Periodická soustava chemických prvků

Mendělejevův periodický zákon

Ø podle původního znění periodického zákona (D. I. Mendělejev, 1869), na němž je založen systém prvků, jsou fyzikální a chemické vlastnosti prvků i sloučenin, které prvky tvoří, periodicky závislé na relativní atomové hmotnosti prvku

Ø po objasnění struktury atomu a významu protonového čísla byla ve formulaci zákona relativní atomová hmotnost nahrazena protonovým číslem:

Vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich protonového čísla. Chemické vlastnosti prvků se periodicky mění v závislosti na vzrůstajícím protonovém čísle.

Ø pořadí prvků podle protonového čísla je až na několik výjimek (Te-I, Co-Ni, Ar-K, Th-Pa) stejné jako podle relativních atomových hmotností

Ø v řadě prvků uspořádaných podle rostoucí hodnoty protonového čísla jsou vždy po určitém počtu prvků (po určitém úseku řady - periodě) prvky navzájem podobné

Ø úsek, po kterém se v řadě objevují např. vzácné plyny činí 8, 8, 18, 18, 32

Tabulka periodické soustavy prvků

Ø tabulka je grafickým vyjádřením periodického zákona, podává stručný přehled o vztazích mezi prvky periodického systému

Ø prvky jsou uspořádány do sedmi vodorovných řad - period 16 svislých sloupcích - skupinách označených římskými čísly I. až VIII. A odlišených písmeny A nebo B

Ø prvky zařazené ve skupinách B se společně nazývají přechodné (vedlejší) (d-prky), prvky ve skupinách A se nazývají nepřechodné (základní, hlavní) (s- a p-prvky)

Ø aby tabulka nebyla příliš dlouhá, vyčleňuje se z 6. periody 14 prvků následující za lanthanem (lanthanoidy, ₅₈Ce - ₇₁Lu) a ze 7. periody 14 prvků za aktiniem (aktinoidy, ₉₀Th - ₁₀₃Lr)

Ø lanthanoidy a aktinoidy jsou prvky vnitřně přechodné (f-prvky)

Soustava prvků a elektronová konfigurace

Ø atomy prvků téže skupiny A mají stejnou konfiguraci vnější elektronové vrstvy

Ø prvky jedné periody mají stejný počet částečně nebo úplně obsazených elektronových vrstev, který je roven hlavnímu kvantovému číslu nejvyšší, alespoň zčásti obsazené vrstvy

Ø první perioda končí zaplněním jediné hladiny vrstvy K, a obsah. proto pouze 2 prvky

Ø ve druhé a třetí periodě, které mají po 8 prvcích, se zaplňují hladiny 2s, 2p a 3s, 3p

Ø kromě neúplné sedmé periody končí všechny vzácným plynem s konfigurací vnější vrstvy ns²np⁶, poslední obsazená vrstva s nejvyšším n tedy maximálně obsahuje 8 el,

Ø ve čtvrté periodě se po zaplnění hladiny 4s začíná obsazovat hladina 3d, a to v první řadě přechodných prvků (₂₁Sc - ₃₀Zn), potom se zaplňuje hladina 4p u dalších 6 prvků

Ø v páté periodě v druhé řadě přechodných prvků se zaplňuje hladina 4d a v šesté periodě v třetí řadě přechodných prvků hladina 5d

Ø každá řada přechodných prvků má 10 členů, protože na hladině d může být maximálně 10 elektronů, celý blok prvků d má tedy 30 členů, čtvrtá a pátá perioda má po 18 prvcích, 6. perioda má včetně lanthanoidů 32 prvků

Ø valná většina přechodných prvků má konfiguraci nejvyšší elektronové vrstvy ns², výjimkou je v první řadě ₂₄Cr: [Ar] 3d⁵ 4s¹ a ₂₉Cu: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹, ve druhé řadě mají konfiguraci 5s¹ prvky ₄₁Nb, ₄₂Mo, ₄₃Tc, ₄₄Ru, ₄₅Rh, ₄₇Ag; ₄₆Pd má konfiguraci [Kr] 4d¹⁰, ve třetí řadě mají konfiguraci 6s¹ prvky ₇₈Pt a ₇₉Au

Ø u lanthanoidů se zaplňuje hladina 4f (La: [Xe] 5d 6s²) a tyto prvky mají konfiguraci [Xe] 4f ^{2 - 7, 9 - 14} 6s², a6 na ₆₄Gd: [Xe] 4f ⁷ 5d 6s² a ₇₁Lu: [Xe] 4f¹⁴ 5d 6s²

Ø u aktinoidů se zaplňuje hladina 5f (₈₉Ac: [Rn] 6d 7s²) a tyto prvky mají konfiguraci následující: [Rn] 5f ^{0, 2 - 4, 6, 7, 9 - 14} 6d^{0 - 2} 7s², dva elektrony na hladině 6d má v této řadě pouze ₉₀Th: [Rn] 6d² 7s², jeden elektron na hladině 6d mají ₉₁Pa, ₉₂U, ₉₃Np, ₉₆Cm, ₁₀₃Lr

