (pierwiastki umiarkowanie dobrze przewodzące ciepło i elektryczność, posiadające niektóre właściwości metali i niektóre właściwości niemetali – odcień fioletowy).

Pierwiastki można również podzielić na pierwiastki grupy głównej (lub pierwiastki reprezentatywne) w kolumnach oznaczonych jako 1, 2 i 13-18; metale przejściowe w kolumnach oznaczonych jako 3-12; oraz wewnętrzne metale przejściowe w dwóch rzędach na dole tabeli (pierwiastki górnego rzędu nazywane są lantanowcami, a pierwiastki dolnego rzędu aktynowcami; rysunek 3). Pierwiastki mogą być dalej dzielone według bardziej specyficznych właściwości, takich jak skład związków, które tworzą. Na przykład, pierwiastki z grupy 1 (pierwsza kolumna) tworzą związki, które składają się z jednego atomu pierwiastka i jednego atomu wodoru. Pierwiastki te (z wyjątkiem wodoru) są znane jako metale alkaliczne i wszystkie mają podobne właściwości chemiczne. Pierwiastki z grupy 2 (druga kolumna) tworzą związki składające się z jednego atomu pierwiastka i dwóch atomów wodoru: Są one nazywane metalami ziem alkalicznych, o podobnych właściwościach wśród członków tej grupy. Inne grupy o specyficznych nazwach to pnictogeny (grupa 15), chalkogeny (grupa 16), chlorowce (grupa 17) i gazy szlachetne (grupa 18, zwane też gazami obojętnymi). Grupy mogą być również określane przez pierwszy element grupy: Na przykład chalkogeny mogą być nazywane grupą tlenową lub rodziną tlenową. Wodór jest unikalnym, niemetalicznym pierwiastkiem o właściwościach podobnych zarówno do pierwiastków grupy 1A, jak i grupy 7A. Z tego powodu wodór może być pokazany na szczycie obu grup lub samodzielnie.

Rysunek 3. Układ okresowy porządkuje pierwiastki o podobnych właściwościach w grupy.

In studying the periodic table, być może zauważyłeś coś o masach atomowych niektórych pierwiastków. Pierwiastek 43 (technet), pierwiastek 61 (promet) i większość pierwiastków o liczbie atomowej 84 (polon) i wyższej ma swoją masę atomową podaną w nawiasach kwadratowych. Robi się to dla pierwiastków, które składają się w całości z niestabilnych, radioaktywnych izotopów (więcej o radioaktywności dowiesz się w rozdziale chemia jądrowa). Średnia masa atomowa nie może być określona dla tych pierwiastków, ponieważ ich radioizotopy mogą się znacznie różnić we względnej obfitości, w zależności od źródła, lub mogą nawet nie występować w przyrodzie. Liczba w nawiasach kwadratowych jest atomową liczbą masową (i przybliżoną masą atomową) najbardziej stabilnego izotopu tego pierwiastka.

Glossary

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

alkali metal: pierwiastek w grupie 1

metal ziem alkalicznych: pierwiastek w grupie 2

chalkogen: pierwiastek w grupie 16

grupa: pionowa kolumna układu okresowego

halogen: pierwiastek w grupie 17

gaz obojętny: (także, gaz szlachetny) pierwiastek w grupie 18

Wewnętrzny metal przejściowy: (także lantanowce lub aktynowce) pierwiastek w dwóch dolnych rzędach; jeśli w pierwszym rzędzie, to także lantanowce, jeśli w drugim rzędzie, to także aktynowce

lantanowce: wewnętrzny metal przejściowy w górnej części dwóch dolnych rzędów układu okresowego

element grupy głównej: (także, pierwiastek reprezentatywny) pierwiastek w kolumnach 1, 2, i 12-18

metal: pierwiastek błyszczący, kowalny, dobrze przewodzący ciepło i elektryczność

metaloid: pierwiastek, który umiarkowanie dobrze przewodzi ciepło i elektryczność oraz posiada niektóre właściwości metali i niektóre właściwości niemetali

gaz szlachetny: (także, gaz obojętny) pierwiastek z grupy 18

Niemetal: pierwiastek sprawiający wrażenie matowego, słaby przewodnik ciepła i elektryczności

period: (także, szereg) poziomy rząd układu okresowego

prawo okresowości: właściwości pierwiastków są okresową funkcją ich liczb atomowych.

tablica okresowa: tabela pierwiastków, która umieszcza pierwiastki o podobnych właściwościach chemicznych blisko siebie

pnictogen: pierwiastek w grupie 15

element reprezentatywny: (także, pierwiastek grupy głównej) pierwiastek w kolumnach 1, 2, i 12-18

Seria: (także, okres) poziomy rząd tablicy okresów

Metal przejściowy: pierwiastek w kolumnach 3-11