Πέμπτη, 19 Μαρτίου 2015

Περιοδικός πίνακας των χημικών στοιχείων


Περιοδικός Πίνακας Χημικών Στοιχείων

Χρωματικός κώδικας για τους ατομικούς αριθμούς:
  • Στοιχεία αριθμημένα με μπλε είναι υγρά σε ΚΣ;
  • Αυτά που είναι πράσινα είναι αέρια σε ΚΣ;
  • Αυτά που είναι μαύρα είναι στερεά σε ΚΣ;
  • Αυτά που είναι γκρι είναι στοιχεία τα οποία έχουν περιγραφεί θεωρητικά αλλά δεν έχουν παρασκευαστεί στο εργαστήριο (έχουν επίσης αχνό χρώμα κουτιού υποδεικνύοντας την χημική σειρά στην οποία πιθανόν να βρίσκονταν).
Όλες οι εκδόσεις του περιοδικού πίνακα των χημικών στοιχείων περιλαμβάνουν μόνο χημικά στοιχεία, όχι μίγματαχημικές ενώσεις, ή υποατομικά σωματίδια[3]. Κάθε χημικό στοιχείο έχει έναν μοναδικό γι' αυτό ατομικό αριθμό, που αντιπροσωπεύει τον αριθμό τωνπρωτονίων στον ατομικό πυρήνα του. τα περισσότερα χημικά στοιχεία έχουν κάποια διακριτά είδη, που έχουν ατομικούς πυρήνες με διαφορετικό αριθμό νετρονίων, και αναφέρονται ως ισότοπα. Για παράδειγμα, ο άνθρακας έχει 3 φυσικά υπάρχοντα ισότοπα. Όλα τα ισότοπα του άνθρακα έχουν 6 πρωτόνια, και τα περισσότερα (αναλογικά) έχουν και 6 νετρόνια (ισότοπο 12C), αλλά περίπου το 1% έχει 7 νετρόνια (ισότοπο 13C). Τέλος, ένα πολύ μικρό κλάσμα των ατόμων άνθρακα έχουν 8 νετρόνια (ισότοπο 14C). Τα ισότοπα ποτέ δεν διαχωρίζονται στον περιοδικό πίνακα των χημικών στοιχείων. Πάντοτε ομαδοποιούνται μαζί κάτω από το σύμβολο ενός απλού χημικού στοιχείου. Τα χημικά στοιχεία που δεν έχουν σταθερά ισότοπα, έχουν ατομικές μάζες (όταν αυτές αναγράφονται στον περιοδικό πίνακα των χημικών στοιχείων) που τίθενται σε παρενθέσεις και αντιστοιχούν στην ισοτοπική μάζα του σταθερότερου ισότοπού τους[4].
Στον τυπικό περιοδικό πίνακα των χημικών στοιχείων, τα χημικά στοιχεία τοποθετούνται σε κατά σειρά αύξοντα ατομικού αριθμού. Μια νέα περίοδος ξεκινά όταν χρησιμοποιείται μια επιπλέον ηλεκτρονική στιβάδα για το πρώτο της ηλεκτρόνιο. Οι ομάδες καθορίζονται από την ηλεκρονική δομή του ατόμου. Χημικά στοιχεία με τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων σε μια συγκεκριμένη ηλεκτρονική υποστιβάδα μπαίνουν στις ίδιες ομάδες. Για παράδειγμα, το οξυγόνο και το σελήνιο βρίσκονται στην ίδια ομάδα επειδή και τα δυο έχουν 4 ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους p υποστιβάδα. Τα χημικά στοιχεία με παρόμοιες χημικές ιδιότητες γενικά μπαίνουν στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα των χημικών στοιχείων, παρόλο που στον τομέα f και σε κάποια σημεία του τομέα d, τα χημικά στοιχεία της ίδιας περιόδου τείνουν να έχουν επίσης παρόμοιες ιδιότητες. Έτσι, είναι σχετικά εύκολο να προβλεφθεί η χημική συμπεριφορά ενός χημικού στοιχείου, αν είναι γνωστές οι ιδιότητες των χημικών στοιχείων που βρίσκονται γύρω από αυτό, στον περιοδικό πίνακα των χημικών στοιχείων[5].
