Układ okresowy pierwiastków,

struktura,

grupy pierwiastków,

odmiany alotropowe

Idea uporządkowania pierwiastków według wzrastających mas i
doszukiwanie się periodyczności cech chemicznych stały się podstawą
fundamentalnego, w zakresie uporządkowania pierwiastków,
prawa okresowości sformułowanego przez Dymitra
Mendelejewa.

Pierwiastki uszeregowane według wzrastających mas
atomowych wykazują cykliczność w występowaniu
podobnych właściwości chemicznych.

`

Dymitrij Iwanowicz Mendelejew

(ur. 27 stycznia 1834 w Tobolsku

zm. 20 stycznia 1907 w Sankt

Petersburgu) –

chemik rosyjski

Tablica Mendelejewa w wersji anglojęzycznej,
przygotowanej przez samego Mendelejewa w 1891 r

oryginalna tablica Mendelejewa była w zasadzie

prostą tabelą z listą pierwiastków wg

wzrastającej masy atomowej i przypisaniem

do określonego okresu

 Mendelejew twierdził, że własności chemiczne i fizyczne pierwiastków

zmieniają się w sposób ciągły, ale powtarzają się okresowo, jeśli ułoży

się je według wzrastajścego ciężaru atomowego. Za podstawę

porównania pierwiastków przyjął podobieństwo wartościowości w

stosunku do tlenu i do wodoru. Pierwiastki ułożone w porządku

wzrastającego ciężaru atomowego przejawiają wzrost wartościowości

względem tlenu od 1do 7. Zmiana wartościowości pierwiastków

względem wodoru jest inna, początkowo wzrasta od 1 do 4, a potem

zmniejsza się do jedności.

 Uszeregowane na tej zasadzie pierwiastki wykazały powtarzające się

podobieństwo chemiczne najpierw co 7, a następnie co 17

pierwiastków. Szereg pierwiastków pomiędzy dwoma

jednowartościowymi metalami o zbliżonych własnościach

chemicznych i fizycznych nazwał Mendelejew okresem.

 Okres krótki zawierał 7 pierwiastków,okres długi - 17. Po odkryciu

gazów szlachetnych i wstawieniu ich do tablicy powtarzanie własności

okresowości zjawiło się co 8 lub co 18 pierwiastków.

Układ okresowy pierwiastków

jest to zestawienie wszystkich pierwiastków chemicznych w

postaci rozbudowanej tabeli, uporządkowane według ich
rosnącej liczby atomowej, grupujące pierwiastki według ich
cyklicznie powtarzających się podobieństw właściwości. Jest
to zbiór sztucznie i naturalnie stworzonych pierwiastków.

Współczesny wygląd układu okresowego zawdzięczamy Nielsowi
Bohrowi, który podzielił go na grupy i okresy.

Grupy wypisuje się w kolumnach, a okresy w rzędach. Grupy dzieli się
na grupy główne i grupy poboczne.

W grupach głównych okresy występują co osiem kolejnych atomów

W grupach głównych wszystkie elektrony z powłoki walencyjnej zajmują

orbitale typu: s i p

, w grupach pobocznych

orbitale: s i d

, a w grupie

lantanowców i aktynowców

orbitale: s, d i f

.

Jest to podstawą do podzielenia układu okresowego na

bloki

:

s

i

p

(grupy główne),

d

(grupy poboczne) oraz

f

(lantanowce i

aktynowce). W większości współczesnych, graficznych przedstawień

układu okresowego grupy główne są rozdzielone za drugą grupą całym

blokiem d, a blok f jest "wyciągnięty" pod połączone bloki s, p i d

Współczesny układ okresowy (z rozdzielonymi blokami s,
p, d i f) jest dobrym sposobem na przedstawienie
zależności własności chemicznych od miejsca w układzie.

