A Periódusos rendszer

A kémiai elemek periódusos rendszere a kémiai elemek egy táblázatos megjelenítése, melyet elsőként 1869-ben az orosz kémikus Dmitrij Mengyelejev alkalmazott. Olyan táblázatot szándékozott készíteni, amely jól mutatja az elemek tulajdonságai között fellelhető visszatérő jellegzetességeket („periódusokat”). Az idők folyamán a periódusos rendszert többször módosították és bővítették, ezen kívül Mengyelejev ideje óta számos új elemet fedeztek fel, új elméleti modelleket dolgoztak ki, melyek magyarázattal szolgálnak a kémiai sajátosságok hátterét illetően. A táblázatnak létezik az elemek viselkedésének különböző szempontjait hangsúlyozó más elrendezése is de a leggyakrabban használt forma még ma is nagyon hasonlít Mengyelejev eredeti ábrájára. A kémia oktatásában ma általánosan elterjedt a periódusos rendszer használata, a kémiai sajátosságok különböző formáinak az osztályozásához, rendszerezéséhez és összahasonlításához hasznos segédeszköz. A táblázatot széleskörűen használják a kémiában, fizikában, biológiában és az iparban. A periódusos rendszer 2006. október 16-án 117 elemet tartalmaz (a 118-as elemet előállították, de a 117-eset még nem).

A periódusos rendszer felépítése Az elemek rendszerezésére tett korábbi kísérletek legtöbbször az atomtömeg alapján történő sorrendbe állítással állt valamilyen módon összefüggésben. Mengyelejev legnagyobb újítása a periódusos rendszer megalkotásánál az volt, hogy az elemeket úgy rendezte el, hogy az illusztrálja az elemek ismétlődő („periódusos”) kémiai tulajdonságait (még ha ez azt is jelentette, hogy nem voltak atomtömeg szerint sorrendben), és kihagyta a helyét a „hiányzó” (akkoriban még ismeretlen) elemeknek. Mengyelejev a táblázat alapján megjósolta ezeknek a „hiányzó” elemeknek a tulajdonságait, és később ezek közül sokat valóban felfedeztek, és a leírás illett rájuk. Ahogy az atomok szerkezetének elmélete továbbfejlődött (például Henry Moseley által), nyilvánvalóvá vált, hogy Mengyelejev az elemeket növekvő rendszám (azaz az atommagban levő protonok száma) alapján rakta sorrendbe. Ez a sorrend majdnem megegyezik az atomtömegből adódó sorrenddel. Annak érdekében, hogy az ismétlődő tulajdonságokat szemléltesse, Mengyelejev mindig új sort kezdett a táblázatban, úgy hogy a hasonló tulajdonságú elemek egymás alá, egy oszlopba kerüljenek. A periódusos rendszer függőleges oszlopait csoportnak nevezzük, I-től VIII-ig számozzuk. A csoporton belüli elemek vegyértékhéján lévő elektronok száma és elrendeződése azonos. Megkülönböztetjük a főcsoportokat (a táblázatban „A”-val jelöltük.) és a mellékcsoportokat (a táblázatban „B”-vel jelöltük). A periódusos rendszer vízszintes sorait periódusnak nevezzük, 1-től kezdve számozzuk. Egy perióduson belül az elemek alapállapotú atomján a legkülső héj főkvantumszáma megegyezik és egyenlő a periódus számával. Mengyelejev eredeti táblázatában mindegyik periódus ugyanolyan hosszú volt. A modern táblázatokban a táblázat alján egyre hosszabb periódusok találhatóak, melyek s-, p-, d-, és f-mezőkre osztják az elemeket. A periódusos rendszeren belül azonos mezőkbe soroljuk azokat az oszlopokat, ahol azonos alhéj töltődik fel, a mezőket a feltöltődő alhéjakról nevezzük el (s-héj, p-héj, d-héj stb.) Nyomtatott táblázatokban az elemeket rendszerint az elem vegyjelével és rendszámával sorolják fel; sokszor szerepeltetik a táblázatban még az elem atomtömegét és más információkat, például az elektronkonfigurációt jelző rövidítéseket, elektronegativitást és a vegyértéket. 2006-ban 117 igazoltan felfedezett kémiai elemet tartalmaz a rendszer. Kilencven ezek közül természetes körülmények között is megtalálható a a Földön, a többieket csak mesterségesen, részecskegyorsítókban sikerült előállítani. A 43-as technécium és a 61-es promécium mesterségesek (habár rendszámuk kisebb, mint a természetesen is előforduló 92-es urán); míg a 93-as neptúnium és 94-es plutónium ugyan mesterségesként szerepel, de nyomokban már megtalálták őket természetes körülmények között is.

