Układ okresowy pierwiastków

Układ okresowy
pierwiastków
Myślenie bez intuicji jest puste, intuicja
bez myślenia jest ślepa.
Albert Einstein
Spis treści
•
•
•
•
•
•
Ważne pojęcia
Trochę historii
O ilu pierwiastkach wiemy
Wygląd współczesnego układu okresowego
Oznaczenia w układzie okresowym
Zmiany właściwości pierwiastków w układzie
okresowym
• Charakterystyka poszczególnych grup głównych
• Przykłady
WAŻNE POJĘCIA
• Atomowa jednostka masy [u]
Atomowa jednostka masy [u] to 1/12 masy atomu izotopu węgla 12C
• Izotopy
Atomy posiadające tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w
jądrze), ale różną liczbę neutronów
• Liczba atomowa ( Z ) (liczba porządkowa)
Określa, ile protonów znajduje się w jądrze danego atomu. Jest
także równa liczbie elektronów niezjonizowanego atomu.
• Masa atomowa [MA]
Liczba określająca ile razy masa jednego reprezentatywnego atomu
danego pierwiastka chemicznego jest większa od 1/12 masy atomu
izotopu 12C, przy czym pod pojęciem „reprezentatywnego atomu”
rozumie się atom o średniej masie wyliczonej proporcjonalnie ze
wszystkich stabilnych izotopów danego pierwiastka, ze względu na
ich występowanie na Ziemi.
•
Powłoka walencyjna
Ostatnia, najdalej odsunięta od jądra powłoka elektronowa atomu.
Elektrony na niej są najsłabiej związane z atomem i mogą
uczestniczyć w tworzeniu wiązań chemicznych.
W przypadku elektronów znajdujących się niżej zazwyczaj nie jest to
możliwe, choć są od tego liczne wyjątki.
Liczba masowa (A)
to wartość opisująca liczbę nukleonów (czyli protonów i neutronów)
w jądrze (w nuklidzie) danego izotopu atomu danego pierwiastka.
Liczby masowej nie należy mylić z masą atomową pierwiastka, która
wyznaczana jest metodami chemicznymi, ani też z masą
pojedynczego izotopu.
Nierówności te spowodowane są:
- istnieniem izotopów,
- defektem masy jądra,
- dodatkowym udziałem elektronów w masie atomowej.
Atomy mające tę samą liczbę masową, ale różną liczbę protonów,
nazywa się izobarami. Oczywiście są to atomy różnych pierwiastków
Przykłady:
wodór 1H, 2H, 3H
uran 232U, 233U, 234U, 235U, 236U, 238U
Obliczanie ilości neutronów w jądrze
Izotop 64Ni mający liczbę atomową 28. Chcąc
obliczyć liczbę neutronów, należy odjąć ilość
protonów w jądrze (liczbę atomową) od liczby
masowej (w tym przypadku 64). Liczba neutronów w
izotopie 64Ni wynosi 36.
TROCHĘ HISTORII
Prawo triad pierwiastków chemicznych (ok. 1817 r.)
Zostało sformułowane przez J. W. Doebereinera.
Zauważył on, że w kilku grupach zawierających po trzy
pierwiastki, np.: wapń, stront, bar lub chlor, brom, jod,
właściwości fizyczne i chemiczne są podobne i zmieniają się
regularnie ze wzrostem masy atomowej.
Prawo oktaw (1864r.)
Angielski chemik John A.Newlands, układał szeregi
pierwiastków według wzrastającej masy atomowej i
zauważył, że co ósmy pierwiastek jest rodzajem
powtórzenia tak, jak co ósma nuta jest powtórzeniem
oktawy w muzyce. Tablica ułożona przez Newlandsa
wykazywała jednak niekonsekwencje, wynikające po
części z niekompletności listy pierwiastków oraz
z błędów w wyznaczaniu ich mas atomowych.
Następnym uczonym zmagającym się z problemem systematyzacji
pierwiastków był francuski geolog Alexandre E. Beguyer de
Chancourtois.
On również zestawił znane pierwiastki według ich mas atomowych i
przedstawił je na cylindrycznych wykresach.
Podobne pierwiastki ułożyły się w kolumnach pionowych.
Publikując swoją teorię nie podał on wykresów co spowodowało, że
doniesienie to nie zostało dostrzeżone przez współczesnych
badaczy.
W 1870 rosyjski uczony Dymitrij Mendelejew opracował
prawo okresowości, którego wyrazem był układ okresowy
(zwany Tablicą Mendelejewa)
D.I. Mendelejew zastosował następujące założenia opracowanej
przez siebie klasyfikacji pierwiastków;
• Pierwiastki uszeregowane zgodnie ze wzrastającą masą
atomową wykazują powtarzalność (periodyczność)
swoich właściwości (prawo okresowości).
• W tabeli układu okresowego przewidziane były miejsca dla
prawdopodobnie istniejących, a nie odkrytych jeszcze
pierwiastków. Medelejew opisał ich właściwości.
• W kilku miejscach układu przestawiono kolejność
pierwiastków, uznając podobieństwo właściwości
pierwiastków w tej samej grupie za ważniejsze od ich
wzrastającej masy atomowej.