Pierwsze dwie grupy główne (oprócz wodoru) grupują atomy o bardzo
silnych własnościach metalicznych

grupy 15, 16 i 17 (grupy VA, VIA i VIIA) grupują atomy o
mniej lub bardziej wyraźnych własnościach
niemetalicznych

Gazy

szlachetne

Wszystkie

atomy

grup

pobocznyc

h, a także

lantanowc

e i

aktynowce

to typowe

metale

Inne informacje, które można uzyskać z układu okresowego:

STAN SKUPIENIA

Korzystanie z układu
okresowego

Powłoka

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

K L M, N, O, P, Q

Ilość elektronów na powłoce

2, 8, 18, 32, 50, 72, 98

Pierwiastki danego

okresu

mają tę samą

liczbę powłok

elektronowych.

Pierwiastki należące do tej samej

grupy

charakteryzują się tą samą

liczbą elektronów

walencyjnych

, a w konsekwencji podobnymi właściwościami chemicznymi.

PRZYKŁADY:

konfiguracja elektronowa pierwiastka: 4s

2

4p

2

Położenie w układzie: 4 okres – 4 grupa główna

15

P (fosfor liczba atomowa 15)

zapełnione powłoki K (2 e) +L (10 e) + M (5 e walencyjnych)

Więc: 3 okres – 5 grupa główna

Podaje ona masę danego atomu w jednostkach mas atomowych

(j.m.a.) (u).

u = 1,660*10

-24

g.

Duża część pierwiastków charakteryzuje się masami atomowymi

będącymi liczbami niecałkowitymi.

Niecałkowite wartości mas atomowych biorą się z faktu

występowania w przyrodzie

izotopów

(

odmian pierwiastków,

których jądra zawierają różne ilości neutronów

).

Chlor - w przyrodzie występują dwa izotopy o A= 35 i A = 37.

Jądro izotopu

35

Cl zawiera 17 protonów i 18 neutronów, a izotopu

37

Cl 17 protonów i 20 neutronów. Obydwie odmiany izotopowe

mają oczywiście tę samą ilość 17 elektronów krążących wokół

jądra.

Masa atomowa

jest średnią ważoną mas atomowych obu odmian

izotopowych z uwzględnieniem ich rozpowszechnienia w

przyrodzie.

Ważną wielkością umieszczaną przy symbolu
pierwiastka w układzie okresowym jest masa
atomowa pierwiastka

Zwykle wszystkie izotopy oznaczane są tym samym symbolem.
Reguła ta nie dotyczy wodoru, którego izotopy noszą nazwy:

prot,

deuter

i

tryt

i niekiedy oznaczane są symbolami

D

i

T

.

 Prot:

1H (ma jeden proton i nie ma neutronów) - trwały,

 Deuter

: 2H (D) (ma jeden proton i jeden neutron) - trwały,

 Tryt

: 3H (T) (ma jeden proton i dwa neutrony) - nietrwały.

Deuter (2H, D) – jest stabilnym izotopem wodoru z naturalną obfitością

jednej części w 7000 częściach wodoru. Deuter może zastąpić normalny
wodór w cząsteczkach wody, tworząc ciężką wodę (D

2

O), mającą

charakterystyczną właściwość spowalniania neutronów, dzięki której jest
stosowana przy wytwarzaniu energii jądrowej

Tryt w minimalnych ilościach występuje w atmosferze, jednak głównym

źródłem jego pozyskiwania są reakcje jądrowe. Używany jest jako wskaźnik
izotopowy np. do określania wieku przedmiotów czy badań mechanizmów
reakcji chemicznych i procesów biologicznych.

• Ze względu na różnicę mas atomowych izotopy mają różne niektóre

własności fizyczne, przy czym różnice te są tym większe, im większy jest
rozrzut ich mas względem siebie. Różnice w masach atomowych
izotopów powodują, że w formie czystej mają one inną gęstość,
temperaturę wrzenia, topnienia i sublimacji.

Izotopy dzielą się na:
• trwałe

(nie ulegają samorzutnej przemianie na izotopy innych

pierwiastków),

• nietrwałe

zwane

izotopami

promieniotwórczymi

(ulegają

samorzutnej przemianie na inne izotopy zazwyczaj innego pierwiastka).

