Periodni sistem, znan tudi kotperiodni sistem elementov, je tabelarni prikazkemijskih elementov, ki so razporejeni poatomskem številu,konfiguraciji elektronov in ponavljajočih sekemijskih lastnostih. V sedmih vrsticah tabele, imenovanihperiode, so v splošnem na levi stranikovine, na desni panekovine. Stolpci, imenovaniskupine, vsebujejo elemente s podobnim kemijskim vedenjem. Šest skupin ima dogovorjena imena in dodeljene številke: npr. elementi skupine 17 sohalogeni in skupine 18 sožlahtni plini. Prikazana so tudi štiri pravokotna področja alibloki, ki združujejo kemijske elemente, katerihelektroni najvišjega energetskega nivoja pripadajo enakiatomski orbitali.
Vsi elementi od atomskega števila 1 (vodik) do 118 (oganeson) so bili odkriti ali sintetizirani in izpolnjujejo sedem polnih vrstic periodnega sistema.[1][2] Prvih 94 elementov, od vodika doplutonija, se pojavljajo v naravi, čeprav nekatere najdemo le v sledovih, nekaj pa jih je bilo v naravi odkritih šele po sintetizaciji.[n 1] Elementi od 95 do 118 so bili sintetizirani samo v laboratorijih,jedrskih reaktorjih ali v jedrskih eksplozijah.[3] Trenutno se nadaljuje sintetiziranje elementov z višjimi atomskimi števili: ti elementi se bodo začeli vosmi vrstici. S teoretičnim delom so predlagali možne kandidate za to razširitev. V laboratorijih so izdelali tudi številne sintetičneradioizotope naravnih elementov.
Organizacijo periodnega sistema lahko uporabimo za ugotavljanje odnosov med različnimi lastnostmi elementov in tudi za predvidevanje kemijskih lastnosti in vedenja neodkritih ali novo sintetiziranih elementov. Ruski kemikDmitrij Mendelejev je leta 1869 objavil prvo tabeloperiodnega sistema. Napovedal je tudi nekatere lastnosti neznanih elementov, ki naj bi zapolnili vrzeli v tabeli. Večina njegovih napovedi se je kmalu izkazala za pravilne, vrhunec pa je bil odkritjegalija ingermanija leta 1875 oziroma 1886, kar je potrdilo njegove napovedi.[4] Mendelejeva ideja se je počasi širila in izpopolnjevala zodkrivanjem ali sintezo novih elementov in razvojem novih teoretičnih modelov za razlago kemijskega vedenja. Danes še vedno potekajo razprave o umestitvi in kategorizaciji določenih elementov, o nadaljnji razširitvi in omejitvah tabele ter o tem, ali obstaja optimalna oblika tabele.
Vsak kemični element ima edinstveno atomsko število (Z), ki predstavlja številoprotonov v njegovemjedru.[n 2] Večina elementov ima različno številonevtronov med različnimi atomi, pri čemer se te različice imenujejoizotopi. Na primer, ogljik ima tri izotope, ki se pojavljajo v naravi: vsi njegovi atomi imajo šest protonov, večina jih ima tudi šest nevtronov, ampak približno en odstotek ima sedem nevtronov, zelo majhen delež pa jih ima osem. Izotopi se v periodnem sistemu nikoli ne prikazujejo; vedno so združeni v enem samem elementu. Elementi brez stabilnih izotopov imajo atomsko maso svojega najstabilnejšega izotopa - takšne mase so v tabeli prikazane v oklepajih.[8]