Μέχρι το 2013, το περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων είχε 114 επιβεβαιωμένα χημικά στοιχεία, αρχίζοντας από το χημικό στοιχείο με ατομικό αριθμό 1 (υδρογόνο, καταλήγοντας συνεχόμενα στο χημικό στοιχείο με ατομικό αριθμό 112 (κοπερνίκιο), συνεχίζοντας στο χημικό στοιχείο με ατομικό αριθμό 114 (φλερόβιο) και καταλήγοντας στο στο χημικό στοιχείο με ατομικό αριθμό 116 (λιβερμόριο). Τα χημικά στοιχεία με ατομικούς αριθμούς 113, 115, 117 και 118, έχουν αναφερθεί ότι έχουν πυρηνοσυνθεθεί σε (ειδικά) εργαστήρια, αλλά κανένας από αυτούς τους ισχυρισμούς δεν έχει επίσημα επιβεβαιωθεί από την IUPAC. Γι' αυτό αυτά τα χημικά στοιχεία είναι γενικά γνωστά μόνο με το συστηματικό τους όνομα, που βασίζεται στους ατομικούς αριθμούς τους[6].
Ένα σύνολο από 98 χημικά στοιχεία έχουν βρεθεί στη φύση. Τα υπόλοιπα 16, από το αϊνσταΐνιο ως το κοπερνίκιο, και επιπλέον το φλερόβιο και το λιβερμόριο, υπάρχουν μόνο όταν πυρηνοσυνθεθούν σε εργαστήρια. Από τα 98 χημικά στοιχεία που έχουν βρεθεί στη φύση, τα 84 είναι αρχέγονα. Τα υπόλοιπα 14 υπάρχουν μόνο σε αλυσίδες ραδιενεργούς διάσπασης αρχέγονων ραδιονουλκιδίων[7]. Κανένα χημικό στοιχείο βαρύτερο από το αϊνσταΐνιο δεν έχει ποτέ παρατηρηθεί σε μακροσκοπικές ποσότητες στην καθαρή του μορφή[8].

Μέθοδοι ταξινόμησης[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ομάδες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μια ομάδα είναι μια κάθετη στήλη του περιοδικού πίνακα. Οι ομάδες συνήθως έχουν πιο σημαντικές περιοδικές τάσεις παρά οι περιόδοι και οι τομείς, που εξηγούνται παρακάτω. Οι σύγχρονες κβαντομηχανικές θεωρίες της ατομικής δομής εξηγούν τις ομαδικές τάσεις προτείνοντας ότι τα χημικά στοχεία μιας ομάδας γενικά έχουν τις ίδιες ηλεκτρονιακές διαμορφώσεις στις στιβάδες σθένους τους[9]. Συνεπώς, τα χημικά στοιχεία στην ίδια ομάδα τείνουν να έχουν μια κοινή χημεία και εμφανίζουν μια σαφή τάση στις ιδιότητες με την αύξηση του ατομικού αριθμού τους[10]. Ωστόσο σε κάποια τμήματα του περιοδικού πίνακα, όπως είναι ο τομέας d και ο τομέας f, οι οριζόντιες ομοιότητες μπορεί να είναι επίσης το ίδιο ή και περισσότερο σημαντικές από τις κάθετες ομοιότητες.