Izotopy promieniotwórcze -

atomy, których jądra są niestabilne i

samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej, dając w wyniku tego
inne atomy (cząstki elementarne) oraz wydzielając energię w postaci
promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany.

Izotopy promieniotwórcze charakteryzuje czas

połowicznego rozpadu

, tj.

czas w którym zanika połowa jąder danego pierwiastka.

• Naturalne radionuklidy syntezowane są w gwiazdach, szczególnie

podczas wybuchów supernowych. Niektóre z nich (np. uran) posiadają

wystarczająco długi okres półtrwania, aby nie ulegały one samorzutnemu

rozpadowi w ciągu miliardów lat. Niektóre izotopy (np.

14

C) są tworzone

podczas zderzeń wysokoenergetycznych cząstek pochodzących z kosmosu z

budulcami atmosfery ziemskiej.

• Sztuczne radionuklidy są wytwarzane przez człowieka głównie w

reaktorach jądrowych oraz akceleratorach

• Izotopy promieniotwórcze

stosowane są

w wielu dziedzinach badań

technicznych (np.: w badaniach przepływów – śledząc z zewnątrz układu

przemieszczanie się w nim płynu zawierającego domieszkę izotopu

promieniotwórczego lub w badaniach zużycia materiałów – implantując

izotop w elementy konstrukcyjne np. silnika i badając zmiany aktywności

tego izotopu w oleju silnikowym w czasie pracy), znajdują zastosowanie w

przemyśle (izotopowe czujniki poziomu, wagi izotopowe, izotopowe czujniki

przeciwpożarowe), medycynie (radiofarmaceutyki, zasilacze izotopowe),

biologii

(śledzenie

obiegu

i

roli

mikroelementów),

geologii

(radiometryczne metody geologiczne) oraz w badaniach podstawowych

(metoda atomów znaczonych, badania dyfuzji, badania strukturalne itd.).

Izotopy promieniotwórcze stosuje się również do modyfikacji cech

przedmiotów

naświetlanych:

wywoływania

mutacji,

sterylizacji,

wywoływania

zmian

w

strukturze

polimerów,

zabijania

tkanek

nowotworowych.

Związki chemiczne

- jednorodne połączenia co najmniej dwóch pierwiastków

chemicznych za pomocą dowolnego wiązania chemicznego posiadające zerowy
sumaryczny ładunek elektryczny.

Mieszanina

- połączenie dwóch lub więcej pierwiastków albo związków

chemicznych, które po zmieszaniu nadal wykazują swoje właściwości.
Mieszaninę można zazwyczaj stosunkowo łatwo rozdzielić różnymi metodami
mechanicznymi lub fizycznymi, takimi jak filtracja, ekstrakcja, sedymentacja,
destylacja, krystalizacja itp.

Mieszanina

Związek chemiczny

Powstaje przez zwykłe

zmieszanie dwu lub

większej liczby

substancji

Powstaje w wyniku

połączenia się różnych

substancji prostych

Składniki zachowują swoje

właściwości przed i po

zmieszaniu

Ma inne właściwości niż

składniki z których

powstał

Można rozdzielić na

składniki z

wykorzystaniem różnic

we właściwościach

fizycznych

poszczegolnych

składników

Można rozłożyć z

wykorzystniem bodzca

zewnętrzego

(temperatura, prąd,

światło, itp.)

Substancje złożone dzielą się na

mieszaniny i związki chemiczne

SUBSTANCJE CHEMICZNE

PROSTE

ZŁOŻONE

Pierwiastki związki chem.

mieszaniny

W zależności od stopnia rozdrobnienia substancji mieszaniny można
podzielić na jednorodne i niejednorodne.

Mieszaniny niejednorodne

to

takie, których składniki można odróżnić gołym okiem lub z użyciem
mikroskopu. Składników

mieszaniny jednorodnej

nie można

wyodrębnić nawet z pomocą mikroskopu.