A periódusos rendszer főcsoportjainak tulajdonságai Az egyazon főcsoportba tartozó elemeknek, a vegyértékelektronjainak száma megegyezik. A vegyérték elektronok számát a főcsoport sorszáma adja meg. Ez alapján az ugyanabban a főcsoportban lévő elemeknek a kémiai tulajdonságai nagyban megegyeznek. Ez azzal magyarázható, hogy a vegyértékelektronok száma, meghatározza, hogy az adott elem a kötésekben hány elektronnal tud részt venni. (Emellett a kötés milyenségében szerepet játszik az elektronegativitás is). Az elektronszerkezet felépítése (amely szintén hasonló a főcsoport béli elemek között) pedig meghatározza az elem reakciókészségét. Így belátható, hogy egy ugyanolyan reakcióban a főcsoport különféle elemei legtöbbször ugyanúgy vesznek részt, csak a reakció hatásfokában van eltérés.

Triádok Elem Atomtömeg (g/mol) Sűrűség (g/cm³) Hányados (cm³/mol) klór A periódusos rendszer története Az eredeti táblázatot a szubatomi részecskék felfedezése és az atomszerkezetről alkotott jelenlegi kvantummechanikai elméletek kidolgozása előtt állították össze. Ha az elemeket atomtömegük szerint sorrendbe állítjuk és bizonyos tulajdonságokat megvizsgáljuk, feledezhető ismétődés, „periodicitás” a növekvő atomtömeg mentén. Az első tudós, aki ezt felismerte a német kémikus, Johann Wolfgang Döbereiner volt, aki 1828-ban felfedezett egy pár, hasonló elemekből álló triádot: Elem Atomtömeg (g/mol) Sűrűség (g/cm³) Hányados (cm³/mol) klór 35,45 0,003214 11030 bróm 79,90 3,12 25,6 jód 126,90 4,93 25,7   kalcium 40,08 1,55 26,0 stroncium 87,62 2,54 33,2 bárium 137,33 3,59 38,2 1829-ben Dobereiner felállította a triádok törvényét: a triád középső elemének atomtömege a két másik számtani közepe volt. Újabb tudósok a triádokon túlmutató kémiai összefüggéseket fedeztek fel: a fluor bekerült a klór, bróm és jód mellé; a kén, oxigén, szelén és tellúr egy családba kerültek; a nitrogén, foszfor, arzén, antimon és bizmut pedig egy újabb csoportot alkotott. John Newlands angol kémikus 1865-ben észrevette, hogy ha az elemeket növekvő atomtömeg szerint sorrendbe állítja, minden nyolcadik hasonló fizikai és kémiai sajátosságokat mutat, amit a zenei oktávokhoz hasonlított. Bár néhány elem esetén jól működött, Newland oktávjai két ok miatt bizonyultak hibásnak: A kalciumnál nagyobb atomtömegű elemekre nem volt igaz Miután több elemet (például a héliumot, neont, argont) felfedeztek, az új elemek nem fértek bele a táblázatba Végül 1869-ben az orosz kémia professzor, Mengyelejev, és négy hónappal később a német Julius Lothar Meyer egymástól függetlenül készítették el az első periódusos rendszert, melyben az elemeket tömegük szerint rakták sorba. Azonban Mengyelejev néhány elemet a sorrendtől eltérően helyezett el, hogy a tulajdonságaik jobban igazodjanak a szomszédaikhoz, kijavította néhány elem atomtömegét, és megjósolta a táblázat még akkor üres helyeire kerülő elemek felfedezését, és azok tulajdonságait. A rendszer helyességét megerősítette 1875-ben a gallium felfedezése, mert ez az elem a megjósolt tulajdonságokat mutatta. Mengyelejevet a 19. század végén, 20. század elején az elemek elektronszerkezetének felfedezése igazolta.