V standardni periodni tabeli so elementi navedeni po naraščajočem atomskem številuZ. Nova vrstica (perioda) se začne, ko ima novaelektronska lupina svoj prvi elektron. Stolpci (skupine) so določeni zelektronsko konfiguracijo atoma; elementi z enakim številom elektronov v določeni podlupini spadajo v iste stolpce (npr.kisik inselen sta v istem stolpcu, ker imata oba štiri elektrone v najbolj oddaljeni p-podlupini). Elementi s podobnimi kemičnimi lastnostmi na splošno spadajo v isto skupino v periodnem sistemu, čeprav imajo elementi v bloku f in do neke mere v bloku d podobne lastnosti. Tako je razmeroma enostavno napovedati kemijske lastnosti elementa, če poznamo lastnosti elementov okoli njega.[9]
Od leta 2016 ima periodni sistem 118 potrjenih elementov, od elementa 1 (vodik) do 118 (oganeson). Elemente 113, 115, 117 in 118, ki so najnovejša odkritja, je decembra 2015 uradno potrdilaMednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo (IUPAC). Njihova predlagana imena, nihonij (Nh), moskovij (Mc), tenes (Ts) in oganeson (Og), je IUPAC uradno objavil novembra 2016.[10][11][12][13] Prvih 94 elementov se pojavlja v naravi; preostalih 24, od americija do oganesona (95–118), se pojavljajo le, kadar jih sintetizirajo v laboratorijih. Od 94 naravnih elementov jih je 83prvobitnih, 11 pa se jeh pojavlja le v razpadajočih verigah prvobitnih elementov.[14] V makroskopskih količinah v čisti obliki še ni bil opažen noben element, težji od ajnštajnija (element 99), prav tako ne astat (element 85); francij (element 87) je bil fotografiran le v obliki svetlobe, ki jo oddajajo mikroskopske količine (300.000 (300.000 atomov).[15]
V kronološkem zaporedju to poglavje obravnava kovine in nekovine (ter polkovine); kategorije elementov; skupine in periode; in bloke periodnega sistema. Čeprav razpoznavanje kovin kot trdne, topne in v splošnem kovne snovi izvira že iz antike,[16][17] je bil mordaAntoine Lavoisier prvi, ki je leta 1789 uradno ločil kovine in nekovine('non-métalliques') v njegovem 'revolucionarnem' delu[18]Traité Élémentaire de Chimie.[19] Leta 1811 jeBerzelius nekovinske elemente označil za polkovine[20][21] zaradi njihove sposobnost tvorjenja oksianionov.[22][23] Leta 1825 je v popravljeni nemški izdaji svojegaUčbenika kemije[24][25] razdelil polkovine v tri razrede. To so bili: stalno plinasti 'gazolyta' (vodik, dušik, kisik); prave polkovine (žveplo, fosfor, ogljik, bor, silicij); in 'halogenia', ki tvorijo sol (fluor, klor, brom, jod).[26] Šele pred kratkim, od sredine 20. stoletja, se izraz polkovina pogosto uporablja za označevanje elementov z vmesnimi ali mejnimi lastnostmi med kovinami in nekovinami.Mendelejev je objavil svoj periodni sistem leta 1869, skupaj s sklici na skupine družin elementov, vrsticami ali periodami.Hinrichs je zapisal, da je mogoče na periodnem sistemu narisati črte, ki razmejijo lastnosti, ki nas zanimajo, na primer elementi s kovinskim sijajem (v nasprotju s tistimi, ki nimajo takšnega sijaja).[27] Charles Janet naj bi bil leta 1928 prvi, ki se je skliceval na bloke periodnega sistema.[28]
Kovine, polkovine, nekovine in elementi z neznanimi kemijskimi lastnostmi.Klasifikacija je lahko različna glede na fokus avtorja.
