Tämä on lupaava artikkeli.

Jaksollinen järjestelmä

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä eli alkuainetaulukko on taulukko tunnetuista alkuaineista ryhmiteltynä niiden elektronirakenteen mukaan. Jaksollinen järjestelmä on kemian perustyökaluja. Sen avulla voidaan arvioida, mitkä alkuaineet muistuttavat toisiaan ja miten taulukossa lähekkäin olevat alkuaineet eroavat toisistaan. Lisäksi alkuaineiden ominaisuuksia, esimerkiksi atomimassoja, voidaan taulukoida jaksolliseen järjestelmään, mikä helpottaa tietojen löytämistä ja vertailemista.

Ryhmät, jaksot ja lohkot

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jaksollisen järjestelmän pystyrivejä kutsutaan ryhmiksi.[1] Saman ryhmän alkuaineilla on samantapainen uloimman elektronikuoren rakenne, joten niiden ominaisuudet muistuttavat toisiaan. Esimerkiksi jalokaasut eivät juurikaan muodosta yhdisteitä, kun taas alkalimetallit reagoivat helposti ja muodostavat samantapaisia yhdisteitä.[2][3] Toisaalta tiedetään, että jalokaasujen reaktiivisuus kasvaa ryhmässä alaspäin mentäessälähde?.

Jaksollisessa järjestelmässä on 18 ryhmää.[1] Kemian järjestö IUPAC suosittaa, että ne numeroidaan luvuin 1–18.[4] Vanhempi käytäntö on ollut, että niin sanotut pääryhmät (1, 2, 13–18) merkittiin roomalaisin numeroin. Esimerkiksi ryhmä 14 eli hiiliryhmä on tällöin IV. Kolmas tapa on käyttää sekaisin kirjaimia A ja B sekä roomalaisia numeroita, jolloin ryhmät 1–8 ovat IA – VIIIA ja ryhmät 11–18 IB – VIIIB, esimerkiksi ryhmä 14 on IVB. Kirjainten A ja B käyttö sekä ryhmien numerointi vaihtelivat kuitenkin hyvin paljon eri kirjojen ja julkaisujen välillä. Esimerkiksi Yhdysvalloissa ja Euroopassa käytettiin erilaisia merkintätapoja. IUPAC suositteli tästä käytännöstä luopumista vuonna 1988.[5][6] Nykyiset ryhmät 8–10 luettiin aikaisemmin yleensä yhdeksi ryhmäksi, johon poikkeuksellisesti kuului kustakin jaksosta kolme alkuainettalähde?.

Jaksollisen järjestelmän vaakarivejä sanotaan jaksoiksi. Jakson numero ilmoittaa, kuinka monta miehitettyä elektronikuorta alkuaineella on.[1] Jaksossa vasemmalta oikealle liikuttaessa alkuaineen järjestysluku eli protonien lukumäärä kasvaa. Alkuaineiden ominaisuudet vaihtelevat tavallisesti huomattavasti saman jakson sisällä. Metalliset alkuaineet sijaitsevat jakson alkupäässä vasemmassa reunassa ja epämetallit oikeassa reunassa.[7]

Yksi tapa jakaa jaksollinen järjestelmä on myös atomiorbitaalien täyttymisjärjestykseen perustuen neljään lohkoon, jotka ovat s-, p-, d- ja f-lohkot.[8] Ryhmät 1 ja 2 sekä helium kuuluvat s-lohkoon, p-lohkoon ryhmät 13–18 (paitsi helium), d-lohkoon ryhmät 3–12 (siirtymämetallit) ja f-lohkoon lantanoidit ja aktinoidit.[6]

Ryhmä → 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)
↓ Jakso
1 1
H
2
He
2 3
Li 		4
Be
5
B 		6
C 		7
N 		8
O 		9
F 		10
Ne
3 11
Na 		12
Mg
13
Al 		14
Si 		15
P 		16
S 		17
Cl 		18
Ar
4 19
K 		20
Ca 		21
Sc 		22
Ti 		23
V 		24
Cr 		25
Mn 		26
Fe 		27
Co 		28
Ni 		29
Cu 		30
Zn 		31
Ga 		32
Ge 		33
As 		34
Se 		35
Br 		36
Kr
5 37
Rb 		38
Sr 		39
Y 		40
Zr 		41
Nb 		42
Mo 		43
Tc 		44
Ru 		45
Rh 		46
Pd 		47
Ag 		48
Cd 		49
In 		50
Sn 		51
Sb 		52
Te 		53
I 		54
Xe
6 55
Cs 		56
Ba 		*
 72
Hf 		73
Ta 		74
W 		75
Re 		76
Os 		77
Ir 		78
Pt 		79
Au		 80
Hg 		81
Tl 		82
Pb 		83
Bi 		84
Po 		85
At 		86
Rn
7 87
Fr 		88
Ra 		**
 104
Rf 		105
Db 		106
Sg 		107
Bh 		108
Hs 		109
Mt 		110
Ds 		111
Rg 		112
Cn 		113
Nh 		114
Fl 		115
Mc 		116
Lv 		117
Ts 		118
Og

