Ważne pojęcia:
Prawo okresowości
Układ okresowy
Okres
Grupa
Podgrupa
Gazy szlachetne
Fluorowce
Pierwiastki alkaliczne
Metale i niemetale
Zachowanie się pierwiastków drugiego okresu
Bezwodniki kwasowe, zasadowe i związki amfoteryczne
Odkrycie prawa okresowości w 1869 roku - Mendelejew z Rosji i Lother Meyer z Niemiec „Pierwiastki chemiczne uszeregowane w kolejności wzrastającej liczby atomowej wykazują okresowo powtarzające się właściwości”.
występuje regularność w zachowaniu się pierwiastków w przypadku gdy uszereguje się je wg. Wzrastającej liczby atomowej, np.: Ca, Sr i Ba - masa Br jest średnią arytmetyczną pierwiastków skrajnych.
Regularność łącząca masy i podobieństwo właściwości.
W 1864 roku Newland stwierdził, że gdy uszereguje się pierwiastki wg wzrastającej liczby atomowej, właściwości co ósmego pierwiastka powtarzają się - prawo oktaw. W kilka lat później Mendelejew i Meyer uogólnili je.
Prawo okresowości: właściwości pierwiastków są periodycznie zależne od ich mas atomowych.
Reguła Hunda:
liczba niesparowanych elektronów w danej powłoce powinna być możliwie największa
pary elektronów tworzą się dopiero po zapełnieniu wszystkich poziomów orbitalnych danej powłoki przez elektrony niesparowane
Elektrony niesparowane w poziomach orbitalnych danej powłoki mają jednakową orientację spinu
Układ Okresowy Pierwiastków:
Grupa |
1 |
2 |
3 |
|
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
||||||||||||||||||
|
I |
II |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
||||||||||||||||||
Okres |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
||||||||||||||||||
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
||||||||||||||||||
3 |
11 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
||||||||||||||||||
4 |
19 |
20 |
21 |
|
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
31 |
32 |
33 |
34 |
35 |
36 |
||||||||||||||||||
5 |
37 |
38 |
39 |
|
40 |
41 |
42 |
43 |
44 |
45 |
46 |
47 |
48 |
49 |
50 |
51 |
52 |
53 |
54 |
||||||||||||||||||
6 |
55 |
56 |
57 |
* |
72 |
73 |
74 |
75 |
76 |
77 |
78 |
79 |
80 |
81 |
82 |
83 |
84 |
85 |
86 |
||||||||||||||||||
7 |
87 |
88 |
89 |
** |
104 |
105 |
106 |
107 |
108 |
109 |
110 |
111 |
112 |
113 |
114 |
115 |
116 |
117 |
118 |
||||||||||||||||||
8 |
119 |
120 |
121 |
122 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
* |
58 |
59 |
60 |
61 |
62 |
63 |
64 |
65 |
66 |
67 |
68 |
69 |
70 |
71 |
|
|
|||||||||||||||||||||
** |
90 |
91 |
92 |
93 |
94 |
95 |
96 |
97 |
98 |
99 |
100 |
101 |
102 |
103 |
|
|
|||||||||||||||||||||
Legenda do układu okresowego
Układ okresowy a własności chemiczne atomów
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, zaś trzy przedostatnie (grupy V, VI i VII) grupują atomy o mniej lub bardziej wyraźnych własnościach niemetalicznych. Wreszcie grupa VIII to gazy szlachetne. Przechodząc w obrębie jednej grupy w dół (w kierunku coraz wyższej liczby atomowej) następuje we wszystkich grupach wzrost własności metalicznych, co w obrębie grup od V do VIII przejawia się spadkiem typowych własności niemetalicznych. Stąd "najbardziej metaliczny" jest pierwiastek występujący na samym dole grupy I - frans, a "najbardziej niemetaliczny" jest atom na samej górze grupy VII - fluor.
Wszystkie atomy grup pobocznych, a także lantanowce i aktynowce to typowe metale. Ich własności również wykazują podobieństwa w obrębie tych samych grup, ale są to już bardziej subtelne cechy niż proste rozdzielenie na własności metaliczne i niemetaliczne.