Glede na skupne fizikalne in kemijske lastnosti lahko elemente razvrstimo v glavne kategorijekovine,metaloidi oz. polkovine innekovine. Kovine so na splošno sijoče, visoko prevodne trdne snovi, ki med seboj tvorijo zlitine in solem podobne ionske spojine z nekovinami (razen zžlahtnimi plini). Večina nekovin so obarvani ali brezbarvni plini; nekovine, ki tvorijo spojine z drugimi nekovinami, imajokovalentno vez. Med kovinami in nekovinami so polkovine, ki imajo vmesne ali mešane lastnosti.[29]
Kovine in nekovine lahko nadalje razvrstimo v podkategorije, ki kažejo stopnjo kovinskih in nekovinskih lastnosti, ko se premikamo v vrsticah od leve proti desni strani. Kovine lahko razdelimo na visoko reaktivne alkalne kovine, preko manj reaktivnih zemeljskoalkalijskih kovin, lantanidov in aktinoidov, preko arhetipskih prehodnih kovin, z zaključkom pri fizikalno in kemijsko šibkih po-prehodnih kovinah. Nekovine se lahko preprosto razdelijo navečatomske nekovine, saj so bližje polkovinam in kažejo nekatere kovinske lastnosti v začetni stopnji; na nekovinskedvoatomske nekovine, nekovinske in skoraj popolnoma inertne monatomske žlahtne pline. Specializirane skupine, kot soognjevarne kovine inplemenite kovine, so primeri podskupin prehodnih kovin, tudi poznane[30] in občasno označene.[31]
Uvrščanje elementov v kategorije in podkategorije, ki temeljijo samo na skupnih lastnostih, je nepopolno. V vsaki kategoriji se na mejah pojavljajo neskladja med lastnostmi, kot je to pri večini klasifikacijskih shem.[32] Berilij je na primer uvrščen med zemeljskoalkalijske kovine, čeprav je njegovaamfoterna kemična sestava in težnja, da večinoma tvori kovalentne spojine, značilnosti kemijsko šibkih in po-prehodnih kovin. Možne so tudi druge klasifikacijske sheme, na primer delitev elementov namineraloške kategorije pojavnosti ali nakristalne strukture. Kategorizacija elementov na ta način sega vsaj v leto 1869, ko jeHinrichs[33] zapisal, da je mogoče v periodnem sistemu postaviti preproste mejne črte, da se prikažejo elementi s skupnimi lastnostmi, kot so kovine, nekovine ali plinasti elementi.
Elementi periodnega sistema, ki so prikazani v tabeli, so razdeljeni v devet kategorij; šest kategorij za kovine in dve za nekovine ter kategorija polkovin. Različni avtorji lahko uporabljajo različne sheme kategorizacije, odvisno od lastnosti, ki nas zanimajo.
Posamezna kategorija ni nujno izključujoča glede na svoje ime, meje ali lastnosti. Na primer, medtem ko je berilij v skupini 2 obarvan kot zemljoalkalijska kovina, je v naravi boljamfotermen kot alkalijska kovina. Težji članiskupine 3 so prikazani kot lantanoidi in aktinoidi, čeprav so oboji tudi prehodne kovine. Prehodne kovine v skupini 3; lantanoidi in aktinoidi, so v naravi alkalijske kovine, tako kot alkalijske kovine v skupini 1.
Znanstvenikom ni treba "izgubiti spanja zaradi težkih primerov, če klasifikacijski sistem prinaša ekonomičnost opisovanja, strukturiranje znanja in našega razumevanja, težki primeri pa predstavljajo malo manjšino."[34]
Razlika med obema kategorijama je bolj stopnja lastnosti kot vrsta.[35] Kemiji obeh kategorij kovin sta si v veliki meri podobni.[36] Večina teh kovin tvori osnovneokside (Be jeamfoteričen). Alkalijske kovine so lahke, mehke, visoko reaktivne z nizko temperaturo tališč in vrelišč. Zemljoalkalijske kovine imajo višja tališča, vrelišča in gostoto od alkalijskih kovin, po reaktivnosti so takoj za njimi.
Srednje do zelo goste kovine, z visoko temperaturo tališč in vrelišč; nekatere so zelo trde, sotrdni inžilavi in odporni na korozijo. Elementi odRf naprej so sintetizirani. Značilne lastnosti so spremenljivavalenca,barva in tvorba kompleksnihionov. Oksidi so bazični, amfoterni ali kislinski, odvisno odoksidacijskega stanja.
So zelo podobniCa,Sr inBa, vendar so mnogi težji in tvorijo večinoma bledo obarvane spojine. Lantanoidi so si podobni in jih je zato težko ločiti. Obstaja jih veliko, ampak so razpršeni; komercialne koncentracije so zato redke. Oksidi so močno do zmerno bazični.
So mehke, goste in reaktivne kovine, tiste odAm naprej pa so sintetitizirane. Začetni aktinoidi (Th to Am) kažejo nekaj podobnosti s prehodnimi kovinami in imajo bazične ali amfoterne okside; kasnejši aktinidi so bolj podobni lantanoidom. Številni aktinoidi tvorijo obarvane spojine.
