elemtáblázat az elemek csoport–szakasz
táblázata az elemek egységesített rendszerezésére (periódusos rendszer).
Az atommag protonjainak számán (rendszám) és az elektronburok elektronjainak
számán alapszik. Korábban úgy gondolták, hogy az elemek tömege (a protonok és a
neutronok együttes száma) is alkalmas a rendszerezésükre, de kiderült, hogy a
természetes neutronmás (isotpe) eloszlás miatt vannak azonos tömegű különböző
elemek is, pl. a tellúr és a jód. A rendszerezés tehát kizárólag a protonok és
az elektronok számára. Alapelve: mindegyik elem elektronszerkezete megadható,
miként a protonok száma is; ezek száma mindegyik elemben más. Ekként az
elemtáblázat az elemek atomszerkezete szerinti osztályozása, és mert az
atomszerkezet határozza meg az elemek tulajdonságát, az elemtáblázat elemeknek
a tulajdonságaik szerinti rendszerezése is.
Az elemeket a vegyjeleikkel
tüntetjük fel, a vegyjel előtt (alsó kitevőben) megadjuk a rendszámot, amely
azonos a magtöltéssel, vagyis a protonok számával. A vegyjel felett az elem
neve és a viszonyított atomtömege szerepel. Pl. 27Co, kobalt
(rendszáma 27), 58 933 (viszonyított atomtömeg).
Az elemek 7 vízszintes sorba
rendeződnek, ezeket szakaszoknak (periódusok) nevezzük, és 1-től
7-ig számozzuk. Az elemek sorrendjét a protonok száma határozza meg. Az 1-es
számú elemben egy proton, a 2-es számúban kettő stb. proton van. 18 függőleges
sor van, ezeket csoportoknak mondjuk, szintén számozzuk.
Megkülönböztetünk 8 főcsoportot (1., 2., 13–18. csoport) és 10 mellékcsoportot
(3–12. csoport). A mellékcsoportokba tartoznak elkülönítve a lantanoidák és az
aktinoidák is, amelyek a lantán (57La), illetve az aktinium (89Ac)
után következő 14–14 elemet foglalják magukban.
(Korábban megkülönböztettek négy
mezőt is [s-, d-, p- és f-mező]. Az s-, d-, p-mező függőleges oszlopokból áll,
amelyek elemcsoportok. Az oszlopokat római számokkal és nagybetűk azonosították
[IA, IIA, IB stb.]. Az s-mezőben és a p-mezőben vannak a főcsoportok, a d-mező
oszlopai a mellékcsoportok. Az f-mező elemei az 57La és a 89Ac
elemek csoportjai: latanoidák, illetve aktinoidák.)
■ Szakaszok. A táblázat vízszintes
sorai, az elektronhéjaknak felelnek meg: az 1-es szakaszban egy, a kettesben
két stb. elektronhéjat tartalmazó elemek vannak; legtöbb hét elektronhéj (7.
szakasz) lehet; ennek megfelelően hét szakasz van. Mivel az elektronhéj
energiaszintet jelöl, az elemek helyét a vízszintes szakaszokban a külső
elektronok energiaszintje, a főmennyiségszám fejezi ki. Az egyes szakaszokban
az elemek az elektronburok felépülésének szabályai szerint rendeződnek. Ezekkel
a szabályokkal mindegyik elem elektronszerkezete leírható.
(→elektronburok-feltöltődés)
▪ Az első szakasz az
első elektronhéj szerinti; amelyben csak 2 elektron lehet, ezért csak két elem
van benne, a hidrogén (1s1) és a hélium (1s2).
(A szám az elektronhéjat jelőlő
főrészecsszám, az s pedig az első alhéjat jelöli. A kitevőben lévő szám
azt muttatja, hogy az adott alhéjban hány elektron van. A hidrogénnek tehát 1
elektronhéja és egy elektronalhéja van, amelyben 1 elektron található. A hélium
szintén egy elektronhéjból és egy elektronalhéjból áll, de abban 2 elektron
tartozkodi.) (→elektronburok).