Κάτω από μια διεθνή ονοματολογική σύμβαση, οι ομάδες αριθμούνται από το 1 ως το 18, από την ακροαριστερή στήλη (τα αλκαλιμέταλλα) ως την ακροδεξιά στήλη (τα ευγενή αέρια)[11]. Προηγουμένως, οι ομάδες είναι γνωστές με ρωμαϊκή αρίθμηση. Στην Αμερική, οι ρωμαϊκοί αριθμοί ακολουθούνταν είτε από το «Α», αν η ομάδα ανήκε στους τομείς s ή p, είτε από το «Β», αν η ομάδα ανήκε στον τομέα d. Οι ρωμαϊκοί αριθμοί που χρησιμοποιούνταν αντιστοιχούσαν στο τελευταίο ψηφίο της σημερινής αριθμητικής ονοματολογικής σύνθεσης. Για παράδειγμα, η ομάδα 4 ήταν η ομάδα IVB και η ομάδα 14 ήταν η ομάδα IVA. Στην Ευρώπη, τα γράμματα ήταν τα ίδια, αλλά το «Α» χρησιμοποιούνταν αν η ομάδα βρισκόταν πριν από τη σημερινή ομάδα 10, ενώ το «Β» χρησιμοποιούνταν για τις ομάδες μετά την ομάδα 10. Επιπλέον, οι ομάδες 8 - 10 ομαδοποιούνταν σε μια τριπλού μεγέθους ομάδα, που χαρακτηριζόταν ως ομάδα VIII. Από το 1988, το νέο ονοματολογικό σύστημα της IUPAC τέθηκε σε ισχύ, ενώ τα παλιά ονόματα των ομάδων αποσύρθηκαν[12].
Σε κάποιες από αυτές τις ομάδες δόθηκαν εμπειρικά, δηλαδή μη συστηματικά, ονόματα, που αναφέρονται παρακάτω, παρόλο που μερικά χρησιμοποιούνται σπανίως. Οι ομάδες 3 - 10 δεν έχουν εμπειρικά ονόματα και αναφέρονται απλά με τον αριθμό ομάδας τους ή με το όνομα του πρώτου χημικού στοιχείου τους, όπως για παράδειγμα η ομάδα 3 ονομάζεται και «ομάδα του σκάνδιου», εφόσον παρουσιάζουν λιγότερες ομοιότητες ή και κάθετες τάσεις[11].
Τα χημικά στοιχεία της ίδιας ομάδας τείνουν να δείχνουν εφαρμοζόμενους κανόνες στις ατομικές ακτίνες τους, στις ενέργειες ιονισμού τους, και στις ηλεκτραρνητικότητές τους. Από την κορυφή ως τη βάση σε μια ομάδα, οι ατομικές ακτίνες των χημικών στοιχείων αυξάνονται. Εφόσον συμπληρώνονται περισσότερα ενεργειακά επίπεδα, τα ηλεκτρόνια σθένους βρίσκονται μακρύτερα από τους πυρήνες τους. Από την κορυφή, κάθε επόμενο χημικό στοιχείο έχει χαμηλώτερη ενέργεια ιονισμού, γιατί είναι ευκολότερο να αποσπαστεί ένα ηλεκτρόνιο, εφόσον τα πιο απομακρυσμένα ηλεκτρόνια έλκονται ασθενέστερα από τους πυρήνες τους. Ομοίως, μια ομάδα, από την κορυφή ως τη βάση, η ηλεκτραρνητικότητα ελαττώνεται, και πάλι εξαιτίας της αυξανόμενης απόστασης των ηλεκτρονίων σθένους από τους πυρήνες τους[13]. Υπάρχουν εξαιρέσεις σε αυτές τις τάσεις, ωστόσο, ένα παράδειγμα των οποίων βρίσκεται στην ομάδα 11, όπου η ηλεκτραρνητικότητα αυξάνεται προς τα κάτω στην ομάδα αυτή[14].
