9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ Jo vuonna 1869 venäläinen kemisti Dmitri Mendeleev muotoili ajatuksen alkuaineiden jaksollisesta laista: Jos alkuaineet laitetaan järjestykseen atomiluvun mukaan, alkuaineet, joilla on samanlaiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet toistuvat säännöllisesti. Jaksollisessa järjestelmässä vaakarivit ovat jaksoja ja pystyrivit ryhmiä. Saman ryhmän alkuaineilla ovat samanlaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. www.webelements.com 1
2
Suljettukuoriseksi atomiksi kutsutaan sellaista atomia, jonka kaikki alikuoret ovat täynnä. Esim. He 1s 2 Ne 1s 2 2s 2 2p 6 Ar 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Suljettukuorisella atomilla kokonaisrata- ja spinliikemäärämomentti =0, varausjakautuma on pallosymmetrinen ja elektronit ovat tiukasti sidottuna täyteen kuorirakenteeseen. Ts. suljettukuorinen atomi on kemiallisesti passiivinen (eli ei ole halukas ottamaan vastaan tai luovuttamaan elektroneja). Ryhmä 8 (helium, neon, argon, krypton, ksenon) jalokaasuja, hyvin epäaktiivisia eivät reagoi minkään kanssa eivätkä muodosta molekyylejä. 3
Alkalimetalleilla on yksi s elektroni suljetun kuoren ulkopuolella, kaukana ytimestä ja se irtoaa helposti. Alkalimetallit ionisoituvat hyvin pienillä energioilla syntyy positiivisia ioneja. Ryhmä 1 ([vety,] litium, natrium, kalium) alkalimetallit pehmeitä, matala sulamispiste, hyvin aktiivisia Halogeeneilta puuttuu yksi elektroni täydestä elektronikuorirakenteesta. Ne pyrkivät suljettuun rakenteeseen ja muodostavat negatiivisen varauksen omaavia ioneja. Ryhmä 7 (fluori, kloori, bromi) haihtuvia epämetalleja, jotka muodostavat kaksiatomisia molekyylejä, hyvin aktiivisia Siirtymämetallit sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä II ja III ryhmien välissä. Ne ovat luonteeltaan metallisia, yleensä kovia ja hauraita ja niillä on korkea sulamispiste. Jaksosta 6 löytyvät lantanoidit ja jaksosta 7 aktinoidit. Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineiden metalliluonne voimistuu järjestelmässä vasemmalle alas kuljettaessa. 4
Jaksollisen järjestelmän taulukkoa: Jalokaasu, ionisaatioenergia suurin, stabiili Uloin elektroni heikosti sidottu, pieni ionisaatioenergia Kuorien täyttyminen säännöllistä tähän saakka Tässä epäsäännöllisyys: 4s täyttyy ennen 3d:tä 3d:n täyttyminen alkaa (rautaryhmä) 3d ja 4s energeettisesti lähekkäin, jopa kaksi elektroni-konfiguraatiota mahdollista jollain alkuaineilla (eli elektronit voivat olla 3d/4s). Ionisaatio voi muuttaa elektronikonfiguraatiota (3d kuori painuu kasaan ionisaatioasteen 5 kasvaessa) 3d 10 4s eikä 3d 9 4s 2
4d täyttyy palladium ryhmässä Epäsäännöllisyyttä 4d ja 5s lähekkäin Kaksi s-elektronia suljetun kuoren ulkopuolella stabiili, esiintyvät yksiatomisina hyörystettäessä: Maa-alkalit: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra Zn, Cd ja Hg: ionisaatioenergia käyrässä maksimit 6
7
Virallisesti varmennettuja alkuaineita tunnetaan nykyään 112 erilaista, joista 94 esiintyy luonnossa ja loput on valmistettu keinotekoisesti ydinreaktioiden avulla. 8
2000-luvulla löytyneet alkuaineet 2001 livermorium Z=116 (Dubnan ydintutkimuskeskus) 2004 ununpentium Z=115 (Dubnan ydintutkimuskeskus ja Lawrence Livermoren laboratorio) 2006 ununoktium Z=118 (Dubnan ydintutkimuskeskus ja Lawrence Livermoren laboratorio) 2010 ununseptium Z=117 (Dubnan ydintutkimuskeskus) 2012 unutrium Z=113 (RIKEN- tutkimuslaitos, Japani) 2004 Z=113 (Dubnan ydintutkimuskeskus ja Lawrence Livermoren laboratorio) https://www.jyu.fi/ajankohtaista/arkisto/2014/05/tiedote-2014-05-14-14- 57-20-490132 http://www.talouselama.fi/uutiset/tutkijat+loysivat+uuden+alkuaineen+ +valiaikainen+nimi+ununtrium/a2147936 9
Ionisaatioenergioita atomiluvun funktiona: Ionisaatioenergiat suurimpia jalokaasuille, pienimpiä alkalimetalleille. Raskaammilla atomeilla ionisaatioenergia pienenevät, elektronit kauempana ytimestä ja muiden elektronien varjostus suurempi. 10
ESIMERKKI 9.1 Litiumin ionisaatio energia on 5.39 ev. Määritä 2s elektronin kokema efektiivinen varaus. 11
Atomien säde muuttuu varjostuksen mukana, mitä suurempi varjostus, sitä matalampi sidosenergia sitä kauempana elektroni on ytimestä. http://crystalmaker.com/support/tutorials/crystalmaker/atomicradii/index.html 12
ESIMERKKI 9.2 Kumpi seuraavista alkuaineista on kooltaan isompi ja miksi? Li vai F? Li vai Na? F vai Cl? Na vai Si? 13
1s elektronin ionisaatioenergia kasvaa paljon Z:n funktiona, uloimman elektronin ionisaatioenergia vaihtelee vähän. Raskain atomi (Z>90) on vain noin kolme kertaa vedyn kokoinen. Transitiometallit: 4s ja 3d sidosenergiat eroavat vähän, kuoret eivät täyty ihan järjestyksessä (kuten jo alkuaineiden taulukosta huomattiin). Yleensä elektronikuoret täyttyvät seuraavasti: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 7s 2 Helppo muistisääntö alikuorien täyttymiseen: 14
Kaikki lantanoidit käyttäytyvät kemiallisesti hyvin samalla tavalla. Syy tähän on, että kaikkien näiden elektronikonfiguraatio on 5s 2 5p 6 6s 2 + vajaa 4f alikuori Vajaalla 4f kuorella ei ole juurikaan merkitystä alkuaineen kemialliseen käyttäytymiseen, koska ulommat 6s elektronit määräävät aineen kemiallisen käyttäytymisen. Vastaavasti aktinoideilla: 6s 2 6p 6 7s 2 + vajaa 5f ja 6d alikuoret 15