Puste miejsca pozostawione były dla odkrytych
później;
skandu (Sc), galu (Ga), germanu (Ge), itru (Y),
technetu (Tc), indu (In), ceru (Ce) i renu (Re).
Pasjans Mendelejewa
Mendelejew dokonał swego odkrycia usiłując po raz kolejny „ułożyć
pasjansa" kartami, na których wypisał masy atomowe i inne
właściwości znanych wówczas 63 pierwiastków.
Zdobył się on przy tym na śmiały krok, ogłaszając, że psujące
schemat trzy nieregularności znikną, jeśli w istniejącym układzie
pierwiastków pozostawi się trzy wolne miejsca w których powinny
znaleźć się nie odkryte jeszcze pierwiastki.
Tak więc, Mendelejew nie tylko dokonał systematyzacji znanych w
jego czasach pierwiastków chemicznych, ale także przewidział
odkrycie kolejnych - a co więcej, przewidział ich właściwości
fizyczne i chemiczne.
O ilu pierwiastkach wiemy teraz ?
Do 2008 r. udowodniono istnienie 117 pierwiastków chemicznych
Pierwiastki o liczbach atomowych od 1 do 111 zostały oficjalnie
uznane przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i
Stosowanej (IUPAC) i nadano im oficjalne nazwy oraz skróty.
Na temat istnienia pierwiastków o liczbach atomowych 112, 113,
114, 115, 116 i 118 istnieją spory naukowe i dlatego jak dotąd
nie mają one oficjalnych nazw i skrótów.
Pierwiastek 117 jak dotąd nie został otrzymany.
Oprócz nazw pierwiastków uznanych oficjalnie przez IUPAC w
obiegu są też nazwy nieoficjalne. Dotyczy to głównie
pierwiastków otrzymanych sztucznie przy pomocy technik
rozwiniętych przez fizykę jądrową.
Naturalnie na Ziemi występują 92 pierwiastki.
Pozostałe zostały otrzymane sztucznie.
Pierwiastki o liczbie atomowej powyżej 82 są niestabilne. Ulegają
rozpadowi promieniotwórczemu w zauważalnym
eksperymentalnie tempie. Oprócz tego niestabilne są także
pierwiastki 43 (technet) i 61 (promet), które zostały otrzymane
sztucznie.
Wszystkie pierwiastki o liczbie atomowej powyżej 94 nie występują
naturalnie.
Współczesny układ okresowy
Współczesny układ okresowy zbudowany jest:
- z kolumn pionowych, zwanych grupami ( 18 grup)
( 8 głównych IA – VIII A ( 0) )
- szeregów poziomych, tzw. okresów ( 7 okresów)
Najnowsze zalecenia Komisji Nomenklatury IUPAC każą
numerować grupy kolejnymi liczbami arabskimi od 1 do 18.
Nazwę grupy tworzy się od nazwy pierwiastka, który znajduje
się na początku grupy (pierwsza grupa przyjmuje swoją nazwę
od litu, a nie od wodoru i zwana jest litowcami, druga grupa to
berylowce itd.).
Pierwiastki uszeregowane są według wzrastających liczb
atomowych (Z)
Każdy następny od poprzedniego różni się o jeden proton w
jądrze atomu
Pierwiastki danej grupy stanowią niejako wspólną rodzinę,
bowiem posiadają podobne właściwości fizyczne i chemiczne
Numer okresu, w którym leży dany pierwiastek odpowiada
liczbie powłok elektronowych w jego atomie. W atomach
pierwiastków grup głównych liczba elektronów na ostatniej
powłoce jest równa liczbie jedności w numerze grupy
Atomy pierwiastków grup pobocznych, czyli od 3 do 12, mają na
ostatniej powłoce 1 lub 2 elektrony
Lantanowce
Aktynowce
Oznaczenia w układzie okresowym
Symbol
pierwiastka
A
Z
M
Liczba
atomowa
Masa
atomowa
Numery wierszy od 1 – 7 określają numer okresu
Numery kolumn od 1 – 18 określają numer grupy
Grupy główne
1
2
13
14
15
16
17
18
IA
IIA
IIIA
IVA
VA
VIA
VIIA
VIII A
Grupy poboczne
3
4
5
6
IIIB
IVB
VB
VIB
7
8
9
10
VIIB VIIIB VIIIB VIIIB
11
12
IB
IIB
Zmiany właściwości pierwiastków i ich związków
w układzie okresowym
Wzrost właściwości kwasowych
Wzrost właściwości zasadowych
Charakterystyka poszczególnych grup głównych
LITOWCE
Do pierwszej grupy układu okresowego, tzw. litowców,
zaliczane są następujące pierwiastki:
lit (Li), sód (Na), potas (K), rubid (Rb), cez (Cs) oraz nietrwały
promieniotwórczy frans (Fr).
Litowce występują w przyrodzie jedynie w stanie związanym.
Wszystkie litowce są metalami.