* Lantanoidit 57
La 		58
Ce 		59
Pr 		60
Nd 		61
Pm 		62
Sm 		63
Eu 		64
Gd 		65
Tb 		66
Dy 		67
Ho 		68
Er 		69
Tm 		70
Yb 		71
Lu
** Aktinoidit 89
Ac 		90
Th 		91
Pa 		92
U 		93
Np 		94
Pu 		95
Am 		96
Cm 		97
Bk 		98
Cf 		99
Es 		100
Fm 		101
Md 		102
No 		103
Lr
Alkalimetallit Maa-alkalimetallit Lantanoidit Aktinoidit Siirtymäalkuaineet
Muut metallit Puolimetallit Muut epämetallit Halogeenit Jalokaasut

Olomuoto normaaliolosuhteissa (0 °C ja 101 325 Pa)

Esiintyvyys

  • Yhtenäisellä viivalla ympäröityjä alkuaineita löytyy luonnosta ja katkoviivalla ympäröityjä alkuaineita saadaan vain keinotekoisesti valmistettuna. Osaa luonnosta löytyvistä alkuaineista, kuten esimerkiksi teknetiumia (Tc, järjestysluku 43), prometiumia (Pm, 61), poloniumia (Po, 84), astatiinia (At, 85) ja plutoniumia (Pu, 94), löytyy luonnosta ainoastaan uraanin tai muiden radioaktiivisten aineiden hajoamistuotteina. Niitä ei ole eroteltu taulukkoon luonnosta löytyvistä alkuaineista erikseen.lähde?

Säännönmukaisuudet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Ionisoitumisenergian jaksollinen trendi.

Jaksollinen järjestelmä on saanut nimensä siitä, että monet ominaisuudet muuttuvat siinä säännöllisesti (”jaksollisesti”). Seuraavat säännönmukaisuudet pätevät useimmissa tapauksissa:

  • Atomimassat kasvavat jaksossa vasemmalta oikealle ja ryhmässä ylhäältä alaspäin kuljettaessa. Poikkeuksia tähän ovat argon (järjestysluku 18, atomimassa 39,95 u) ja kalium (järjestysluku 19, atomimassa 39,10 u), koboltti (järjestysluku 27, atomimassa 58,93 u) ja nikkeli (järjestysluku 28 ja atomimassa 58,69 u) sekä uraani (järjestysluku 92, atomimassa 238,03 u) ja neptunium (järjestysluku 93, atomimassa 237,05 u). Tämä johtuu siitä, että argonin, koboltin ja uraanin luonnossa esiintyvistä isotoopeista raskaimmat ovat yleisimpiä, jolloin painotettuna keskiarvona laskettu atomimassa on suurempi kuin järjestysluvultaan suuremmalla alkuaineella.[9]
  • Atomisäteet pienenevät vasemmalta oikealle ja suurenevat alaspäin siirryttäessä. Atomisäteen pieneneminen jaksossa vasemmalta oikealle selittyy tehollisella ydinvarauksella. Siirryttäessä oikealle kasvaa protonien lukumäärä, mikä lisää elektronien kokemaa efektiivistä ydinvarausta. Elektronien lukumäärän kasvaessa alemmilla kuorilla olevien elektronien aiheuttaman niin kutsutun suojauksen merkitys heikkenee, mikä lisää tehollista ydinvarausta. Tämän vuoksi ytimen protonit vetävät elektroneja voimakkaammin puoleensa ja atomisäde pienenee. Atomisäde kasvaa alaspäin mentäessä, koska orbitaalien koko kasvaa ja uloimmat elektronit kokevat pienemmän ydinvarauksen alempien kuorien orbitaaleilla olevien elektronien suojauksen vuoksi.[10][11]
  • Elektronegatiivisuudet pienenevät kuljettaessa ryhmässä alaspäin ja kasvavat jaksoissa vasemmalta oikealle.[12]
  • Ionisoitumisenergiat kasvavat vasemmalta oikealle ja pienenevät ryhmässä alaspäin siirryttäessä. Ionisaatioenergian kasvaminen siirryttäessä jaksossa vasemmalta oikealle on myös selitettävissä pienemmällä suojauksella. Pienemmän suojauksen vuoksi elektronit kokevat suuremman tehollisen ydinvarauksen ja energia, joka vaaditaan elektronin irrottamiseen on suurempi. Kuljettaessa ryhmää alaspäin suojaus kasvaa ja tehollinen ydinvaraus pienenee. Elektronit ovat tällöin myös kauempana ytimestä, jolloin ne ovat helpommin irrotettavissa ja ionisoitumisenergia pienenee.[10][11]

