Jaksollinen järjestelmä

Transkriptio

1 Mistä kaikki alkoi? Jaksollinen järjestelmä 1800-luvun alkupuoli: Alkuaineita yritettiin 1800-luvulla järjestää atomipainon mukaan monella eri tavalla. Vuonna 1826 Saksalainen Johann Wolfgang Döbereiner ( ) esitti julkaisemassaan atomipainojen taulukossa, että eräät kemiallisilta ominaisuuksiltaan samankaltaiset alkuaineet voitiin luokitella ns. triadeiksi, eli kolmikoiksi. Idea oli, että kahden jäsenen atomipainojen keskiarvo olisi suunnilleen kolmannen jäsenen atomipaino luvun keskivaihe: Englantilainen John Alexander Reina Newlands ( ) esitti käsitteen, jota kutsui oktaavilaiksi. Hänen mukaan joka kahdeksannella, kasvavan atomipainon mukaan järjestetyllä, alkuaineella oli samankaltaisia kemiallisia ominaisuuksia. John Alexander Reina Newlands ( ) Johann Wolfgang Döbereiner ( ) 1

2 1800-luvun keskivaihe: Pari vuotta Newlandsin jälkeen, toisistaan tietämättä, saksalainen Julius Lothar Meyer ( ) sekä venäläinen Dimitri Ivanovitsh Mendelejev ( ) esittivät alkuaineiden järjestystä kuvaavan mallin. Varsinkin Mendelejev teki rohkeita ennustuksia, eikä jaksollisen järjestelmän ensi versiota heti hyväksytty tiedepiireissä. Mutta kun ennustetut alkuaineet: gallium, skandium ja germanium löytyivät, niin jaksollisen järjestelmän merkitys ymmärrettiin ja se otettiin laajaan käyttöön luvulla. Julius Lothar Meyer ( ) Dimitri Ivanovitsh Mendelejev ( ) Myöhemmin, kun jalokaasut löydettiin, lisättiin siihen yksi pystysarake eli ryhmä lisää. Mendelejevin mukaan järjestelmä osoitti, että alkuaineen ominaisuudet riippuivat sen atomipainosta. Mendelejevin jaksollisen järjestelmän kehitelmä vuodelta 1871 Vuonna 1913: Henry Moseley osoitti alkuaineiden röntgenspektrien avulla, että jokaisen alkuaineen atomin ytimellä on tietyn suuruinen sähkövaraus, joka kasvaa aina saman verran siirryttäessä jaksollisessa järjestelmässä alkuaineesta seuraavaan. Koska ytimen varaus osoitti suoraan alkuaineen paikan järjestelmässä, sitä alettiin kutsua alkuaineen järjestysluvuksi. 2

3 Jaksollinen järjestelmä: ryhmät ja jaksot Tarkastellaan tämänpäiväistä jaksollista järjestelmää monesta eri näkökulmasta. Perusjako on: metallit, puolimetallit, epämetallit ja jalokaasut. RYHMÄT OVAT SARAKKEITA JAKSOT OVAT RIVEJÄ H He Li B C N O F Ne Alkuaineet ovat jaksollisessa järjestelmässä peräkkäin kasvavan järjestysluvun mukaan. Ryhmiä on 18, pääryhmiä on 8 ja jaksoja 7. Saman pääryhmän alkuaineilla on yhtä monta ulko- eli valenssielektronia. Tästä syystä ne muistuttavat toisiaan kemiallisesti ja ovat sijoitettu allekkain eli ryhmiin. Jakson numero kertoo kuinka monella eri kuorella eli energiatasolla, perustilassa olevalla atomilla, on elektroneita. 3

4 metallit puolimetallit epämetallit 11 järjestysluku nimi natrium Na 22,99 kemiallinen merkki atomimassa=moolimassa (lukuarvo) l a n t a n o i d i t a k t i n o i d i t Monet alkuaineiden ominaisuuksista muuttuvat säännöllisesti siirryttäessä vasemmalta oikealle tai ylhäältä alas. Esimerkiksi metallisuus. Useimmat metallit ovat harmaita (hopeanhohtoisia), kullalla ja kuparilla oma värinsä. Metalleilla on korkeat sulamispisteet (metallisidos), vain cesiumilla ja galliumilla on alhaiset sulamispisteet (28 ) ja (30 ). Poikkeuksen tekee elohopea ( 39 ). Kaikkia kiinteitä metalleja voi takoa ja venyttää ja ne johtavat hyvin sähköä (elektroni) sekä lämpöä. Cu Ga Cs Au Hg 4