Sód i potas są dość powszechnymi składnikami litosfery, ale ze
względu na dużą reaktywność chemiczną pierwiastki tej grupy
nie występują w przyrodzie w stanie wolnym lecz wyłącznie w
postaci związków najczęściej jako chlorki, siarczany, węglany,
rzadziej azotany i fosforany
W związkach wykazują zawsze wartościowość „1” równą
numerowi grupy IA
BERYLOWCE
Do metali drugiej grupy układu okresowego berylowców należą:
beryl (Be), magnez (Mg), wapń (Ca), stront (Sr), bar (Ba) i
promieniotwórczy rad (Ra).
Metale grupy IIA spotykane są w przyrodzie wyłącznie w
związkach, w których są dwuwartościowe
BOROWCE
Do grupy borowców zalicza się następujące pierwiastki: glin
(Al), gal (Ga), ind (In), tal (Tl).
Do grupy 13 należy również bor, który jest niemetalem, a ściślej
mówiąc półmetalem
W przyrodzie w stanie wolnym nie występują. Max
wartościowość wynosi 3
WĘGLOWCE
Do pierwiastków czternastej grupy układu okresowego należą:
węgiel (C), krzem (Si), german (Ge), cyna (Sn), ołów (Pb).
Wszystkie węglowce mogą tworzyć wiązania kowalencyjne. W
grupie ze wzrostem masy atomowej zmienia się charakter
pierwiastków.
Węgiel jest typowym niemetalem, natomiast cyna i ołów są
typowymi metalami. W przyrodzie w stanie wolnym występuje
tylko węgiel.
Maksymalna wartościowość wynosi IV
AZOTOWCE
Do 15 grupy układu okresowego, tzw. azotowców należą: azot
(N), fosfor (P), arsen (As), antymon (Sb) i bizmut (Bi).
W przyrodzie występują w stanie wolnym (oprócz fosforu).
Azot i fosfor są typowymi niemetalami, gdyż tworzą tylko tlenki
kwasowe. Arsen i antymon są pierwiastkami półmetalicznymi,
natomiast bizmut jest typowym metalem i tworzy tylko tlenki
zasadowe.
TLENOWCE
Do 16 grupy układu okresowego tzw. grupy tlenowców należą:
tlen (O), siarka (S), selen (Se), tellur (Te) oraz polon (Po).
Wszystkie występują w przyrodzie w stanie wolnym i w
związkach, w ilościach malejących wraz ze wzrostem masy
atomowej. Są dość silnymi utleniaczami, najsilniejszym jest
oczywiście tlen
FLUOROWCE
Wszystkie fluorowce są niemetalami. Fluor i chlor są w zwykłych
warunkach żółto zielonymi gazami o charakterystycznej, ostrej
woni; brom jest ciemnobrunatną lotną cieczą, a jod ciałem
stałym o metalicznym połysku.
Żaden z fluorowców nie występuje w stanie wolnym
Astat nie występuje w przyrodzie; jest pierwiastkiem
promieniotwórczym o krótkim okresie półtrwania.
HELOWCE
Gazy szlachetne (helowce) leżą w 18 grupie układu okresowego
pierwiastków. Należą do niej: hel (He), neon (Ne), argon (Ar),
krypton (Kr), ksenon (Xe), oraz radon (Ra)
Helowce są bezbarwnymi, bezwonnymi i biernymi chemicznie
gazami. W odróżnieniu od innych pierwiastków gazowych
występują w cząsteczkach jednoatomowych (ich atomy nie
łączą się w cząsteczki)
Numer grupy głównej informuje o maksymalnej wartościowości
pierwiastków wchodzących w różne związki chemiczne.
Pierwiastki tych grup najczęściej przyjmują wartościowość równą
nr A lub (8 – nr A)
Pierwiastki zapisane w grupach, oznaczone liczbą parzystą,
przyjmują w związkach wartościowość parzystą, natomiast
pierwiastki znajdujące się w grupach o liczbach nieparzystych
mają wartościowość nieparzystą. Istnieje jednak kilka wyjątków
od tej reguły
Zn
Zn 30 65,37
• Symbol Zn – nazwa polska cynk, nazwa łacińska zincum
• Liczba atomowa (porządkowa) - 30, więc jest 30 pierwiastkiem
w UO
• Masa atomowa - 65,37( występują izotopy tego pierwiastka)
• Znajdujemy w tablicy i odczytujemy:
• Grupa – IIB ( 12) pierwiastek należący do grupy pobocznej
(cynkowce), wartościowość II, metal
• Okres- 4
Korzystając z układu okresowego omów
pierwiastek o liczbie atomowej Z = 35
Z = 35, więc jest to 35 pierwiastek w UO. Atom tego pierwiastka
posiada 35 protonów w jądrze.
Odczytujmy z tablicy
Symbol: Br
Nazwa: brom (pl) bromum (łacińska)
Masa atomowa: 79,9 [u] ( istnieją izotopy – liczba ułamkowa)
Grupa: VIIA (17) , rodzina fluorowców, niemetal, ilość elektronów na
ostatniej powłoce 7,
wartościowość – 7, 8 – VII = 1
Okres: 4; ma więc 4 powłoki elektronowe