Introduktionskemi – Föreläsning och labb

När de tidiga kemisterna arbetade med att rena malmer och upptäckte fler grundämnen insåg de att olika grundämnen kunde grupperas tillsammans genom deras liknande kemiska beteenden. En sådan gruppering omfattar litium (Li), natrium (Na) och kalium (K): Dessa grundämnen är alla blanka, leder värme och elektricitet bra och har liknande kemiska egenskaper. En annan gruppering omfattar kalcium (Ca), strontium (Sr) och barium (Ba), som också är glänsande, leder värme och elektricitet bra och har gemensamma kemiska egenskaper. De specifika egenskaperna hos dessa två grupperingar skiljer sig dock markant från varandra. Till exempel: Li, Na och K är mycket mer reaktiva än Ca, Sr och Ba. Li, Na och K bildar föreningar med syre i förhållandet två av deras atomer till en syreatom, medan Ca, Sr och Ba bildar föreningar med en av deras atomer till en syreatom. Fluor (F), klor (Cl), brom (Br) och jod (I) uppvisar också liknande egenskaper som varandra, men dessa egenskaper skiljer sig drastiskt från egenskaperna hos något av grundämnena ovan.

Dimitri Mendelejev i Ryssland (1869) och Lothar Meyer i Tyskland (1870) insåg oberoende av varandra att det fanns ett periodiskt samband mellan egenskaperna hos de då kända grundämnena. Båda publicerade tabeller med grundämnena ordnade efter ökande atommassa. Men Mendelejev gick ett steg längre än Meyer: Han använde sin tabell för att förutsäga förekomsten av grundämnen som skulle ha egenskaper som liknar aluminium och kisel, men som ännu var okända. Upptäckterna av gallium (1875) och germanium (1886) gav stort stöd åt Mendelejevs arbete. Även om Mendelejev och Meyer hade en lång dispyt om prioritet är Mendelejevs bidrag till utvecklingen av det periodiska systemet nu mer allmänt erkänt (figur 1).

Figur 1. (a) Dimitri Mendelejev anses allmänt ha skapat (b) det första periodiska systemet över grundämnena. (kredit a: modifiering av arbete av Serge Lachinov; kredit b: modifiering av arbete av ”Den fjättrade ankan”/Wikimedia Commons)

Under 1900-talet blev det uppenbart att det periodiska förhållandet involverade atomnummer snarare än atommassor. Det moderna uttalandet av detta förhållande, den periodiska lagen, är följande: grundämnenas egenskaper är periodiska funktioner av deras atomnummer. I ett modernt periodiskt system är grundämnena ordnade i stigande ordning efter deras atomnummer och atomer med liknande egenskaper grupperas i samma vertikala kolumn (figur 2). Varje ruta representerar ett grundämne och innehåller dess atomnummer, symbol, genomsnittliga atommassa och (ibland) namn. Elementen är ordnade i sju horisontella rader, som kallas perioder eller serier, och 18 vertikala kolumner, som kallas grupper. Grupperna är märkta högst upp i varje kolumn. I USA har etiketterna traditionellt varit siffror med stora bokstäver. IUPAC rekommenderar dock att siffrorna 1 till 18 används, och dessa etiketter är vanligare. För att tabellen ska få plats på en enda sida skrivs vanligtvis delar av två av raderna, totalt 14 kolumner, under tabellens huvuddel.

Figur 2. Elementen i det periodiska systemet är organiserade efter sina egenskaper.

Många element skiljer sig dramatiskt åt i sina kemiska och fysikaliska egenskaper, men vissa element är likartade i sina beteenden. Många grundämnen ser till exempel glänsande ut, är formbara (kan deformeras utan att gå sönder) och duktila (kan dras till trådar) och leder värme och elektricitet bra. Andra grundämnen är inte glänsande, formbara eller duktila och är dåliga ledare för värme och elektricitet. Vi kan sortera grundämnena i stora klasser med gemensamma egenskaper: metaller (grundämnen som är blanka, formbara, goda värme- och elledare – skuggat gult), ickemetaller (grundämnen som verkar tråkiga, dåliga värme- och elledare – skuggat grönt) och metalloider (grundämnen som leder värme och elektricitet måttligt bra, och som har vissa egenskaper hos metaller och vissa egenskaper hos ickemetaller – skuggat lila).

Elementen kan också delas in i huvudgruppens grundämnen (eller representativa grundämnen) i kolumnerna med beteckningarna 1, 2 och 13-18, övergångsmetallerna i kolumnerna med beteckningarna 3-12 och de inre övergångsmetallerna i de två raderna längst ner i tabellen (grundämnena i den översta raden kallas lantanider och grundämnena i den nedre raden är aktinider; figur 3). Grundämnena kan delas in ytterligare efter mer specifika egenskaper, t.ex. sammansättningen av de föreningar de bildar. Exempelvis bildar grundämnena i grupp 1 (första kolumnen) föreningar som består av en atom av grundämnet och en atom av väte. Dessa grundämnen (utom väte) är kända som alkalimetaller, och de har alla liknande kemiska egenskaper. Elementen i grupp 2 (andra kolumnen) bildar föreningar som består av en atom av elementet och två väteatomer: Dessa kallas alkaliska jordartsmetaller och har liknande egenskaper bland medlemmarna i den gruppen. Andra grupper med specifika namn är pnictogenerna (grupp 15), chalkogenerna (grupp 16), halogenerna (grupp 17) och ädelgaserna (grupp 18, även kallade inerta gaser). Grupperna kan också benämnas med hjälp av det första elementet i gruppen: Chalkogenerna kan till exempel kallas syrgasgruppen eller syrgasfamiljen. Vätgas är ett unikt, icke-metalliskt grundämne med egenskaper som liknar både grundämnen i grupp 1A och grupp 7A. Därför kan väte visas överst i båda grupperna eller för sig självt.

Figur 3. Det periodiska systemet organiserar grundämnen med liknande egenskaper i grupper.