Mehke (ali krhke) kovine z nizko trdnostjo in s tališči nižjimi od prehodnih kovin (daleč nižje v primeru Hg, ki je kapljevina). Kemijsko kažejo značilno nagnjenosti k kovalentni vezavi, kislinsko-bazični amfoterizmu in anionskim vrstam, kot so aluminati, stanati in bizmutati. Lahko tvorijo tudiZintlove faze (običajno krhke, obarvane in polprevodniškeintermetalne spojine).
Med kovinami in nekovinami se nahajajo elementi z mešanico kovinskih, nekovinskih ali vmesnih lastnostih. Izgledajo kot kovine, so krhke in so običajnopolprevodniki, in ne praviprevodniki. Večinoma se kemijsko obnašajo kot nekovine. Polkovine tvorijo šibko kisle ali amfoterne okside.
So brezbarvne, obarvane ali pa imajo (pod belo svetlobo) kovinski izgled. Večinoma so trdnine ali plini. Medtem ko so trdnine krhke, je večina le-teh znana tudi v prožnih ali gnetljivih oblikah.
Zahalogene,fluor,klor,brom injod, je značilna njihova ostrina in toksičnost v naravnih oblikah. Preostale reaktivne nekovine,vodik,ogljik,dušik,kisik,fosfor,žveplo inselen, ki so stisnjeni med močno elektronegativnimi halogenskimi nekovinami in šibko nekovinskimi polkovinami, so v naravi (na splošno) zmerno nekovinske. Te nekovine, oz. večina izmed njih, privlači različna imena kategorij kot sobiogen,[37]CHONPS,[38]vmesne,[39]lahke[40] alidruge nekovine.[41]
Reaktivnost reaktivnih nekovin je od relativno inertnega (N) do visoko reaktivnega (Cl,F). Tvorijo kisle in nevtralne (H2O,CO,NO,N2O ) okside.
Nevnetljivi plini brez barve in vonja in imajo zelo nizko kemijsko reaktivnost. Prva spojina žlahtnega plina, približno sestaveXePtF6, je bila narejena šele leta 1962; spojineHe inNe še niso znane.
Skupine ali družine elementov so predstavljene v stolpcih, običajno izražajo jasnejše trende od period. To razlagamo z dejstvom, da imajo elementi v isti skupini enakokonfiguracijo elektronov vvalenčni lupini, zato so podobno reaktivni, s predvidljivim spreminjanjem lastnosti ob večanju atomskega števila. Izražajo trende vatomskem polmeru,ionizacijski energiji inelektronegativnosti, kar je posledica dejstva, da so od vrha navzdol z večanjem števila energetskih nivojev valenčni elektroni vedno dlje od jedra, s tem pa se zmanjšujeta ionizacijska energija in elektronegativnost.
Po dogovoru označujemo skupine s številkami od 1 (alkalijske kovine skrajno levo) do 18 (žlahtni plini skrajno desno). Nekatere imajo trivialna imena, vendar so pri večini skupin taka imena redko v uporabi ali pa jih poimenujemo kar po prvem elementu, npr. »skandijeva skupina« za3. skupino.
Periode predstavljajo vrstice periodnega sistema. Elementi po periodah kažejo trende v atomskem polmeru, ionizacijski energiji,elektronski afiniteti in elektronegativnosti, vendar so ti trendi šibkejši in manj pravilni kot po skupinah. Običajno se z leve proti desni atomski polmer manjša, kar je posledica dejstva, da ima vsak naslednji element dodatenproton vjedru, ki privlači elektrone bližje. To hkrati povečuje elektronsko afiniteto in elektronegativnost.