MIESZANINY CHEMICZNE

JEDNORODNE

NIEJEDNORODNE

Sól i woda

piasek i woda

Alkohol i woda

sól i siarka

Stopy metali

siarka i żelazo

Powietrze

granit

Mieszaniny mogą występować w trzech stanach

skupienia. Mieszaniną gazową jest powietrze,

mieszaninami

ciekłymi

roztwory,

stopy

są

mieszaninami stałymi

Roztwór – mieszanina jednorodna składająca się z co

najmniej dwóch składników:

- rozpuszczalnika
- substancji rozpuszczonej

Skład roztworu określa się ilościowo za pomocą

wielkości

zwanej

stężeniem

,

wyrażającej

zawartość

substancji

rozpuszczonej

w

określonej ilości rozpuszczalnika lub roztworu

.

CHEMIA

Rodzaje

stężeń

Stężenie

Skład roztworu określa się ilościowo

za

pomocą

wielkości

zwanej

stężeniem

, wyrażającej zawartość

substancji

rozpuszczonej

w

określonej ilości rozpuszczalnika
lub roztworu.

Sposoby określania stężeń

▪ Procentowe (c

p

)

▪ Molowe (c

m

)

▪ Molalne (c)
▪ Ułamek molowy (x

A

)

Stężenie procentowe

Jest to liczba gramów substancji rozpuszczonej,
zawartej w 100 g roztworu, czyli procent
wagowy substancji w stosunku do masy
roztworu, którą przyjmuje się za 100%.

c

p

= m

s

/m

r

× 100% [%]

c

p

= m

s

/(m

s

+ m

a

) × 100% [%]

m

r

= m

s

+ m

a

m

s

– masa substancji rozpuszczonej

m

r

– masa roztworu

m

a

– masa rozpuszczalnika

Stężenie procentowe –
przykłady

Alkohol etylowy
 bezwodny 99%
 spirytus 96%
 wódka ~40%

Powietrze
• azot 78%
• tlen 21%
• argon <1%
• inne

Stal

• max do 2%

węgla
Stal nierdzewna
• min 10,5% Cr

oraz
• max 1,2% C

Przykład

Rozpuszczono w wodzie 30 g NaOH, otrzymując

roztwór 12,5%. Ile gramów wody użyto do
sporządzenia tego roztworu?

c

p

= m

s

/(m

s

+ m

a

) x 100% [%]

m

a

= m

s

x 100% / c

p

– m

s

= m

s

(100%/c

p

– 1)

m

a

= 30 g (100%/12,5% -1) = 210 g

Albo:

12,5g NaOH – 100 g r-ru
30g NaOH - x r-ru
x=(30

x

100)/12,5 [g r-ru]

Masa r-ru = woda +NaOH (30

x

100)/12,5 =

woda

+12,5

Jest to liczba moli substancji
rozpuszczonej w 1 dm

3

roztworu

Stężenie molowe

Tuzin (12), kopa (6), mendel (15), gros (144) [elementów-

makroobiektów]
1 mol = 6,023 × 10

23

elementów materii [mikroobiektów]

ilość atomów w 12 gramach izotopu węgla

12

C (liczba Avogadra)

Masa molowa jest to masa 1 mola substancji
Masę molowa g/mol.

Masa molowa atomów danego pierwiastka jest równa

liczbowo jego masie atomowej, a masa molowa cząsteczek

związku chemicznego jest równa liczbowo jego masie

cząsteczkowej.

Ilość moli substancji rozpuszczonej w 1 dm

3

roztworu

c

m

= n

s

/ V [mol/dm

3

]

n

s

– liczność substancji

rozpuszczonej

V – objętość całego roztworu

Roztwór jednomolowy = roztwór zawierający w objętości
1 dm

3

1 mol danej substancji

np. 1 M HCl (1 M = 1 mol/dm

3

)

Stężenie molowe

Przykład

W 300 cm

3

roztworu znajduje się 18 g NaOH.

Obliczyć stężenie molowe roztworu.

c

m

= n / V

r

[mol/dm

3

]

n = m

s

/ M

c

m

= m

s

/MV

r

c

m

= 18 g / (40 g/mol x 0,3 dm

3

) = 1,5

mol/dm

3

Ułamek molowy

Jest to stosunek liczby moli danego składnika roztworu do
sumy moli wszystkich składników roztworu.
Jest to względna zawartość substancji A w roztworze
zawierającym n

A

moli substancji A, n

B

moli substancji B itd.

