Chimie introductivă – Prelegere și laborator

Pe măsură ce primii chimiști lucrau la purificarea minereurilor și descopereau mai multe elemente, și-au dat seama că diversele elemente puteau fi grupate împreună prin comportamentele lor chimice similare. O astfel de grupare include litiul (Li), sodiul (Na) și potasiul (K): Toate aceste elemente sunt strălucitoare, conduc bine căldura și electricitatea și au proprietăți chimice similare. O a doua grupare include calciul (Ca), stronțiul (Sr) și bariul (Ba), care, de asemenea, sunt strălucitoare, conduc bine căldura și electricitatea și au proprietăți chimice comune. Cu toate acestea, proprietățile specifice ale acestor două grupări sunt sensibil diferite una de cealaltă. De exemplu: Li, Na și K sunt mult mai reactive decât Ca, Sr și Ba; Li, Na și K formează compuși cu oxigenul în proporție de doi dintre atomii lor la un atom de oxigen, în timp ce Ca, Sr și Ba formează compuși cu unul dintre atomii lor la un atom de oxigen. Fluorul (F), clorul (Cl), bromul (Br) și iodul (I) prezintă, de asemenea, proprietăți similare între ele, dar aceste proprietăți sunt drastic diferite de cele ale oricăruia dintre elementele de mai sus.

Dimitri Mendeleev în Rusia (1869) și Lothar Meyer în Germania (1870) au recunoscut independent că există o relație periodică între proprietățile elementelor cunoscute la acea vreme. Ambii au publicat tabele cu elementele aranjate în funcție de creșterea masei atomice. Însă Mendeleev a făcut un pas mai departe decât Meyer: și-a folosit tabelul pentru a prezice existența unor elemente care ar avea proprietăți similare cu cele ale aluminiului și siliciului, dar care erau încă necunoscute. Descoperirile de galiu (1875) și germaniu (1886) au oferit un mare sprijin pentru activitatea lui Mendeleev. Deși Mendeleev și Meyer au avut o dispută îndelungată asupra priorității, contribuțiile lui Mendeleev la dezvoltarea tabelului periodic sunt acum mai larg recunoscute (Figura 1).

Figura 1. (a) Lui Dimitri Mendeleev i se atribuie pe scară largă crearea (b) primului tabel periodic al elementelor. (credit a: modificare a lucrării de Serge Lachinov; credit b: modificare a lucrării de „Den fjättrade ankan”/Wikimedia Commons)

Până în secolul al XX-lea, a devenit evident că relația periodică implica mai degrabă numere atomice decât mase atomice. Afirmația modernă a acestei relații, legea periodică, este următoarea: proprietățile elementelor sunt funcții periodice ale numerelor lor atomice. Un tabel periodic modern aranjează elementele în ordinea crescătoare a numerelor lor atomice și grupează atomii cu proprietăți similare în aceeași coloană verticală (figura 2). Fiecare căsuță reprezintă un element și conține numărul atomic, simbolul, masa atomică medie și (uneori) numele acestuia. Elementele sunt dispuse pe șapte rânduri orizontale, denumite perioade sau serii, și 18 coloane verticale, denumite grupe. Grupurile sunt etichetate în partea de sus a fiecărei coloane. În Statele Unite, etichetele erau în mod tradițional numere cu majuscule. Cu toate acestea, IUPAC recomandă să se folosească numerele de la 1 la 18, iar aceste etichete sunt mai frecvente. Pentru ca tabelul să încapă pe o singură pagină, părți din două dintre rânduri, un total de 14 coloane, sunt de obicei scrise sub corpul principal al tabelului.

Figura 2. Elementele din tabelul periodic sunt organizate în funcție de proprietățile lor.

Multe elemente diferă în mod dramatic în ceea ce privește proprietățile lor chimice și fizice, dar unele elemente sunt similare în ceea ce privește comportamentele lor. De exemplu, multe elemente par strălucitoare, sunt maleabile (pot fi deformate fără a se rupe) și ductile (pot fi trase în fire) și conduc bine căldura și electricitatea. Alte elemente nu sunt strălucitoare, maleabile sau ductile și sunt proaste conducătoare de căldură și electricitate. Putem clasifica elementele în clase mari cu proprietăți comune: metale (elemente care sunt lucioase, maleabile, bune conducătoare de căldură și electricitate – colorate în galben); nemetale (elemente care par mate, proaste conducătoare de căldură și electricitate – colorate în verde); și metaloizi (elemente care conduc moderat de bine căldura și electricitatea și care posedă unele proprietăți ale metalelor și unele proprietăți ale nemetalelor – colorate în violet).

Elementele pot fi, de asemenea, clasificate în elemente din grupa principală (sau elemente reprezentative) în coloanele etichetate 1, 2 și 13-18; metale de tranziție în coloanele etichetate 3-12; și metale de tranziție interioară în cele două rânduri din partea de jos a tabelului (elementele din rândul de sus se numesc lantanide, iar elementele din rândul de jos sunt actinide; figura 3). Elementele pot fi subdivizate în continuare în funcție de proprietăți mai specifice, cum ar fi compoziția compușilor pe care îi formează. De exemplu, elementele din grupa 1 (prima coloană) formează compuși care constau dintr-un atom de element și un atom de hidrogen. Aceste elemente (cu excepția hidrogenului) sunt cunoscute sub denumirea de metale alcaline și toate au proprietăți chimice similare. Elementele din grupa 2 (a doua coloană) formează compuși care constau dintr-un atom de element și doi atomi de hidrogen: Acestea se numesc metale alcalino-pământoase, cu proprietăți similare între membrii acestei grupe. Alte grupe cu denumiri specifice sunt pnictogenii (grupa 15), calcogenii (grupa 16), halogenii (grupa 17) și gazele nobile (grupa 18, cunoscute și ca gaze inerte). Grupele pot fi denumite, de asemenea, după primul element al grupei: De exemplu, calcogenii pot fi numiți grupul oxigenului sau familia oxigenului. Hidrogenul este un element unic, nemetalic, cu proprietăți similare atât cu elementele din grupa 1A, cât și cu cele din grupa 7A. Din acest motiv, hidrogenul poate fi prezentat în fruntea ambelor grupe, sau de unul singur.

Figura 3. Tabelul periodic organizează elementele cu proprietăți similare în grupuri.

In studying the periodic table, este posibil să fi observat ceva în legătură cu masele atomice ale unora dintre elemente. Elementul 43 (tecnețiu), elementul 61 (promețiu) și majoritatea elementelor cu numărul atomic 84 (poloniu) și mai mare au masa atomică indicată în paranteze pătrate. Acest lucru se face pentru elementele care constau în întregime din izotopi instabili, radioactivi (veți afla mai multe despre radioactivitate în capitolul de chimie nucleară). Nu se poate determina o masă atomică medie pentru aceste elemente, deoarece radioizotopii lor pot varia semnificativ în abundență relativă, în funcție de sursă, sau pot chiar să nu existe în natură. Numărul între paranteze pătrate este numărul de masă atomică (și masa atomică aproximativă) a celui mai stabil izotop al acelui element.