Mendelejev sistem elementov iz leta 1869; urejen je s periodami v stolpcih in skupinami v vrsticah (torej obratno kot sodobni)
Potreba po urejevanju kemijskih elementov v sistemu se je pokazala, ko soznanstveniki ugotovili, da obstajajo določene povezave med lastnostmi različnih elementov. Prvi poskus periodnega sistema je začrtalAntoine Lavoisier (1743-1794) leta 1789. Potem ko je prevzel in dodelal skoraj sto let staro definicijo kemijskega elementa, ki jo jeRobert Boyle (1627-1691) opisal kotsnov, ki je s kemijsko reakcijo ne moremo razgraditi na bolj enostavne snovi, je Lavoisier skušal 33 do takrat znanih elementov postaviti v določeno pregledno obliko. Izbral si je štiri kategorije;plini,nekovine,kovine in »zemlje«. V tistem času je bilo znanih premalo elementov, da bi jih res lahko komu uspelo urediti v pregledno obliko. Lavoisier bi svoje delo najverjetneje dokončal, če ga ne bi zaradi političnih razlogov obglavili. Problem poznavanja lastnosti elementov je bil predvsem v tem, da večina elementov v skupini plinov sploh niso bili elementi, ampakspojine, ki jih še niso uspeli razgraditi na elemente.
Prelom v razumevanju urejenosti elementov je bilo deloStanislaa Cannizzara (1826-1910) iz leta 1858. Dve leti po smrti njegovega rojakaAmadea Avogadra (1776-1856), ki je prvi določil osnovo množini snovi in povezavo zatomsko maso, je postavil osnovo, skupno vsem elementom –relativno atomsko maso.
Prvi, ki je opozoril na ponavljajoče se lastnosti elementov, je bil nemški znanstvenikJohann Wolfgang Döbereiner (1780-1849). Leta 1829 je ugotovil, da imaatombroma atomsko maso, ki je polovična vrednost vsote mas atomovklora injoda. To pomeni, da vsoto atomskih mas klora (35,5) in joda (126,9) delimo z 2 in dobimo vrednost 81,2, ki je zelo dober približek relativni atomski masi broma (79,9). Podoben vzorec je našel pri trojicahkalcij,stroncij,barij inžveplo,selen,telur. Te skupine je imenovaltriade. Po mnenju ostalih znanstvenikov so bile te povezave zgolj naključne.
Leta 1860 je na prvem mednarodnem kemijskem kongresu, ki je bil organiziran prav zaradi periodnega sistema elementov, Cannizzaro predstavil svojo zamisel o pomembnosti atomskih mas elementov pri izgradnji periodnega sistema. Njegovo delo je temeljilo na Avogadrovi domnevi inGay-Lussacovem zakonu oprostorninskih odnosih pri kemijskih reakcijah v plinastem stanju. Elementi so bili razvrščeni v sistem glede na znane vrednosti atomskih mas.
Naslednji velik je napravil angleški kemikJohn Newlands (1837-1898) leta 1862, saj je predpostavil, da je možno elemente, glede na naraščajočo atomsko maso urediti v sedem stolpcev. Po ureditvi so postale vidne tudi Döberienerjeve triade. Ureditev je imenoval zakon oktav, vendar znanstveniki tudi njegove ideje niso dobro sprejeli. VEvropi je periodni sistem prvi postavilJulius Lothar Meyer (1830-1895), vendar je leto pred njimruskikemik Dimitrij Ivanovič Mendelejev oblikoval zgradbo periodnega sistema, s katero je lahko napovedal manjkajoče, še ne odkrite elemente. Z odkritjemžlahtnih plinovlorda Rayleigha (1842-1919) inWilliama Ramsayja (1852-1916) od leta 1894 naprej je Mendelejev predlagal, naj se doda pred prvo skupino dodatna ničta skupina, ki bi vsebovala te elemente, sistem ostalih pa bi ostal nespremenjen. Tak periodni sistem je ostal v uporabi vse do leta 1930. Kmalu poRutherfordovem (1871-1937) odkritjuprotona leta 1911 inThomsonovi (1856-1940) potrditvi obstojaizotopov (obstoj izotopov je prvi predlagalFrederick Soddy, 1877-1956) jeHenry Moseley (1887-1915) izpostavljal do takrat znane elementerentgenskim žarkom. Izpeljal je povezavo med frekvenco sevanja in vrstnim številom. Po preureditvi elementov glede na večanje vrstnega (atomskega) števila in ne atomske mase je bilo tudi nekaj izjem iz periodnega sistema, ki so povzročale težave Mendelejevu, popravljenih. Sodobni periodni sistem je od takrat zgrajen na Moseleyjevem zakonu periodičnosti, ki temelji na vrstnem številu elementov.