Ø aktinoidy a lanthanoidy společně tvoří blok f-prvků, všechny f-prvky mají konfiguraci nejvyšší elektronové vrstvy ns², do f-prvků se počítají i La, Ac a Th (jako výjimky)

Valenční elektrony, s-, p-, d-, f-prvky

Ø valenční elektrony - vnější, tj. energeticky nejvýše položené elektrony atomu prvku, rozhodující měrou ovlivňují jeho schopnost slučovat se s atomy jiných prvků, mohou být umístěny na různých hladinách (valence - mocenství = slučovací schopnost prvků, mocenství udává, kolik atomů H je schopen atom daného prvku vázat nebo nahradit)

Ø prvky, které mají valenční elektrony pouze na hladině s se řadí mezi s-prvky

Ø prvky s valenčními elektrony na hladině s a p se jmenují p-prvky, nejvyšší obsazená hladina je v tom případě hladina p

Ø u s- a p-prvků, tj. prvků skupin A (nepřechodných), je počet valenčních elektronů roven číslu příslušné skupiny periodické soustavy, nepřechodné prvky svými elektrony zaplňují vnější slupku elektronového obalu (orbitaly s a p)

Ø do valenčních elektronů atomů d-prvků (přechodných) se zpravidla počítají jak elektrony ns, tak elektrony (n - 1)d, kde n je číslo periody, tedy např. elektrony 4s a 3d, přechodné prvky svými elektrony zaplňují předposlední slupku elektronového obalu (orbitaly d)

Ø valenční elektrony f-prvků (vnitřně přechodných) jsou na hladinách ns a (n - 2)f, popřípadě také (n - 1)d, vnitřně přechodné prvky svými elektrony zaplňují třetí slupku od povrchu elektronového obalu (orbitaly f)

Periodická závislost velikosti atomů, ionizační energie a elektronové afinity na elektronovém čísle

Ø ve velké vzdálenosti od jádra se elektronová hustota v atomu blíží nule

Ø velikost atomů nepřechodných prvků v jednotlivých periodách systému klesá se stoupajícím protonovým číslem, protože elektrony přibývající v jedné vrstvě jsou stále silněji přitahovány rostoucím nábojem jádra

Ø ve skupinách nepřechodných prvků roste s rostoucím číslem periody kvantové číslo vnější elektronové vrstvy a sním i velikost atomu

Ø anionty jsou vždy větší a kationty vždy menší než příslušné atomy

Ionizační energie I - energie nutná k odtržení elektronu z izolovaného atomu - z elektroneutrálního atomu vzniká kation, hodnota v kJ přepočítaná na 1 mol atomů

Ø při odtržení prvního elektronu od atomu jde o první ionizační energii, druhé elektronu o druhou, atd.., každá další ionizační energie je vždy vyšší než předchozí

Ø v jednotlivých skupinách periodického systému I klesá se stoupajícím protonovým číslem, v periodách se stoupajícím protonovým číslem roste

Elektronová afinita A - energie uvolněná při vzniku aniontu z elektroneutrálního atomu v plynném stavu, udává se v kJ na mol, periodicky se mění

Charakteristika jednotlivých skupin

Ø Alkalické kovy (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) - prvky I.A skupiny, název pochází z arabského označení rostlinného popela, který býval zdrojem Na a K, ve valenčním s orbitalu (ns¹) mají 1 snadno odštěpitelný elektron, jsou silná redukční činidla, samovznítitelné ve vzduchu, směrem dolů ve skupině klesá elektronegativita - zvětšují se atomy a valenční elektrony jsou vázány slaběji, mají vždy oxidační číslo +I, poslední francium má nejnižší elektronegativitu a je radioaktivní, vodík jako jediný dokáže přitáhnout elektron - KH, LiH - hydridy (H^-) - neušlechtilé kovy, v kyselinách se rozpouštějí a uniká vodík: Na + H₂O

Ø Kovy alkalických (žíravých) zemin (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) - prvky II.A skupiny, mají svůj název podle historického pojmenování oxidů CaO, SrO, BaO, kterým se říkalo žíravé zeminy, v s orbitalech mají 2 valenční elektrony (ns²), jsou velmi reaktivní, v přírodě jen ve sloučeninách, jsou redukční činidla, kromě berylia tvoří iontové sloučeniny, směrem dolů ve skupině klesá elektronegativita, mají vždy oxidační číslo +II, radium je vzácný radioaktivní prvek

Ø Sc, Y, La, Ac - prvky III.B skupiny, vytvářejí trojmocné ionty - oxidační číslo +III, valenční elektrony mají v orbitalech ns² (n - 1)d

