24-3 Periodická sústava prvkov

24-3 Periodická sústava prvkov

V predchádzajúcej časti sme videli, že keď zoberieme prvky rad radom podľa ich atómového čísla, objavuje sa opakujúci sa vzor, čo sa počtu elektrónov týka na valenčnej vrstve – tej zodpovedajú chemické vlastnosti prvkov v najväčšej miere, lebo práve táto vrstva je najďalej od jadra atómu, a najbližšie iným atómom.

To, že sa opakujú chemické vlastnosti prvkov periodicky, si všimli už chemici v  19-om storočí, keď usporiadali chemické prvky podľa ich hmotnosti. V tomto smere najdôležitejší krok bol zostavenie periodickej tabuľky prvkov, čo vykonal Dimitrij Mendelejev³. V tú dobu štruktúra atómov vôbec nebola známa, a viaceré chemické prvky ešte len čakali na objav (nemyslíme tým ťažké, umele vytvorené prvky z konca periodickej tabuľky prvkov, ale bežné prvky: hélium bol objavený v roku 1868, skandium v roku 1871, gálium v roku 1875, germánium v roku 1886, atď.).

Mendelejev bol skalopevne presvedčený, že chemické a fyzikálne vlastnosti prvkov, zoradených podľa hmotnosti, musia byť periodické, a odchýlky od tejto periodicity sú dané tým, že chemici ešte nepoznajú všetky prvky. Zostrojil preto svoju vlastnú tabuľku, v ktorej vynechal prázdne miesta pre prvky, ktoré sa mal objaviť neskôr. Taktiež, na niektorých miestach zmenil poradie prvkov určených ich hmotnosťou, a uprednostnil periodicitu vlastností. Domnieval sa, že tento krok je nútený urobiť len preto, lebo v prípade niektorých prvkov zle určili ich atómovú hmotnosť. Inými slovami, v tú dobu sa verilo, že chemické vlastnosti sú určené atómovou hmotnosťou prvkov, dnes vieme, že sa v skutočnosti odvíjajú od počtu protónov v jadre (čo určuje počet elektrónov v elektrónovom obale).

Podoba periodickej tabuľky prvkov v súčasnosti je ukázaná na obr. 24.4 na strane §. Každý jeden riadok, tzv. perióda, obsahuje len také prvky, ktorých elektróny najviac vzdialené od jadra (valenčné) sú na tej istej vrstve, a tvoria valenčnú vrstvu. Sú to vždy elektróny podvrstvy „s“ (l = 0) a „p“ (l = 1), ktorých hlavné kvantové číslo n je rovnaké. Súčasne je totožné s poradovým číslom riadku periodickej tabuľky (s periódou). Prvky, ktorých posledné elektróny práve zapĺňajú podvrstvy „s“ (l = 0) sú v prvých dvoch stĺpcoch tabuľky; prvky, ktorých posledné elektróny zapĺňajú práve podvrstvy „p“ (l = 1), tvoria posledných šesť stĺpcov periodickej tabuľky. Zvislé stĺpce periodickej tabuľky sú pre chemikov mimoriadne dôležité. Prvé dva a posledných šesť stĺpcov tvoria najdôležitejšie chemické skupiny.

V 1. skupine nachádzame vodík a pod ním alkalické kovy, ktorých hustota je veľmi malá; všetky sú chemicky veľmi aktívne, ich oxidačné číslo, mocnosť je 1. Nie je prekvapivé, že sú tak aktívne, nakoľko chemické vlastnosti najviac ovplyvňujú valenčné elektróny. Tie sú najďalej od jadra atómu, a k nim sa dostanú susedné atómy najľahšie – v prvej skupine majú všetky atómy jediný elektrón na valenčnej vrstve, o ktorý ľahko prídu (fyzikálne sa to prejavuje tak, že ich ionizácia vyžaduje menej energie než u prvkoch ostatných skupín).

Počet valenčných elektrónov v 2. skupine je 2 (príslušné podvrstvy „s“ s l = 0 sú zaplnené). Začínajúc so štvrtým riadkom, po prvkoch druhej skupiny pokračujú prvky, ktoré vo valenčnej vrstve stále majú len dva elektróny (po vápniku: skandium, titán, vanád, až po zinok). Keby chemické vlastnosti záviseli len od valenčných elektrónov, a ničoho iného, tak by museli chemicky reagovať presne tak, ako vápnik. U týchto prvkoch nové elektróny si sadajú na hlbšie, neuzavreté vrstvy s nižším hlavným kvantovým číslom n, než je hlavné kvantové číslo valenčných elektrónov.

Elektróny na valenčnej vrstve začnú pribúdať až v posledných šiestich skupinách tabuľky (skupiny 13 až 18 – už sme povedali, že skupín je celkom 18).

V poslednej skupine (18) sa nachádzajú vzácne plyny, či inertné plyny (zhora dole od hélia, až po radón – teoreticky aj oganesón, ale vytvoriť ho vieme len umelo, jeho jadro je veľmi nestabilné, a jeho vlastnosti sa odhadujú len teoretickými výpočtami). Nazývame ich vzácnymi plynmi, lebo sú „uzavreté“, neradi sa spolčujú s inými prvkami, ani sami so sebou. Za normálneho tlaku a teploty vytvárajú atomárny plyn (He, Ne, Ar, atď.), na rozdiel od vodíka (H2), dusíka (N2), či kyslíka (O2), ktorých molekuly plynu sa skladajú z dvoch atómov. Atómy vzácnych plynov sú menšie, naviac neradi vstupujú do reakcií, a preto difundujú cez stenu nádob. Ich uzavretosť súvisí s doslovnou uzavretosťou – ich valenčná podvrstva „p“ (l = 1) je zaplnená. Prejavuje sa to aj tým, že ich ionizácia vyžaduje viac energie, než ionizácia prvkov zo skupín 1 až 17.

V prostrednej tabuľke sa nachádzajú prechodové prvky – ako sme už uviedli, v ich prípade posledné elektróny napĺňajú neuzavreté vrstvy hlbšie v  atóme. V šiestom a siedmom riadku periodickej tabuľky prvkov (valenčné vrstvy s  n = 6 a n = 7) sú pod valenčnými vrstvami dokonca dve neuzavreté vrstvy hlboko v  atóme. Za báriom (Z = 56 – 2. skupina) sa nachádzajú tzv. lantanoidy, u ktorých posledné elektróny zapĺňajú hlavne vrstvu o dve „poschodia“ nižšie (zapĺňajú vrstvu n = 4) – preto sa tak chemicky málo líšia medzi sebou (a píšeme ich do samostatného riadku pod hlavným telom tabuľky). Lantán je prvým prvkom tejto špeciálnej skupiny. Táto situácia sa opakuje aj po rádiu (Z = 88 – tiež 2. skupina), keď u nasledujúcich prvkoch posledné elektróny zapĺňajú vrstvu znova o dve „poschodia“ nižšie (n = 5), než je valenčná vrstva (n = 7). Prvým prvkom je aktínium a jeho nasledujúce prvky nazývame aktinoidy.