Η αντιστοίχιση των δύο τρόπων αρίθμησης και των εναλλακτικών ονομασιών τους φαίνεται παρακάτω:
  1. Αλκάλια ή αλκαλιμέταλλα ή ομάδα του λιθίου → IA
  2. Αλκαλικές γαίες ή αλκαλικές γαίες ή ομάδα του βηρυλλίου → IIA
  3. Στοιχεία μετάπτωσηςομάδα του σκάνδιου → IIIB
  4. Στοιχεία μετάπτωσης, ομάδα του τιτανίου → IVB
  5. Στοιχεία μετάπτωσης, ομάδα του βαναδίου → VB
  6. Στοιχεία μετάπτωσης, ομάδα του χρωμίου → VIB
  7. Στοιχεία μετάπτωσης, ομάδα του μαγγανίου → VIIB
  8. Στοιχεία μετάπτωσης, ομάδα του σιδήρου → VIII ή VIIIB
  9. Στοιχεία μετάπτωσης, ομάδα του κοβαλτίου → VIII ή VIIIB
  10. Στοιχεία μετάπτωσης, ομάδα του νικελίου → VIII ή VIIIB
  11. Στοιχεία μετάπτωσης, νομισματικά μέταλλα ή ομάδα του χαλκού → IB
  12. Στοιχεία μετάπτωσης, ή πτητικά μέταλλα ή ομάδα του ψευδαργύρου → IIB
  13. Γαίες ή εικοσαγόνα ή ομάδα του βορίου → IIIA
  14. Κρυσταλλογόνα ή τετραγόνα ή ομάδα του άνθρακα → IVA
  15. Πνυκτογόνα ή ομάδα του αζώτου → VA
  16. Χαλκογόνα ή ομάδα του οξυγόνου → VIA
  17. Αλογόνα ή ομάδα του φθορίου → VIIA
  18. Ευγενή Αέρια ή ομάδα του ήλιου → 0 ή VIIIA

Περίοδοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μια περίοδος είναι μια οριζόντια σειρά στον περιοδικό πίνακα. Παρόλο που γενικά οι ομάδες έχουν πιο σημαντικές περιοδικές τάσεις, υπάρχουν περιοχές όπου οι οριζόντιες τάσεις είναι πιο σημαντικές από τις κάθετες ομαδικές τάσεις, όπως στον τομέα f, όπου οιλανθανίδες και οι ακτινίδες σχηματίζουν δυο σημαντικές οριζόντιες οριζόντιες σειρές χημικών στοιχείων.[15].
Τα χημικά στοιχεία μέσα στην ίδια περίοδο δείχνουν τάσεις στην ατομική ακτίνα, στην ενέργεια ιονισμού, στην ηλεκτρονιακή συγγένεια και στην ηλεκτραρνητικότητα. Μετακινούμενοι από αριστερά προς τα δεξιά, κατά μήκος μιας περιόδου, η ατομική ακτίνα συνήθως ελαττώνεται. Αυτό συμβαίνει γιατί σε κάθε επόμενο χημικό στοιχείο προστίθενται ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, γεγονός που προκαλεί, εφόσον το νέο ηλεκτρόνιο δεν προστίθεται σε νέα ηλεκτρονιακή στιβάδα, την αύξηση της έλξης προς όλα τα ηλεκτρόνια, που τα φέρνει εγγύτερα στους πυρήνες τους[16]. Αυτή η μείωση της ατομικής ακτίνας επίσης προκαλεί την αύξηση της ενέργειας ιονισμού, όταν μετακινούμαστε από τα αριστερά προς τα δεξιά, κατά μήκος μιας περιόδου. Τα μέταλλα (στην αριστερή πλευρά μιας περιόδου) γενικά έχουν μια χαμηλότερη ηλεκτρονιακή συγγένεια από τα αμέταλλα (στη δεξιά πλευρά μιας περιόδου), με την εξαίρεση των ευγενών αερίων[17].

Τομείς[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]


Ένα διάγραμμα του περιοδικού πίνακα, με έμφαση στους διαφορετικούς τομείς.