Historia

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Dmitri Mendelejev. Ilja Repinin maalaama muotokuva vuodelta 1885.

Alkuaineita yritettiin 1800-luvulla järjestää atomipainon mukaan monella eri tavalla. Johann Wolfgang Döbereiner mainitsi vuonna 1826 julkaisemassaan atomi­painojen taulukossa, että useissa tapauksissa toisiaan eniten muistuttavat alku­aineet muodostivat kolmen alku­aineen ryhmiä, triadeja, joissa yhden alku­aineen atomi­paino oli lähellä kahden muun atomi­painojen keski­arvoa. Tällaisia triadeja muodostivat kalsium, strontium ja barium, kloori, bromi ja jodi, litium, natrium ja kalium sekä rikki, seleeni ja telluuri.[13]

Newlandsin vuonna 1866 esittämä jaksollinen järjestelmä perustui oktaavilakiin.

Vuonna 1865 englanti­lainen kemisti John Newlands esitti teorian, että kun alku­aineet järjestetään kasvavan atomi­painon mukaiseen järjestykseen, havaitaan saman­kaltaisia toistuvia jaksoja ominai­suuk­sissa kahdeksan alku­aineen välein. Hän nimitti teoriaansa oktaavi­laiksi. New­landsin teoriaa ei yleisesti hyväksytty ja häntä keho­tettiin etsimään saman­kaltai­suuksia järjestämällä alku­aineet aakkos­järjes­tykseen.[14][15]

Mendelejevin jaksollisen järjestelmän ensimmäinen versio vuodelta 1869. Nykyisestä käytännöstä poiketen jaksot esitettiin pystysuorissa sarakkeissa ja ryhmät vaakasuorilla riveillä.

Nykyisen kaltaisen jaksollisen järjestelmän julkaisi ensimmäisenä venäläinen Dmitri Mendelejev vuonna 1869. Saksalainen Lothar Meyer oli kehittänyt samoihin aikoihin oman alkuainetaulukkonsa.[13]

Mendelejev ennusti jaksollisen järjestelmänsä avulla, että olisi olemassa kolme aiemmin tuntematonta alkuainetta. Hän myös arvioi tarkasti niiden ominaisuuksia. Kun nämä alkuaineet – gallium, skandium ja germanium – löydettiin ja niiden, etenkin galliumin, ominaisuudet näyttivät olevan lähellä Mendelejevin ennustetta, jaksollinen järjestelmä hyväksyttiin laajasti ja sen käyttö yleistyi 1880-luvulla.[16] Myöhemmin siihen jouduttiin kuitenkin lisäämään kokonaan uusi ryhmä eli sarake, kun löydettiin jalokaasut.[13] Harvinaisten maa­metallien sijoittamista järjestelmään pidettiin myös pitkään ongelmallisena, sillä ne jouduttiin sijoittamaan samaan ruutuun, ja vasta röntgensäteilyn spektrit tekivät mahdolliseksi selvittää, kuinka monta niitä kaikkiaan oli.[17]

Mendelejevin mukaan järjestelmä osoitti, että alkuaineen ominaisuudet riippuivat sen atomi­painosta. Ominaisuuksiensa vuoksi esimerkiksi telluuri ja jodi jouduttiin kuitenkin sijoittamaan päin­vastaiseen järjestykseen kuin niiden atomi­painot edellyttivät. Mendelejev epäili tämän johtuvan siitä, että telluurin atomi­paino oli mitattu väärin.[18] Vuonna 1913 Henry Moseley osoitti alku­aineiden röntgen­spektrien avulla, että jokaisen alkuaineen atomin ytimellä on tietyn suuruinen sähkövaraus, joka kasvaa aina saman verran siirryttäessä jaksollisessa järjestelmässä alku­aineesta seuraavaan. Koska ytimen varaus osoitti suoraan alku­aineen paikan järjestelmässä, sitä alettiin kutsua alku­aineen järjestys­luvuksi.[19]