Ø Ti, Zr, Hf, Rt - prvky IV.B skupiny, preferují oxidační číslo +IV, valenční elektrony mají v orbitalech ns² (n - 1)d²

Ø V, Nb, Ta - prvky V.B skupiny, oxidační číslo +V, valenční elektrony v ns² (n - 1)d³, Nb: [Kr] 5s¹ 4d⁴ - 5 valenčních elektronů

Ø Cr, Mo, W - prvky VI.B skupiny

Ø Mn, Tc, Re - prvky VII.B skupiny, vytvářejí sedmimocné ionty - oxidační číslo +VII, valenční elektrony ns² (n - 1)d⁵

Ø Triáda železa (Fe, Co, Ni) - prvky VIII.B skupiny ve 4. periodě

Ø Lehké platinové kovy (Ru, Rh, Pd) - prvky VIII.B skupiny v 5. periodě

Ø Těžké platinové kovy (Os, Ir, Pt) - prvky VIII.B skupiny v 6. periodě

Ø Cu, Ag, Au - prvky I.B skupiny, velice ušlechtilé kovy, Ag a Au - ryzí a velice stabilní kovy, často se vyskytují ve formě Ag⁰, Au⁰, zaplňují orbitaly ns² (n - 1)d¹⁰

Cu: [Ar] 4s¹ 3d¹⁰, Ag: [Kr] 5s¹ 4d¹⁰, Au: [Rn] 6s¹ 5d¹⁰

Ø Zn, Cd, Hg - prvky II.B skupiny, tvoří stabilní dvojmocné ionty - oxidační číslo +II, ztrácejí elektrony dva elektrony z 4s

Ø

Ø Triely (B, Al, Ga, In, Tl) - prvky III.A skupiny, oxidační číslo +III, valenční elektrony v orbit. Ns² np, mohou ztrácet všechny 3 elektrony nebo pouze 1, stabilní konfigurace může být ns²

Ø Tetrely (C, Si, Ge, Sn, Pb) - prvky IV.A skupiny, oxidační číslo +IV (orbitaly ns² np², křemík je nejčastějším prvkem na Zemi, čtyřvaznost uhlíku je odvozována od excitovaného stavu se čtyřmi orbitaly zaplněnými po jednom elektronu

C (základní stav): 1s² 2s² 2p²

C (excitovaný stav): 1s² 2s¹ 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z¹

Ø Pentely (N, P, As, Sb, Bi) - prvky V.A skupiny, oxidační číslo +V (orbitaly ns² np³)

Ø Chalkogeny (O, S, Se, Te, Po) - prvky VI.A skupiny, zaplňují orbitaly ns² np⁴, vyskytují se jen v rudách kovů (rudotvorné), dostaly název podle řeckého chalkos - měď, bronz, ruda, kov, v s orbitalech mají 2 elektrony, v p orbitalech 4 elektrony, celkem 6 valenčních el., jsou to pevné látky s výjimkou kyslíku, Po je radioaktivní

Ø Halogeny (F, Cl, Br, I, At) - prvky VII.A skupiny, nazývají se podle řeckého hals - sůl a gennao - tvořím, rodím, jsou to tedy prvky solitvorné, v s orbitalech 2 elektrony, v p orbitalech 5 elektronů, celkem 7 valenčních elektronů, tvoří dvouatomové molekuly, jsou velmi reaktivní, radioaktivní astat byl připraven uměle, halogeny jsou nekovy, působí jako oxidační činidla a tvoří anionty

Ø Vzácné plyny (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) - prvky VIII.A skupiny, byly pojmenovány podle vzácného výskytu, dříve se jim též podle malé reaktivnosti říkalo inertní (výjimkou je XeF₆ - fluorid xenonový), mají plně obsazený valenční orbital s 2 elektrony i orbital p 6 elektrony

Ø Lanthanoidy (Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) - skupina 14 vnitřně přechodných prvků, které zaplňují svými elektrony orbitaly 4f, stříbrolesklé kovy se stálým oxidačním číslem +III, svým chemickým chováním se zcela podobají lanthanu

Ø Aktinoidy (Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr) - skupina 14 vnitřně přechodných prvků zaplňujících orbitaly 5f, v přírodě se vyskytuje Th, Pa, U, ostatní byly připraveny uměle jadernými reakcemi

Ø Transurany - prvky, jejichž Z ≥ 93, byly připraveny jadernými reakcemi, prvky, jejichž Z je 104 - 112, dosud nemají význam vzhledem ke krátkému poločasu rozpadu jejich objevených radionuklidů

Hmotnost a náboj mikročástic

Mikročástice		Klidová hmotnost (kg)	Klidová hmotnost (u)	Náboj (C)
Název	Symbol
elektron proton neutron	e p n	9,109 ^. 10^-31 1,673 ^. 10^-27 1,675 ^. 10^-27	5,486 ^. 10^-4	-1,602 ^. 10^-19 +1,602 ^. 10^-19 0