Metale alkaliczne - pierwiastki chemiczne o silnych własnościach metalicznych, samorzutnie tworzące w kontakcie z wodą silnie zasadowe wodorotlenki.
W węższym zakresie termin ten oznacza tylko litowce - pierwiastki występujące w pierwszej grupie układu okresowego pierwiastków, które wszystkie wykazują jednoznaczne cechy metaliczne i alkaliczne. Są to lit, sód, potas, rubid, cez i frans. Ich własności zasadowe i metaliczne oraz ogólna reaktywność z wodą i powietrzem wzrastają ze wzrostem ich liczby atomowej (w dół układu okresowego). Wszystkie te metale, oprócz najmniej reaktywnego litu, reagują gwałtownie (w przypadku cezu nawet wybuchowo) z wodą z wytworzeniem gazowego wodoru i wodorotlenku danego pierwiastka, według schematu:
2M + 2H2O → 2MOH + H2
Metale te, zaczynając od rubidu, są też na tyle reaktywne, że samorzutnie zapalają się w kontakcie z powietrzem.
Metale ziem alkalicznych - pierwiastki chemiczne występujące w drugiej grupie układu okresowego pierwiastków. Są to beryl, magnez, wapń, stront, bar i rad.
Nazwa tej grupy pierwiastków pochodzi od gleb posiadających odczyn zasadowy, w których większość z nich występuje. Metale te, oprócz berylu, cechują silne własności metaliczne i zasadowe. Są one jednak nieco mniej reaktywne od poprzedzających je w układzie okresowym metali alkalicznych.
Z wyjątkiem sproszkowanego magnezu, nie reagują z powietrzem, a z wodą tworzą odpowiednie wodorotlenki. Przebieg tej reakcji nie jest jednak zbyt gwałtowny. Oprócz wodorotlenku berylu, pozostałe wodorotlenki metali ziem alkalicznych mają dość silne własności zasadowe, jednak znacznie słabsze od wodorotlenków litowców. Własności metaliczne, zasadowość i ogólna reaktywność wzrasta ze wzrostem ich liczby atomowej (w dół układu okresowego).
Lantanowce - grupa pierwiastków chemicznych wydzielona z 6. okresu układ okresowego.
Rozpoczyna się ona od ceru (liczba atomowa 58) i kończy na lutecie (liczba atomowa 71). Łącznie liczy ona 14 pierwiastków: cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet.
Niegdyś do lantanowców zaliczano również lantan, od którego wywodzi się nazwa całej grupy, jednak wg. współczesnej terminologii IUPAC, pierwiastek ten jest obecnie uznany za skandowiec.
Skandowce (lantan, itr i skand) razem z lantanowcami określa się łącznie mianem metali ziem rzadkich, gdyż występują one stosunkowo rzadko. Dzieli się je na podgrupę ceru (Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd tzw. lantanowce lekkie) oraz podgrupę itru ( Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, tzw. lantanowce ciężkie).
Wszystkie lantanowce mają jednakową budowę zewnętrznej powłoki elektronowej, a rozbudowują podpowłokę 4f, są więc razem z aktynowcami częścią bloku f układu okresowego. Powoduje to, że mają one bardzo zbliżone właściwości fizyczne i chemiczne. Są to metale, które mogą osiągać maksymalny stopień utlenienia +4, choć najczęściej występują na +3 stopniu utlenienia. Możliwość występowania lantanowców na +2 i +4 stopniu utlenienia tłumaczy się różnicami stanu energetycznego elektronów na poziomie 4f w zależności od ich liczby. Elektrony najtrwalej są związane wówczas, gdy poziom 4f zapełniony jest do połowy (7 elektronów) lub całkowicie, dlatego najtrwalszą konfigurację poziomu 4f mają gadolin Gd i lutet Lu. Stopień utlenienia +4 przejawiają Ce, Pr, Tb, Dy a stopień utlenienia +2 Sm, Eu, Tm, Yb, tj. pierwiastki, których liczba elektronów na poziomie 4f jest bliska 0, 7 i 14.