Do leta 2012 je bilo odkritih 118 elementov, od tega jihMednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo (IUPAC), ki skrbi za standarde v kemiji, priznava 114. Zadnja dva potrjena sta bilaflerovij (Fl, 114) inlivermorij (Lv, 116).[42] Elementi z najvišjimi atomskimi števili so izredno nestabilni, sintetizirajo jih v laboratorijih z visokoenergijskimi reakcijami in dokazujejo na podlagi produktovradioaktivnega razpada. Še nepotrjeni elementi imajo začasna latinizirana imena, npr.ununoktij (118). V naravi se pojavlja 98 elementov, od tega večina samo v sledeh; nekateri so bili sintetizirani v laboratoriju pred odkritjem v naravi.
Sodobna tabela periodnega sistema je včasih razširjena svojo dolgo oz. 32-stolpično obliko z elementi bloka f v njihove naravne poziciji med blokoma s in d, kot je to leta 1905 predlagalAlfred Werner.[43] Za razliko od oblike z 18 stolpci ta ureditev ne povzroča "prekinitev v zaporedju naraščajočih atomskih števil".[44] Preglednejše je tudi razmerje bloka f do drugih blokov periodnega sistema.[45] Kljub tem prednostim se uredniki oblike z 32 stolpci običajno izogibajo zaradi razmerja pravokotne oblike v primerjavi z razmerjem strani knjige[46] in poznavanja sodobne oblike, kot jo je predstavil Seaborg.[47]
↑The elements discovered initially by synthesis and later in nature are technetium (Z = 43), promethium (61), astatine (85), neptunium (93), and plutonium (94).
↑Anelement zero (i.e. a substance composed purely of neutrons), is included in a few alternate presentations, for example, in theChemical Galaxy.[7]
↑Silva, Robert J. (2006). »Fermium, Mendelevium, Nobelium and Lawrencium«. V Morss, L. R. (ur.).The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (3. izd.). Dordrecht:Springer Science+Business Media.ISBN978-1-4020-3555-5.
↑Cornford, FM (1937).Plato's cosmology: the Timaeus of Plato translated with a running commentary by Francis Macdonald Cornford. London: Routledge and Kegan Paul. str. 249–50.
↑Obrist, B (1990).Constantine of Pisa. The book of the secrets of alchemy: a mid-13th century survey of natural science,. Leiden: E J Brill. str. 163–64.
↑Partington, JR (1964).A history of chemistry. London: Macmillan. str. 145, 168.
↑Jorpes, JE (1970).Berzelius: his life and work, trans. B Steele,. Berkeley: University of California. str. 95.
↑Berzelius, JJ (1825).Lehrbuch der chemie (Textbook of chemistry), vol. 1, pt. 1, trans. F Wöhle. Dresden: Arnold. str. 168.
↑Hinrichs, GD (1869). »On the classification and the atomic weights of the so-called chemical elements, with particular reference to Stas's determinations«.Proceedings of the American Association for the Advancement of Science.18: 112–124.
↑Charles Janet,La classification hélicoïdale des éléments chimiques, Beauvais, 1928
↑Williams, RJP (1981). »The Bakerian lecture 1981: Natural section of the chemical elements«.Proc. R. Soc. Lond. B.213: 213, 361–397.doi:10.1098/rspb.1981.0071.
↑Gargaud, ur. (2006).Lectures in astrobiology, vol. 1, part 1: The early Earth and other cosmic habitats for life. Berlin: Springer.ISBN3-540-29005-2.
↑Loss, Robert D.; Corish, John (2012). »Names and symbols of the elements with atomic numbers 114 and 116 (IUPAC Recommendations 2012)«.Pure Appl. Chem. Zv. 84, št. 7. str. 1669–1672.doi:10.1351/PAC-REC-11-12-03.
↑Thyssen, P.; Binnemans, K. (2011). Gschneidner Jr., K. A. (ur.).Accommodation of the Rare Earths in the Periodic Table: A Historical Analysis.Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths. Zv. 41. Amsterdam: Elsevier. str. 76.ISBN978-0-444-53590-0.
.png)