Roztwór zawiera subs. A i sub. B

x

A

= n

A

/(n

A

+n

B

)

Roztwór zawiera subs. A + sub. B +inne

x

B

= n

B

/(n

A

+n

B

+…)

n

A

– liczba moli substancji A

n

B

– liczba moli substancji B

Σ x

i

= 1

Ułamki molowe są liczbami niemianowanymi

.

Przykład

Podać w ułamkach molowych skład 70% wodnego

roztworu alkoholu etylowego.

Roztwór składa się z dwóch substancji: C

2

H

5

OH i H

2

O.

x

C2H5OH

= n

C2H5OH

/ n

C2H5OH

+ n

H2O

x

H2O

= n

H2O

/ n

C2H5OH

+ n

H2O

n

C2H5OH

= 70 g /46 g/mol = 1,52

n

H2O

= 30 g / 18 g/mol =1,67

x

C2H5OH

= 1,52 / (1,52 + 1,67) = 0,48

x

H2O

= 1,67 / (1,52 + 1,67) = 0,52 0,48 + 0,52

= 1

Przeliczanie stężeń

Stężenie molowe roztworu można przeliczyć na stężenie
procentowe i odwrotnie znając gęstość roztworu i korzystając z
następujących zależności:

n = m

s

/M → m

s

= n × M (liczba moli substancji rozpuszczonej)

d

r

= m

r

/V → m

r

= d

r

× V

r

(gęstość roztworu)

c

m

= n/V

r

c

m

= m

s

/M x d

r

/m

r

c

m

= (c

p

x d

r

) / (100% x

M)
c

p

=

(c

m

x 100% x M)/d

r

Przykład

Obliczyć stężenie molowe 60% roztworu kwasu

H

2

SO

4

. Gęstość kwasu wynosi 1,498 g/cm

3

.

c

m

=

(c

p

x d

r

) / (100% x M)

1,498 g/cm

3

= 1498 g/dm

3

c

m

= (60% x 1498 g/dm

3

) / (100% x 98 g/mol) = 9,17

mol/dm

3

Mieszanie roztworów o różnych
stężeniach procentowych

Dane: c

p1

i c

p2

Szukane: c

p

c

p1

>c

p

>c

p2

m

s

= m

s1

+ m

s2

m

r

= m

r1

+ m

r2

m

r

x c

p

/ 100% = m

r1

x c

p1

/100% + m

r2

x c

p2

/100%

(m

r1

+ m

r2

) x c

p

/ 100% = m

r1

x c

p1

/100% + m

r2

x

c

p2

/100%

(m

r1

+ m

r2

) x c

p

= m

r1

x c

p1

+ m

r2

x c

p2

Rozcieńczanie roztworów

c

p2

= 0

(m

r1

+ m

r2

) x c

p

= m

r1

x c

p1

Reguła mieszania

c

p

p2

c

c

p1

c

p1

c

p

-

c

p

p2

c

-

c

p1

p2

c

czesci wagowych roztworu

czesci wagowych roztworu

Przykład

W jakim stosunku wagowym należy zmieszać 4% roztwór amoniaku z

roztworem 1% aby otrzymać 60 g roztworu 1,5%?

1,5%

4%

1%

4-1,5 = 2,5

1,5 - 1 = 0,5

Założenie m =

60 g

Założenie m = 60g

60-x

0,5

2,5

x

=

x = 10 60 - 10 = 50

ppm, ppb, ppt

• % 10

-2

• ppm 10

-6

part per million (np. mg/kg)

•

określa ile cząsteczek związku chemicznego

przypada na

1 milion cząsteczek roztworu

• ppb 10

-9

part per billion (np. μg/kg)

• ppt 10

-12

part per trillion (np. ng/kg)

przedrost

ek

nazwa przeliczn

ik

m

mili

10

-3

μ

mikro

10

-6

n

nano

10

-9

p

piko

10

-12