A periódusos rendszer

Ebben a részben az elemek periódusos rendszeréről írnék pár szót, illetve elmagyaráznám, hogy miért úgy néz ki a táblázat ahogy kinéz, valamint az elektron szerkezetről és a stabil állapotokról is szeretnék egyfajta képet mutatni.

Az elemek periódusos rendszere tartalmazza az összes önmagában előforduló anyagot, vagyis elemet.

Az elemeket több féle módon lehet csoportosítani:

- halmazállapot

- anyagi tulajdonság

- természetes vagy mesterségesen előállított

Mindemellett a tulajdonságok mellett sok mindent megtudhatunk belőle, csak tudni kell, hogy mit kell nézni. Általában egy periódusos rendszer tartalmazza a vegyjelet. Lehet 1, 2 vagy 3 betűs. Általában a latin név rövidítéséből származnak. Fontos, hogy a vegyjelek első betűje mindig nagybetű. Pl.vas-ferrum (Fe).

Továbbá tartalmazza a kerekített vagy a relatív atomtömeget, a rendszámot. Gyakran vannak színezve az elektronszerkezet szerint (s, p, d, f mező), illetve halmazállapot szerint. Előfordul még az oxidációs szám jelölése, és egyéb más fizikai tulajdonság. (olvadáspont, forráspont stb.)

Mik is ezek az adatok? Miket mutatnak meg?

A vegyjelet már elmagyaráztam. A relatív atomtömeg a 12-es tömegszámú szénizotóp 1/12-edéhez viszonyítja az összes atom tömegét. (A 12-es tömegszámú szénizotóp 1/12-e az 1g/mól. Ekkora az atomtömege 1 mól hidrogén atomnak.)

A kémiában használt fizikai mennyiség, az úgynevezett anyagmennyiség. Ezt a mennyiséget mólnak nevezünk.

1 mól annak az anyagnak a mennyisége, amely  6*1023 darab atomot/molekulát tartalmaz. Ez a mennyiségű részecske tömegben való kifejezése az úgynevezet atomtömeg, vagy móltömeg. 

 A kerekített atomtömeg általában egész számra van kerekítve, kivétel Cl (35,5 g/mól).

A rendszám az lényegében az elem sorszáma a periódusos rendszerben, egyébként megmutatja a protonok és az elektronok számát.

Ha egy kicsit logikusan végig gondoljuk, hogy miből áll egy atom és azokat levonjuk az atomtömegből, akkor rájövünk valamire. Számoljunk egy kicsit mondjuk a nátrium példáján. A nátrium a 11-es rendszámú elem, és 1 mól tömege 23 g/mol.

Ha a tömegből kivonjuk a protonok számát, akkor megkapjuk a neutronok számát. Vagyis 23-11=12. Aki szemfüles, azok számára felmerült a kérdés, hogy az elektronokat nem számoljuk bele? A válasz az hogy azért nem vesszük figyelembe, mert a proton és a neutron tömegét (külön-külön) 1-nek vesszük, akkor az elektron tömege ennek az 1/1840-ed részét teszi ki. (elhanyagolható)

Tehát még egyszer: atomtömeg-rendszám=neutronok száma. A neutronok száma a radiokémiában fontos, mert a hasadásokat a neutronok okozzák, és ezzel számolnak. Nézzük meg még milyen adatok vannak a táblázatban.

Az oszlopok felett látunk római számokat, illetve A és B betűket. Az A betűs oszlopokat hívjuk főcsoportoknak. Most ezekkel szeretnék egy kicsit foglalkozni.

A főcsoportok száma megmutatja a külső elektronok számát (más néven vegyértékelektronok). A sorok száma, az úgynevezett periódusok, pedig megmutatják az elektronhéjak számát. (főkvantumszámot, erről majd később) 

Egy főcsoport a kémiailag hasonló tulajdonságú anyagokat tartalmaz, ez az elektronszerkezet hasonlósága miatt van. A főcsoportokat a bennük található elemek kémiai tulajdonságuk szerint el is nevezik.

-I. Főcsoport- Alkálifémek és a Hidrogén

-II- Főcsoport-Alkáli földfémek

-III. Főcsoport-Földfémek

-IV. Főcsoport- Szén és félfémek

-V. Főcsoport- Nitrogén és félfémek

-VI- Főcsoport -Savképzők és félfémek

-VII. Főcsoport- Halogének (sóképzők)

-VIII. Főcsoport-Nemesgázok

A nemesgázokról elsődlegesen annyit kell tudni, hogy mivel a hélum esetében az 1s pálya, a többi nemesgáz esetében pedig az aktuális p pálya elektronnal telített meg van az energetikailag stabil szerkezet. Nincs szüksége további elektronokra, és nincs is nekik felesleges elekronjuk. Ezért nem is lépnek reakcióba semmivel normál kürölmények között. Ahhoz hogy rekcióba lépjen, bármivel a külső elektonhéjon legalább egy elektront ki kell ütni a pályáról, ahhoz hogy egyáltalán az igénye felmerüljön hogy elektront vonzzon magához. Azt az energiát amelyet ahhoz kell közölni az atommaggal, hogy leszakadjon legalább egy elektron ionizációs energiának neveznek.

Az oxidációs szám megmutatja, hogy egy elem milyen vegyértékű az egyes vegyületekben. (de erről majd később) A következőkben az egyik elemi részecskével az elektronnal és az elektron szerkezettel fogok foglalkozni.