▪ A második szakasz a második
elektronhéj feltöltödése szerint jelöli az elemeket. (A második héjnak 2 alhéja
van, az s- és a p-alhéj.) Ezen 8 elektron lehet (2s2, 2p6),
amelyekben az elektronhelyek egymás után töltődnek fel a litiumtól a neonig:
A második szakasz első eleme a
litium, amelynek 3 elektronja van: kettő az 1-es elektronhéjban, a harmadik a
2-es elektronhéj s-alhéjában (1s2, 2s1). A következő elem
a berillium 4 elektronnal, a negyedik az s-alhéj második elektronja (1s2,
2s2). Következik a bór 5 elektronnal; az ötödik a p-alhély első
elektronhelyén található (1s2, 2s2, 2p1). (A
p-alhélynak 3 elektronhelye van). A szénnek 6 elektronja van, a hatodik a
p-alhély második elektronhelyén található (1s2, 2s2, 2p2);
a nitrogén hetedik elektronja a p alhély harmadik elektronhelyén található (1s2,
2s2, 2p3). Az oxigén nyolcadik elektronja a p alhély első
elektronhelyének második elektronja (1s2, 2s2, 2p4).
A következő elem a fluor, amelynek kilencedik elektronja a p alhély második
elektronhelyének második elektronja (1s2, 2s2, 2p5).
A második szakasz nyolcadik eleme a neon 10 elektronnal; a tízedik a p alhély
harmadik elektronhelyének második elektronja (1s2, 2s2,
2p6). Ebben tehát a vegyértékhéj (itt a második elektronhéj) már
telített: 8 elektronja van (2s2 + 2p6); nemesgáz.
(elektronburok)
▪ A harmadik szakaszban az elemek
harmadik elektronhéjában szintén nyolc elektron lehet (3s2, 3p6),
ezért ebben is nyolc elem van, a nátriumtól az argonig. A harmadik elektronhéj
felépülése azonos a második elektronhéj felépülésével. Ezekben az elemekben a
harmadik héj d-alhéjában nincsenek elektronok.
▪ A negyedik szakaszban a
negyedik elektronhéjba egy, majd 2 elektron épül be (4s1, 4s2).
Ez a kálium és a kalcium. A következő 10 elemben a harmadik héj d-alhája
telődik (4s2, 3d1–10), a cinkkel fejeződik be. Ezek az
elemek a mellékcsoportokba tartoznak. Ezután egészül ki a 4p, bezáróan a
kriptonnal (4s2, 4p6). A negyedik szakaszba 18 elem
tartozik.
▪ Az 5–7. szakaszban hasonló a
telődés, mint a negyedikben. Itt már az f-alhéj is telődik, legtöbb 14
elektronnal (4f145f14).
A 6–7 szakaszba tartoznak a
latinoidák és az aktinoidák. Az 5. szakasz elektronjai: (5s1 –2 4d1–10
5p1–6); a 6. szakasz elektronjai: (6s1 –24f1–145d1–106p1–6);
a 7. szakasz elektronjai: (7s1 –25f1–146d1–107p1–6).
■ Csoportok. A függőleges
oszlopok, amelyeket fő- és mellékcsoportokra osztunk.
A főcsoportokba
azok az elemek tartoznak, amelyek a külső elektronhélyra vesznek fel elektront.