Vuonna 1922 Niels Bohr osoitti, kuinka alkuaineiden kemiallisissa ominaisuuksissa havaitut säännönmukaisuudet voitiin selittää atomin rakenteen perusteella. Siksi hän täydensi jo aiemmin esittämäänsä atomimallia seuraavilla lisäoletuksilla:

  1. ydintä kiertävät elektronit täyttävät eri elektronikuoria järjestyksessä sisältä ulospäin,
  2. kullekin kuorelle mahtuu vain tietty määrä elektroneja ja
  3. ionisoituessaan atomi pyrkii tilaan, jossa sen uloimmallakin kuorella on suurin mahdollinen määrä elektroneja.[20]

Tältä pohjalta Bohr selitti ionisidoksen muodostumisen: jos uloimmalla kuorella on vain yksi tai muutama elektroni, ne irtoavat helposti ja atomista tulee positiivinen ioni. Jos taas uloimmalla kuorella on vain yksi tai muutama elektroni vähemmän kuin sinne mahtuisi, atomi ottaa helposti vastaan lisää elektroneja niin, että tämä kuori täyttyy.lähde?

Oletusta (2) voitiin myöhemmin tarkentaa niin, että sen pohjalta muotoiltiin Paulin kieltosääntö, kun taas oletus (3) vastaa sitä, mikä nykyisin tunnetaan oktettisääntönä. Gilbert Newton Lewis täydensi teoriaa myöhemmin selittämällä atomin rakenteen avulla myös kovalenttisen sidoksen muodostumisen.[21]

Järjestelmän lyhyt ja pitkä muoto

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mendelejev esitti jaksollisen järjestelmän niin sanotussa lyhyen järjestelmän muodossa, jota yleisesti käytettiin vielä pitkään 1900-luvulla. Siinä alkuaineet sijoitettiin pääryhmien mukaan niin, että vastaavien A- ja B-ryhmien (esimerkiksi I A- ja I B -ryhmien eli nykyisten 1. ja 11. ryhmien, samoin IV A ja IV B -ryhmien eli nykyisten 4. ja 14. ryhmien) alkuaineet sijoitettiin samaan sarakkeeseen ja nykyiset jaksot neljännestä lähtien jakautuivat kahdelle riville. Tässä järjestelmässä A- ja B-ryhmien alkuaineet eroavat kuitenkin ominaisuuksiltaan selvästi, joskin niillä on myös yhtäläisyyksiä[22], esimerkiksi monien sekä A- että B-ryhmien alkuaineiden korkein ja usein myös yleisin hapetusaste on sama kuin ryhmän näin määritelty järjestysnumerolähde?.

Mendelejevin järjestelmän uusittu versio vuodelta 1871. Alkuaineet oli jaettu kahdeksaan ryhmään. Viivat tarkoittavat alkuaineita, joita tuolloin ei vielä tunnettu.


Jakso I II III IV V VI VII VIII 0
A B A B A B A B A B A B A B
1 1
H 		                                2
He
2 3
Li 		  4
Be 		  5
B 		    6
C 		  7
N 		  8
O 		  9
F 		      10
Ne
3 11
Na 		  12
Mg 		  13
Al 		    14
Si 		  15
P 		  16
S 		  17
Cl 		      18
Ar
4 19
K 		  20
Ca 		  21
Sc 		  22
Ti 		  23
V 		  24
Cr 		  25
Mn 		  26
Fe 		27
Co 		28
Ni 		 
  29
Cu 		  30
Zn 		  31
Ga 		  32
Ge 		  33
As 		  34
Se 		  35
Br 		      36
Kr
5 37
Rb 		  38
Sr 		  39
Y 		  40
Zr 		  41
Nb 		  42
Mo 		  43
Tc 		  44
Ru 		45
Rh 		46
Pd 		 
  47
Ag 		  48
Cd 		  49
In 		  50
Sn 		  51
Sb 		  52
Te 		  53
I 		      54
Xe
6 55
Cs 		  56
Ba 		  57-71   72
Hf 		  73
Ta 		  74
W 		  75
Re 		  76
Os 		77
Ir 		78
Pt 		 
  79
Au 		  80
Hg 		  81
Tl 		  82
Pb 		  83
Bi 		  84
Po 		  85
At 		      86
Rn
7 87
Fr 		  88
Ra 		  89-103   104
Rf 		  105
Db 		  106
Sg 		  107
Bh 		  108
Hs 		109
Mt 		110
Ds 		 
  111
Rg 		  112
Cn 		  113
Nh 		  114
Fl 		  115
Mc 		  116
Lv 		  117
Ts 		      118
Og
 