Az elektronok, mint már egyszer ahogy le is írtam negatív töltésű apró részecske, amelynek a tömege a proton és a neutron tömegéhez képest kb 1/1840-ed része. Az elektronok az atompályákon mozognak az atommag körül.

Az atompálya az az atommag körüli térrész, ahol az elektronok 90%-os valószínűséggel megtalálhatóak. Az elektronok viselkedése másabb mint amit mi itt a makrovilágban érzékelünk, nincs konkrét helyük ezért beszélünk csak valószínűségről. Aktuális helyüket ki lehet számítani.

Ezt egy kicsit könnyebb lehet elképzelni, hogy az atommagot vesszük mondjuk a Napnak, az elektronokat pedig a bolygóknak. Ezt az elméletet szokták bolygóelméletnek is nevezni. Minél távolabb van az elektron az atommagtól annál nagyobb az energiája. Ezt másnéven pályaenergiának nevezzük amelyet KJ/mol-ban fejeznek ki. Képzeljük el hogy ha van egy madzagunk aminek a végén van egy nehezék, minél gyorsabban forgatjuk annál távolabb tudjuk a madzagot kiengedni. Pont így működik az elektronnal is.

Minden elem törekszik a stabil nemesgáz szerkezetre. Ezt úgy érik el, ha  vegyérték héjon (legkülső héj) a stabil állapothoz képest ha kevesebb elektronnal rendelkezik, akkor felvesz, ha több elektronnal rendelkezik, akkor lead annyi elektront amennyire szüksége van még a stabil állapothoz. Például a hidrogén esetében: a hidrogénnek csak 1 elekronja (és 1 protonja van), elektronszerkezete 1s¹. Az "s" alhéjon maximum 2 elektron lehet, vagyis hogy stabil állapotba kerüljön felvesz még egy elektront.

Ezeket a dolgokat persze az elektronok vonzása irányítja, amelyet elektronnegativitásnak nevezünk. Az elektronnegativitás a periódusos rendszerben balról jobbra, illetve lentről felfelé növekszik. A periódusos rendszerben a legnagyobb elektronnegativitású elem a fluor. A természet és a logika is azt mondja, hogy az elektronnegatívabb elem fogja magához venni a plusz elektront a stabil szerkezet eléréséhez.

Elektronszerkezet:

4 különböző elektronhéj létezik, amelyek még alhéjakra oszlanak. Ezeket az alhéjakat nevezik s, p, d, f héjnak.

·         s héjon maximum 2 elektron,

·         p héjon  maximum 6 elektron,

·         d héjon  maximum 10 elektron,

·         f héjon maximum 14 elektron lehet.

Elektronszerkezetre most írnék egy példát. Ez legyen a kalcium. A kalcium 20. elem, vagyis 20 elektronja van. A II.A oszlopban található, vagyis 2 külső elektronja van. A 4. sorban található, vagyis ennyi az elektronhéjak száma (a 4 a legmagasabb főkvantumszám).

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s². Az elektronszerkezetet felírásakor a spint is le szokták rajzolni. Négyzetek jelölik az alhélyakat, az elektronokat pedig a négyzetekbe rajzolt félnyilak ábrázolják.

1. ábra Ca elektronszerkezete (spin)

Itt a Hund-szabályt kell figyelembe venni, vagyis, hogy párosítatlanok legyenek az alhéjakon az elektronok. (más legyen a spinjük) 

Az nevezhető stabil szerkezetnek, amikor egy héj teljesen le van zárva, vagyis adott elektronhéjon a lehető legtöbb elektron van. A természetben ez a fajta szerkezet csak a nemesgázokra jellemző. Hogy ezt a szerkezetet megteremtsék maguknak az atomok, reakcióba lépnek más atomokkal, hogy telítődjön a külső héj, így lesz meg a nemesgáz szerkezet.

Itt még meg kell említeni a nemesfémeket, amelyekre szintén jellemző, hogy telítettek a külső elektronpályák, de ez a "d" alhéj. Az elektronok eloszlását az elektronpályákon elektronszerkezetnek nevezik. Az elektron szerkezettel kapcsolatban vannak bizonyos törvényszerűségek, ezeket próbálom érthetően összefoglalni.

Az első törvényszerűség az úgynevezett Pauli-elv, amely szerint az elektronoknak nem lehet ugyanaz mind a 4 kvantumszáma.

A kvanutumszámok a kövezkezők:

- Főkvantumszám (1,2,3,4) Lényegében ezek az elektronok "fő héjai" , amit "k,l,m,n" is szoktak hívni.

- Mellékkvantumszám (s,p,d,f) ezek az alhélyakat jelölik.

- Mágneses kvantumszám (-1, 0, 1) az elektronok energia eltolódását jellemzi

- Spin kvantumszám (-1/2, +1/2) Lényegében az elektronok forgásirányát mutatja meg.

Szóval mégegyszer: a Pauli-elv szerint az előbb felsorolt mennyiségek egy atomon belül nem lehetnek ugyanazok az atomban található elektronoknál.

A másik ilyen szabály a Hund-szabály, amely azt mondja ki, hogy egy alhélyon az elektronok próbálnak úgy elhelyezkedni, hogy párosítatlanok legyenek (ugyanolyan legyen a spinjük,tehát a nyilacskák egy irányba mutassanak).