5 Miksi elohopea on nestettä, sulamispiste ( 39 )? Elohopealla on d -lohkon metallina poikkeuksellisen alhainen sulamislämpötila. Täydellinen selitys tälle pureutuu syvälle kvanttifysiikan valtakuntaan ( deep into the realm of quantum physics ), mutta selitys voitaneen tiivistää seuraavasti: Elohopealla on ainutlaatuinen elektronikonfiguraatio eli järjestys (asettelu, kokoonpano), jossa elektronit täyttävät kaikki käytettävissään olevat elektronikuoret: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 6s Tämä kokoonpano vastustaa voimakkaasti elektronin poistamista, niin kuin jalokaasut elohopea käyttäytyy hyvin samankaltaisesti kuin jalokaasut. Näin ollen elohopea muodostaa heikkoja sidoksia (dispersiovoimia) ja siksi sillä on alhainen sulamispiste. 6S-kuoren pysyvyys johtuu täysin täytetyn 4f-kuoren läsnäolosta. F-kuori ei juurikaan peitä ytimen varausta (eli sähköistä vetovoimaa), jonka 6s-kuoren elektronit kokevat. Vety voi syttyä. Metalleille on tyypillistä pyrkimys luovuttaa elektroneja kemiallisessa reaktioissa. Kun alkalimetallit reagoivat veden kanssa, muodostuu emäksinen eli alkaalinen liuos. Siksi nimi alkaali- ja maa-alkaalimetallit. Alkalimetalleilla on vain yksi ulkoelektroni, jonka ne helposti luovuttavat esim. halogeeneille. 5

6 Halogeenit eli suolanmuodostajat ovat epämetalliryhmä, astatiinia pidetään puolimetallina. Fluori ja kloori ovat kaasuja, bromi nestettä ja jodi kiinteätä huoneenlämpötilassa. Jalokaasut ovat sen sijaan hyvin passiivisia 1-atomisia kaasuja. Syy löytyy valenssikuoren miehityksestä, siellä on jo valmiiksi 8 elektronia, joten ei ole tarvetta antaa tai ottaa vastaan. Toki jalokaasuyhdisteitä on olemassa. Jalokaasuista tutuin lienee keuhkosyöpää aiheuttava Radon. Tarkastellaan tarkemmin jaksollisen järjestelmän eri pääryhmien valenssikuoren elektronimiehitystä. Vetyatomi on hieman poikkeuksellinen, se voi antaa tai ottaa yhden elektronin. Vedyn ominaisuudet ovat muutenkin hyvin poikkeavat. Millaisia alkuaineiden atomien koot ovat verrattuna vastaaviin ioneihin? 6

7 Vastoin intuitiota = ennakkokäsitystä, siirryttäessä alkuaineesta seuraavan (eli kun Z kasvaa), niin atomisäde ei kasva vaan pienenee. Ilmiö selittyy protonien, neutronien, elektronien kasvavan määrän sekä sähköisten Coulombin voimien vaikutusten avulla. Ionisäteiden tapauksessa pitää tutkia tarkemmin. Metalliatomit luovuttavat helposti elektronin (-neja), joten muodostuva kationi (+-merkkinen ioni) on pienempi kuin alkup. atomi. Vastaavasti epämetalli-ionit ovat usein anioneja ( merkkinen ioni), jolloin niiden säde on suurempi kuin alkup. atomin. Tarkastellaan vielä lopuksi elektronikonfiguraation pysyvyyttä kuvaavia suureita: ionisaatioenergiaa, elektroniaffiniteettia sekä 1.-kurssilta tuttua käsitettä elektronegatiivisuusarvoa. Määritelmä: Ionisaatioenergia on pienin energia, joka tarvitaan irrottamaan atomin uloin elektroni. Mitä pienempi ionisaatioenergia on, sitä löyhemmin atomi sitoo irtoavaa elektronia ja sitä reaktiivisempi alkuaine on. Elektronin irrottaminen vaatii aina energiaa, siksi ionisaatioenergia on aina positiivinen! Na g Na + g + e IE 1 = 496 kj/mol Alkuaineille voidaan mitata myös toinen, kolmas jne. ionisaatioenergiat. 7

8 Seuraavalla dialla sama asia hieman toisin esitettynä. 8

9 Määritelmä: Elektroniaffiniteetti on energia, joka vapautuu tai sitoutuu, kun kaasumaiseen atomiin liitetään yksi elektroni. Jaksollisessa järjestelmässä eri alkuaineiden elektroniaffiniteetit muuttuvat pääpiirteissään samoin kuin ionisaatioenergiat (poikkeuksia on enemmän elektronirakenteesta johtuen). Mitä negatiivisempi elektroniaffiniteetti on, sitä helpommin alkuaineesta muodostuu negatiivinen ioni eli anioni. F g + e F g EA = 328 kj/mol Elektronegatiivisuus on sidoksia muodostavan atomin ominaisuus, eikä yksittäisen vapaan atomin ominaisuus! 9

10 10

11 Jäikö mieleen? Luku 1.3 Minkä ominaisuuden mukaisesti alkuaineet on sijoitettu jaksolliseen järjestelmään? Mitä ovat jaksollisen järjestelmän a) ryhmät b) jaksot c) pääryhmät d) sivuryhmät? Miksi saman pääryhmän alkuaineiden kemialliset ominaisuudet ovat samankaltaiset? Mikä pääryhmä on a) alkalimetallit b) halogeenit c) jalokaasut? Mikä ryhmän 1 alkuaineista ei ole alkalimetalli? Mikä on aktiivisin alkalimetalli? Miksi? Miksi alkalimetalleja ei löydy luonnosta vapaana? Miten ryhmien 1, 2 ja alkuaineet pyrkivät reagoimaan? Miksi jalokaasut ovat kemiallisesti passiivisia? 11