Układ okresowy pierwiastków: Różnice pomiędzy wersjami

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.

Okresowość ta, zwana prawem okresowości wynika z faktu, że liczba atomowa określa nie tylko ilość protonów występujących w jądrze atomów ale też liczbę elektronów, która ma decydujący wpływ na własności chemiczne atomów. Elektrony w atomach są umiejscowione na kolejnych powłokach, które mają określoną pojemność czyli maksymalną liczbę elektronów jaka może się zmieścić na powłoce. Kolejne powłoki są zajmowane przez elektrony dopiero po całkowitym zapełnieniu powłok leżących poniżej. Jest to spowodowane zakazem Pauliego, który stwierdza ze w danym stanie elektronowym ( orbitalu ) mogą się znajdować najwyżej dwa elektrony rózniace się spinem. Jest to konsekwencja tego, ze elektrony są fermionami. Ostatnia, najbardziej zewnętrzna powłoka nazywana jest powłoką walencyjną i to ona właśnie jest odpowiedzialna za własności chemiczne atomów, gdyż elektrony niżej leżące nie mogą uczestniczyć w reakcjach chemicznych.

W obrębie jednego okresu powłoka walencyjna jest zajmowana przez kolejne elektrony. Po zapełnieniu całej powłoki następuje przejście do nowego okresu i powstanie kolejnej powłoki elektronowej. Można więc powiedzieć, że atomy występujące w tych samych okresach mają taką samą liczbę powłok elektronowych, a występujące w tych samych grupach mają taką samą liczbę elektronów na powłokach walencyjnych.

Godnym uwagi jest fakt, ze Mendelejew układając układ okresowy, nie posiadał żadnej wiedzy na temat kwantowej budowy materii, a w szczególności zakazu Pauliego, który stanowi dla układu okresowego i chemii jako takiej podstawowe prawo fizyczne. Tablica pierwiastków została zestawiona przez niego wyłącznie na podstawie znajomości własności fizykochemicznych materii. Wkrótce okazało się, że konstrukcja ta nie tylko dostarcza dogodnego sposobu patrzenia na pierwiastki chemiczne, ale także pozwala na przewidywanie istnienia nowych pierwiastków.

• tablica Mendelejewa
• tablica Wernera
• tablice spiralne, np:

http://umbbd.ahc.umn.edu/periodic/images/spiral18.gif

Współczesny układ okresowy jest podzielony na grupy i okresy. Grupy zazwyczaj 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, co wynika z faktu, że na powłokach elektronowych od drugiej do czwartej mieści się dokładnie 8 elektronów. W grupach pobocznych sprawy się mocno komplikują, gdyż kolejne powłoki elektronowe mają coraz więcej miejsca dla elektronów. W grupach głównych wszystkie elektrony z powłoki walencyjnej zajmują orbitale typu: s, w grupach pobocznych orbitale: s i p, a w grupie lantanowców i aktynowców orbitale: s, p i f. Jest to podstawą do podzielenia układu okresowego na bloki: s (grupy główne), d (grupy poboczne) i f (lantanowce i aktynowce). W większości współczesnych, graficznych przedstawień układu okresowego blok s jest rozdzielony za drugą grupą całym blokiem d, a blok f jest "wyciągnięty" pod połączone bloki s i d.

Współczesny układ okresowy (z rozdzielonymi blokami s,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 "najlepszym" metalem jest pierwiastek występujący na samym dole grupy I - frans, a "najlepszym" niemetalem jest atom na samej górze grupy VII - fluor.

Wszystkie atomy grup pobocznych, a także lantanowce i aktynowce to zdecydowane 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.

Oryginalny układ okresowy został stworzony bez żadnej znajomości wewnętrznej struktury atomów nie miał więc żadnego logicznego uzasadnienia. Prawdopodobnie pierwszą osobą, która zauważyła, że pierwiastki ułożone według rosnących mas atomowych wykazują pewną regularność własności był niemiecki chemik Johann Wolfgang Döberreiner, który w 1817 roku zestawił grupy składające się z trzech pierwiastków, o podobnych własnościach chemicznych i cyklicznie wzrastających masach atomowych.

Jeśli uznać, że układ okresowy to lista pierwiastków ułożona względem ich mas atomowych i jednocześnie poukładanych w okresy to palma pierwszeństwa należy się w tej materii geologowi francuskiemu Antoine Beguyer de Chancourtois. De Chancourtois opublikował w 1863 roku rysunek swojego "bębna pierwiastków". Narysował on po prostu na bębnie spiralnie wznoszący się łańcuch nazw pierwiastków. Średnica bębna była tak dobrana, że łańcuch tworzył pełen obrót spirali co osiem pierwiastków. Dzięki temu, patrząc wzdłuż linii prostopadłych do podstawy bębna na jego powierzchni bocznej widziało się zawsze pierwiastki o podobnych własnościach chemicznych. "Wynalazek" bębna chemicznego jednak nikogo nie zainteresował i wydawał się zwykłym dziwactwem.