  Lantanoidit: 57
La 		58
Ce 		59
Pr 		60
Nd 		61
Pm 		62
Sm 		63
Eu 		64
Gd 		65
Tb 		66
Dy 		67
Ho 		68
Er 		69
Tm 		70
Yb 		71
Lu
 
  Aktinidit: 89
Ac 		90
Th 		91
Pa 		92
U 		93
Np 		94
Pu 		95
Am 		96
Cm 		97
Bk 		98
Cf 		99
Es 		100
Fm 		101
Md 		102
No 		103
Lr
 
Lyhyen järjestelmän mukainen alkuainetaulukko


Katso myös

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  • Geoff Rayner-Canham & Tina Overton: Descriptive Inorganic Chemistry. 5. painos. W. H. Freeman and Company, 2006. ISBN 978-1-4292-2434-5 (englanniksi)
  • Steven S. Zumdahl & Susan A. Zumdahl: Chemistry. 8. painos. Brooks Cole, 2008. ISBN 978-0-495-82992-8 (englanniksi)
  • John Hudson: Suurin tiede – kemian historia. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Art House, 2002. ISBN 951-884-346-5
  • Reijo Rasinkangas: ”Bohr (1885–1962)”, Fysikaalisen maailmankuvan kehitys, s. 76–77. Oulun yliopiston fysikaalisten tieteiden laitos, 2009. Teoksen verkkoversio. (Arkistoitu – Internet Archive)

Viitteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  1. ↑ a b c Alkuaineiden jaksollisen järjestelmän rakenne Opetushallitus. Arkistoitu 20.7.2011. Viitattu 14.4.2011.
  2. ↑ Rayner-Canham & Overton, s. 193.
  3. ↑ Zumdahl & Zumdahl 2010, s. 57.
  4. ↑ G. Jeffery Leigh: Periodic Tables and IUPAC. Chemistry International, 2009, 31. vsk, nro 1. IUPAC. Artikkelin verkkoversio. Viitattu 22.4.2011. (englanniksi)
  5. ↑ E. Fluck: New notation in the periodic table. Pure & Applied Chemistry, 1988, 60. vsk, nro 3, s. 431–436. IUPAC. Artikkelin verkkoversio. (pdf) Viitattu 26.4.2011. (englanniksi)
  6. ↑ a b John Emsley: Nature’s building blocks: an A–Z guide to the elements, s. 526. Oxford University Press, 2003. ISBN 9780198503408 Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  7. ↑ Jaksollinen järjestelmä Opetushallitus. Arkistoitu 3.5.2009. Viitattu 13.7.2011.
  8. ↑ Jaksollinen järjestelmä Opetushallitus. Arkistoitu 20.7.2011. Viitattu 29.4.2011.
  9. ↑ Anne Marie Helmenstine: Increasing Atomic Number Doesn't Always Increase Atomic Mass About.com. Arkistoitu 9.7.2014. Viitattu 1.7.2014. (englanniksi)
  10. ↑ a b Rayner-Canham & Overton, s. 30–31, 33–34.
  11. ↑ a b Zumdahl & Zumdahl 2010, s. 318–319, 322
  12. ↑ Jim Clarck: Electronegativity ChemGuide. Viitattu 13.7.2011. (englanniksi)
  13. ↑ a b c Hudson, s. 197–204.
  14. ↑ Rayner-Canham & Overton, s. 19.
  15. ↑ Philip Ball: The elements: a very short introduction, s. 82. Oxford University Press, 2003. ISBN 978-0192840998 Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  16. ↑ Katherine White: Mendeleyev and the Periodic Table, s. 44. The Rosen Publishing Group, 2005. ISBN 978-1404203105 Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  17. ↑ Hudson, s. 207, 259–262.
  18. ↑ Hudson, s. 202.
  19. ↑ Hudson, s. 261–262.
  20. ↑ Rasinkangas 2009, s. 76–77
  21. ↑ Rasinkangas 2009, s. 78–77
  22. ↑ Antti Kivinen & Osmo Mäkinen: Kemia, s. 281. Otava, 1988. ISBN 951-1-10136-6

Aiheesta muualla

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Jaksollinen_järjestelmä&oldid=22753682”