W przyrodzie występują w formie mieszanych minerałów, z których trudno jest wyodrębnić czyste pierwiastki. Główny minerał, w którym występuje lantan i kilka lantanowców to monacyt.
Aktynowce - grupa pierwiastków chemicznych wydzielona z układu okresowego.
Grupa ta liczy 15 metali aktywnych chemicznie: tor, protaktyn, uran, neptun, pluton, ameryk, kiur, berkel, kaliforn, einstein, ferm, mendelew, nobel, lorens.
Zgodnie ze współczesną terminologią IUPAC aktyn nie jest aktynowcem lecz skandowcem.
Wszystkie aktynowce są promieniotwórcze. Aktynowce położone w układzie okresowym za uranem tzw. transuranowce, praktycznie nie występują w przyrodzie i muszą być otrzymywane sztucznie.
Metale przejściowe to grupa pierwiastków chemicznych tożsama z blokiem d układu okresowego pierwiastków. Pierwiastków tych jest 31.
Nazwa tej grupy pochodzi od tego, że posiadają one pośrednie własności między metalami alkalicznymi a metalami z bloku p układu okresowego. Metale przejściowe posiadają najróżniejsze własności chemiczne. Niektóre (itr, cyrkon) posiadają własności zbliżone do metali alkalicznych i są bardzo reaktywne, zapalając się nawet na powietrzu. Z kolei na drugim końcu skali reaktywności są metale szlachetne, takie jak złoto czy platyna, które nie reagują nawet z bardzo mocnymi kwasami i zasadami. Wspólną cechą prawie wszystkich tych pierwiastków jest zdolność do tworzenia złożonych kompleksów, z których bardzo wiele wykazuje intensywne zabarwienie. Również wiele prostych soli organicznych tych związków wykazuje silne zabarwienie.
Obserwując zmiany własności tej grupy pierwiastków w ramach ich położenia w układzie okresowym daje się zauważyć następujące tendencje:
w grupach od 3 do 8 występuje stopniowy zanik reaktywności i własności alkalicznych pierwiastków
na początku grupy 11 i w całej grupie 12 reaktywność znowu wzrasta, własności tu zgromadzonych pierwiastków są jednak bardziej zbliżone do metali grup głównych niż do metali alkalicznych.
Półmetale (metaloidy) - pierwiastki chemiczne, które mają własności pośrednie między metalami i niemetalami. Zalicza się do nich: antymon, arsen, astat, bor, gal, german, krzem, selen, tellur, polon i czasami także glin oraz astat.
Półmetale mają szereg fizycznych cech metali, jak połyskliwa powierzchnia w stanie stałym i wysokie temperatury topnienia. Chociaż mają one dużo gorsze przewodnictwo elektryczne i cieplne od typowych metali, to jednak wyższe od typowych niemetali, stąd też są stosowane w materiałach półprzewodnikowych.
Ich własności chemiczne są także pośrednie: z jednej strony wykazują szereg cech niemetali - tworzą np. dość silne kwasy nieorganiczne, a z drugiej strony posiadają szereg cech typowych metali - mają raczej tendencje do tworzenia zasad niż kwasów i są zdolne do tworzenia związków kompleksowych o podobnym stopniu złożoności geometrycznej, jak w przypadku metali przejściowych.
Niemetale - pierwiastki chemiczne, które nie wykazują żadnych właściwości metalicznych. Inaczej niż w przypadku metali, nie można podać jednoznacznych cech wszystkich niemetali, gdyż są one bardzo zróżnicowane.
Do pierwiastków niemetalicznych zalicza się obok gazów (azot, chlor, fluor, tlen, wodór i gazy szlachetne) także ciecze (brom) i ciała stałe (fosfor, jod, siarkę i węgiel).
Pierwiastków niemetalicznych jest znacznie mniej niż pierwiastków metalicznych.