Οι διαφορετικές περιοχές του περιοδικού πίνακα μερικές φορές αναφέρονταο ως τομείς, σε αναγνώριση της ακολουθίας με την οποία συμπληρώνονται οι ηλεκτρονιακές υποστιβάδες. Κάθε τομέας ονομάστηκε με βάση της υποστιβάδας που τοποθετήθηκε νοητά το «τελευταίο» ηλεκτρόνιο του κάθε χημικού στοιχείου της[18][19]. Ο τομέας s αποτελείται από τις δυο πρώτες ομάδες του περιοδικού πίνακα, δηλαδή τααλκαλιμέταλλα και τις αλκαλικές γαίες, αλλά επιπλέον από το υδρογόνο και από το ήλιο. Ο τομέας p αποτελείται από τις τελευταίες 6 ομάδες του περιοδικού πίνακα, δηλαδή από τις ομάδες 13 - 18 και περιέχει, μεταξύ άλλων, όλα τα μεταλλοειδή. Ο τομέας d αποτείται από τις ομάδες 3 - 12 του περιοδικού πίνακα, και περιλαμβάνει όλα τα μεταβατικά μέταλλα. Ο τομέας f, συνήθως τοποθετείται κάτω από το κύριο τμήμα του περιοδικού πίνακα, και αποτελείται από τις λανθανίδες και τις ακτινίδες, που συχνά αποκαλούνται σπάνιες γαίες.[20].

Κατηγορίες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα χημικά στοιχεία μπορεί να ταξινομηθούν βολικά σύμφωνα με τις κοινές φυσικές και χημικές τους ιδιότητες σε σε τρεις μεγάλες κατηγορίες:
  1. Μέταλλα.
  2. Μεταλλοειδή.
  3. Αμέταλλα.
Τα μέταλλα γενικά τοποθετούνται στα αριστερά και στη βάση του περιοδικού πίνακα. Είναι συνήθως γυαλιστερά, στερεά υψηλής θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας, που σχηματίζουν κράματα μεταξύ τους και αλατόμορφες ιονικές ενώσεις με τα αμέταλλα. Τα αμέταλλα τοποθετούνται στα δεξιά και στην κορυφή του περιοφικού πίνακα. Είναι τα περισσότερα έγχρωμα ή άχρωμα μονωτικά αέρια που σχηματίζουν ομοιοπλικές ενώσεις μεταξύ τους. Μεταξύ των μετάλλων και των αμετάλλων βρίσκονται τα μεταλλοειδή, που έχουν ενδιάμεσες και ανάμεικτες ιδιότητες[21].
Τα μέταλλα και τα αμέταλλα μπορούν να ταξινομηθούν παραπέρα, σε παρόμοιες υποκατηγορίες που δείχνουν μια κλιμακωτή, από αριστερά προς τα δεξιά του περιοδικού πίνακα, μετάβαση από τις μεταλλικές στις αμεταλλικές ιδιότητες. Τα μέταλλα διαιρούνται στα πολύ δραστικά αλκαλιμέταλλα, στις λιγότερο δραστικές αλκαλικές γαίες, λανθανίδες και ακτινίδες, και διαμέσου των αρχέτυπων μεταβατικών μετάλλων, και καταλήγουν στα φυσικά και χημικά φτωχά μέταλλα. Τα αμέταλλα απλά υποδιαιρούνται στα πολυατομικά αμέταλλα, που είναι πιο κοντά στα μεταλλοειδή και δείχνουν κάποιο αρχικό μεταλλικό χαρακτήρα, στα διατομικά αμέταλλα, που είναι τα κατ' εξοχη αμέταλλα χημικά μέταλλα, και στα μονοατομικά ευγενή αέρια, που είναι σχεδόν τελείως αδρανή και μη μεταλλικά. Είναι επίσης γνωστές κάποιες εξειδικευμένες ταξινομήσεις, όπως τα πυρίμαχα μέταλλα και τα ευγενή μέταλλα, που είναι υποσύνολα των μεταβατικών μετάλλων[22] και μερικές φορές επισημαίνονται[23].