Większy odzew uzyskało opublikowanie przez Johna Newlandsa jasno sformułowanego prawa okresowości w 1864 roku. Newlands stwierdził, że jeśli utworzyć listę pierwiastków według wzrastających mas atomowych (od wodoru do wapnia) to ich własności powtarzają się w cyklu co osiem pierwiastków. Nazwał to prawem oktawy, na zasadzie skojarzenia z oktawami muzycznymi. Nie potrafił tylko wyjaśnić co ma wspólnego muzyka z pierwiastkami...

Współcześni Doberreinera, De Chancourtois i Newlandsa wyśmiewali zwykle takie próby, bo istotnie wyglądały one na dziecinną zabawę i pachniały nienaukową wiarą w numerologię. Wydawało się, że równie dobrze można by doszukiwać się jakichś powtarzalności w liście pierwiastków ułożonych np. alfabetycznie.

Za twórcę układu okresowego uważa się powszechnie i chyba słusznie Rosjanina Dmitrija Mendelejewa. Uczony ten, dzięki odcięciu od życia akademickiego w Europie nie musiał się przejmować poglądami swoich współczesnych i dlatego mógł się dość swobodnie "bawić" w próby układania pierwiastków w tabele oparte na porządkowaniu ich w oparciu o ich masy atomowe. Po kilku latach takich prób odważył się on opublikować pierwszy układ okresowy, w którym zebrane już było ponad 90 pierwiastków (rok 1869). Genialnym pomysłem Mendelejwa było pozostawienie pustych miejsc tam gdzie występowały duże różnice między masami atomowymi znanych ówcześnie pierwiastków i jednocześnie zakłócona była regularność ich własności chemicznych. Tak skonstruowany układ okresowy był już trudny do zignorowania przez innych chemików, zwłaszcza że, o dziwo, luki pozostawione przez Mendelejewa powoli się zapełniały jeszcze za jego życia, a świeżo odkrywane pierwiastki miały takie własności jak to wynikało z ich miejsca w układzie...

Równolegle, a być może nawet wcześniej niż Mendelejew, Niemiec Lothar Meyer stworzył bardzo podobny układ pierwiastków, jednak nie wpadł na pomysł pozostawienia w nim pustych miejsc i stąd jego układ był błędnie poprzesuwany w kilku miejscach. Układ ten został wprawdzie już opublikowany w 1864, ale było to tylko wewnętrzne wydawnictwo uniwersyteckie przeznaczone jako pomoc mnemotechniczna dla studentów chemii. Meyer czuł, że w jego układzie jest coś więcej niż tylko pomoc mnemotechniczna. W 1869 roku sporządził on bardziej rozbudowany układ okresowy, zawierający wszystkie znane mu pierwiastki. Ze strachu, że zostanie wyśmiany przez innych chemików Meyer pokazał ten układ najbliższym swoim współpracowników. Ci namówili go do publikacji. Niestety dla Meyera w trakcie jej pisania ukazała się publikacja Mendelejewa, tak więc Meyer już swojej nie mógł posłać do druku...

Aż do początków XX wieku większość chemików miała do układu okresowego stosunek ambiwalentny. Niby coś w tym było, ale ponieważ nie było logicznego uzasadnienia prawa okresowości całość nadal pachniała podejrzaną "numerologią". Pod koniec życia, zwłaszcza po odkryciu skandu, dla którego brakowało pozornie miejsca w układzie okresowym (bo nie odkryto jeszcze technetu) nawet sam Mendelejew zwątpił w sensowność swojego odkrycia i zaczął się z niego wycofywać.

Dopiero odkrycie jądra atomu przez Rutherforda w 1911 roku, opublikowanie w 1913 roku przez jego ucznia, Moseleya, tabeli liczby protonów i elektronów w kolejnych pierwiastkach oraz zaproponowanie koncepcji orbit i sfer elektronowych przez Bohra a szczególnie sformułowanie zakazu Pauliego dało układowi okresowemu logiczne uzasadnienie oraz wyjaśniło pochodzenie własności chemicznych pierwiastków.

• Pierwiastki chemiczne według nazw
• Pierwiastki chemiczne według symboli
• Pierwiastki chemiczne według liczby atomowej

• Układ okresowy z pokazaną elektroujemnością (wg Paulinga)
• Układ okresowy z pokazanym stanem skupienia pierwiastków w temp. pokojowej
• Tablica układu okresowego w formie opracowanej przez Mendelejewa, uaktualniona o później odkryte pierwiastki