A főcsoportok száma a vegyértékhéjon lévő elektronok számára utal: a
főcsoportszámnak megfelelő számú elektron van a vegyértékhéjon
(vegyértéelektron). Pl. az első főcsoportba tartózó elemekben (alkálifémek és a
hidrogén) egy elektron van a vegyértékhéjon, a második főcsoport elemeiben
(alkáliföldfémek) kettő, a 13-as főcsoport (ez a harmadik főcsoport) elemeinek
3 vegyértékelektronja van. A 18-as főcsoportban helyezkednek el a nemesgázok,
nyolc elektronnal az elektronhéjon; kivétel a hélium, amelyben csak 2 elektron
van. A 13-tól a 18. csoportig a csoportszám második tagja jelöli az
elektronhéjak számát. Mivel az elemek tulajdonságát a vagyértékelektronok határozzák
meg, egy-egy főcsoportban hasonló tulajdonságú elemek vannak. A főcsoportoknak
az elemek hasonló tulajdonságai miatt, köznyelvi elnevezésük is van: 1-es
főcsoport az alkálifémek, a kettes az alkáliföldfémek, a tízenhármas a földfémek,
a tízennégyes a széncsoport, a tízenötös a nitrogéncsoport, a tízenhatos
a kalkogének, a tízenhetes a halogének és a tízennyocas a nemesgázok.
A mellékcsoportok
vegyértékelektronjainak száma egyform, az elektron valamelyik belső
elektronhéjba épül be. A mellékcsoportok ebben térnek el. A mellékcsoportok
elemei mind fémek, szokásosan két vegyértékelektronnal a 4s2-től
indulva. A különbség valamelyik belső elektronhéjban lévő elektronok számában
van. Mivel a vagyértékelektronjai száma azonos, tulajdonságaik is nagyon
hasonlók. A mellékcsoportok átmeneti csoportok, a főcsoportok között vannak.
Néhány atomjellemző változása a táblázat szerint.
• Atomsugár (atomic
radius). A táblázat bal oldaláról jobbra haladva csökken (a nemesgázok
kivételével), mivel a jobb oldali elemekben több a proton, nagyobb a vonzerő, a
külső elektronok közelebb kerülnek a maghoz, vagyis csökken az atom sugara, pl.
(Li → F, a litiumban 3, a fluorban 9 proton van; az utóbbi kisebb). A
főcsoporton belül, fentről lefelé haladva (Li → K) viszont növekszik, mert az
az alsobb elemeknek több elektronhéja van (a lítiumban kettő, a káliumban már
négy); fentről lefelé haladva újabb elektronhéjak töltődnek.
▪ Ionsugár (ionic radius) vegyértékelektron
leadásával csökken az atom mérete, vagyis a pozionokban az ionsugár rövidebb. A
negionék ellenkezően változik; elektronfelvétellel hosszabb lesz az ionsugár. A
főcsoportokban lefelé haladva nő az ionok sugara az újabb elektronhéjak
telődése miatt.
A szakaszokban
a negionok mére lényegesen nagyobb, mint a pozionoké, és az is megfigyelhető,
hogy az egyértékű pozion sugara hosszabb, mint a kétértékűé.
• Elektronegativitás.
Balról jobbra haladva, növekszik, mert a jobb oldali elemekben több a proton,
nagyobb a vonzerő. Fentről lefelé haladva csökken az elemek
elektronegativitása, mert növekszik az atomok átmérője. (→Coulomb-törvény, elektronnegatívitás)
• Ionkeltő
energia. Az egy vegyértékelektron eltávolításához szükséges energia balról
jobbra haladva növekszik, mivel a magok vonzerejének erősödésével fokozottabb
az elektronok kapcsolódása, és közelebb vannak az atommaghoz, ezért csak
nagyobb energiával lökhetők ki. A Coulomb-egyenletben nagyobb a számlálóban az
egyik Q és kisebb az r (az atum sugara) a nevezőben
(→Coulomb-törvény). Fentről lefelé haladva viszont csökken, mert nagyobb az r
értéke a több elektronhéj miatt.
• Elektronfogékonyság (electron
affinity, Eaff), vagyis az elektronfelvételkor felszabaduló energia
vízszintesen haladva növekszik, például a fluor elektronfelvételekor több
energia szabadul fel, mint a lítium elektronfelvételénél. Függőlegesen haladva
viszont csökken, mivel nagyobb az atom átmérője.
Jelenleg 118 elem ismert, ebből ~20 életfontosságú.