Τοποθετώντας τα χημικά στοιχεία σε κατηγορίες και υποκατηγορίες με βάση τις κοινές τους ιδιότητες είναι ατελές. Υπάρχει ένα φάσμα ιδιοτήτων μέσα σε κάθε κατηγορία και δεν είναι δύσκολο να βρει κανείς επικαλύψεις στα σύνορα, όπως ισχύει για τις περισσότερες περιπτώσεις σχημάτων ταξινόμησης[24]. Το βηρύλλιο, για παράδειγμα, ταξινομείται στις αλκαλικές γαίες, παρόλο που η αμφοτερική του χημεία και η τάση του να σχηματίζει περισσότερο ομοιοπολικές ενώσεις είναι και τα δυο ιδιότητες των χημικά αδύναμων ή φτωχών μετάλλων. Το ραδόνιο, ταξινομείται ως ένα αμέταλλο και ως ένα ευγενές αέριο, όμως έχει κάποια κατιονική χημεία, που είναι περισσότερο χαρακτηριστική για ένα μέταλλο. Άλλα σχήματα ταξινόμησης είναι πιθανά, όπως η διαίρεση των χημικών στοιχείων σε κατηγορίες ορυκτολογικής παρουσίας, ή ως προς τις κρυσταλλικές τους δομές. Η Ταξινόμηση των χημικών στοιχείων με αυτές τις μεθόδους χρονολογείται τουλάχιστον από το 1869, όταν ο Χάινρικτς (Hinrichs)[25] έγραψε ότι απλές οριακές γραμμές θα μπορούσαν να τραβηχθούν στον περιοδικό πίνακα για να δείχνουν χημικά στοιχεία που έχουν παρόμοιες ιδιότητες, όπως τα μέταλλα, τα αμέταλλα και τα αέρια χημικά στοιχεία.

Άλλες συμβάσεις και παραλλαγές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σε παρουσιάσεις του περιοδικού πίνακα, οι λανθανίδες και οι ακτινίδες συνήθως τοποθετούνται σε δυο πρόσθετες γραμμές κάτω από το κύριο σώμα του πίνακα[26], με σύμβολα κράτησης θέσης ή αλλιώς ένα επιλεγμένο μόνο στοιχείο της κάθε σειράς (το λανθάνιο ή τολουτέσιο, για τις λανθανίδες, και το ακτίνιο ή το λωρένσιο, για τις ακτινίδες) να δείχνονται σε μια απλή θέση στον κύριο πίνακα, ανάμεσα στο βάριο και στο άφνιο, για τις λανθανίδες, και ανάμεσα στο ράδιο και στο ραδερφόρντιο, για τις ακτινίδες. Αυτή η σύμβαση είναι τελείως θέμα αισθητικής και διαμορφωτικής πρακτικότητας. Σπάνια χρησιμοποιείται ευρείας διαμόρφωσης περιοδικός πίνακας στον οποίο οι λανθρανίδες και οι ακτινίδες να τοποθετούνται στις σωστές θέσεις τους, ως τμήματα του πίνακα στην 6η και στην 7η περίοδο, αντίστοιχα. Σε κάποιους περιοδικούς πίνακες τοποθετείται και μια διαχωριστική γραμμή, ή κάποιο ισοδύναμο σύμβολο, μεταξύ των μετάλλων και των αμετάλλων[27].
Περιοδικός πίνακας με τον τομέα f ξεχωριστά, κάτω από το κύριο σώμα του πίνακα.
Περιοδικός πίνακας με τον τομέα f μέσα στο κύριο σώμα του πίνακα.
Περιοδικοί πίνακες με τον τομέα f ξεχωριστά (αριστερά) και μέσα (δεξιά)