Własciwości niemetali:
Stan skupienia - w zwykłych warunkach wystepuje w stanie stałym(np. węgiel), w stanie ciekłym tylko brom i w stanie gazowym (np. tlen)
Barwa - różna
Połsk - nie ma
Kowalność - brak
Obrabialność mechaniczna - nie nadaje sie do obróbki mechanicznej
Przewodnictwo elektryczne - tylko wegiel w postaci grafitu
Przewodnictwo cieplne - tylko węgiel w postaci grafitu i diamentu
kruchość
Fluorowce (inaczej halogeny) pierwiastki chemiczne znajdujące się w grupie 17 (VIIA) układu okresowego - są to fluor, chlor, brom, jod i astat. Nazwa halogeny pochodzi od greckich słów "sól" i "tworzyć".
Fluorowce są pierwiastkami o wysokiej elektroujemności i dużej aktywności chemicznej. W stanie pierwiastkowym występują w formie dwuatomowych cząsteczek. W związkach chemicznych występują na stopniach utlenienia od -1 do +7. Do pełnego zapełnienia swojej powłoki walencyjnej potrzebują jednego elektronu, dlatego najczęściej tworzą jednoujemny anion. Ze związkami organicznymi wchodzą w reakcje addycji oraz podstawienia. Związki nieorganiczne fluorowców (w tym sole metali zawierające anion halogenkowy) oraz różne związki organiczne zawierające fluorowce nosza nazwę halogenków.
Temperatury topnienia i wrzenia fluorowców wzrastają wraz ze wzrostem ich liczby atomowej, czyli w dół układu okresowego. W warunkach normalnych fluor i chlor są gazami, brom jest cieczą, a jod i astat ciałami stałymi.
Z wodorem fluorowce tworzą halogenowodory (HF, HCl, HBr, HI), których roztwory wodne są mocnymi kwasami. Między sobą fluorowce łączą się tworząc związki międzyfluorowcowe, w których występują na różnych stopniach utlenienia (np. BrF3, IF5). Związki tego rodzaju są bardzo silnymi kwasami Lewisa i posiadają silne własności utleniające.
Wraz ze wzrostem liczby atomowej fluorowców maleje ich reaktywność i elektroujemność, oraz moc ich kwasów beztlenowych:
HF < HCl < HBr < HI,
a maleje moc kwasów tlenowych:
HClO > HBrO > HIO
Gazami szlachetnymi nazywa się pierwiastki z ostatniej, 18 (VIIIa) grupy układu okresowego pierwiastków chemicznych.
Do pierwiastków tych zalicza się: hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon. Prawdopodobnie gazem szlachetnym jest również hipotetyczny pierwiastek Ununoctium.
Pierwiastki te są niemal całkowicie niereaktywne i pierwsze cztery z nich nie tworzą żadnych związków chemicznych. Wynika to z faktu, że nie zawierają one żadnych, niezapełnionych w pełni elektronami orbitali które by mogły uczestniczyć w tworzeniu wiązań chemicznych. Ksenon tworzy związki nieliczne i z trudem, ponadto są one nietrwałe; Radon tworzy je łatwiej, ma jeden trwały związek - fluorek radonu RnF2. Powstaje on z mieszaniny fluoru i radonu w temperaturze ok. 400°C.
Hel, neon, argon i ksenon występują w niewielkich ilościach w powietrzu i ich podstawowym sposobem otrzymywania jest destylacja frakcjonująca powietrza. Krypton i radon są końcowymi produktami rozpadu promieniotwórczego uranu i plutonu i towarzyszą zwykle złożom rud tych metali, dzięki czemu można te złoża stosunkowo łatwo wykrywać.
Gazy szlachetne wykorzystuje się wszędzie tam, gdzie potrzebna jest obojętna, beztlenowa atmosfera zapobiegająca reakcjom utleniania. Stosuje się je do napełniania żarówek, wnętrz napędów magnetycznych (twarde dyski), do prowadzenia reakcji wymagających obojętnych warunków i do spieniania tworzyw sztucznych.