Jaksollinen järjestelmä

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä 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 mentäessä.

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 numeroja, jolloin ryhmät 1-8 ovat I A - VIII A ja ryhmät 11-18 I B - VIII B, 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 alkuainetta.

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
Uut
114
Fl
115
Uup
116
Lv
117
Uus
118
Uuo

* 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)

  • Punaisella numeroidut ovat kaasuja.
  • Violetilla numeroidut ovat nesteitä.
  • Mustalla numeroidut ovat kiinteitä.
  • Harmaalla numeroitujen ominaisuuksia ei tunneta.

Esiintyvyys

  • Ympäröivä katkoviiva merkitsee keinotekoista alkuainetta.
  • Viivattomia alkuaineita ei ole vielä löydetty.

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.
  • 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.[9][10]
  • Elektronegatiivisuudet pienenevät kuljettaessa ryhmässä alaspäin ja kasvavat jaksoissa vasemmalta oikealle.[11]
  • 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.[9][10]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Dmitri Mendelejev

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.[12]

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.[13][14]

Nykyisen kaltaisen jaksollisen järjestelmän julkaisi ensimmäisenä venäläinen Dmitri Mendelejev vuonna 1869. Saksalainen Lothar Meyer oli kehittänyt samoihin aikoihin oman alkuainetaulukon.[12]

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.[15] Myöhemmin siihen jouduttiin kuitenkin lisäämään kokonaan uusi ryhmä eli sarake, kun löydettiin jalokaasut.[12] 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.[16]

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.[17] 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.[18]

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[19], esimerkiksi monien sekä A- että B-ryhmien alkuaineiden korkein ja usein myös yleisin hapetusaste on sama kuin ryhmän näin määritelty järjestysnumero.

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                          
 
  Lantanoidit: 57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pr;
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
Mv
102
No
103
Lw
 
Lyhyen järjestelmän mukainen alkuainetaulukko

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Geoff Rayner-Canham & Tina Overton: Descriptive Inorganic Chemistry. 5th Edition. W. H. Freeman and Company, 2006. ISBN 978-1-4292-2434-5. (englanniksi)
  • Steven S. Zumdahl, Susan A. Zumdahl: Chemistry. 8. painos. Brooks Cole. ISBN 978-0-495-82992-8. (englanniksi)
  • John Hudson: Suurin tiede - kemian historiaa. Suom. Kimmo Pietiläinen. Art House, 2002. ISBN 951-884-346-5.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Alkuaineiden jaksollisen järjestelmän rakenne Opetushallitus. Viitattu 14.4.2011.
  2. Rayner-Canham & Overton, s.193
  3. Zumdahl & Zumdahl, 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 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. Viitattu 13.7.2011.
  8. Jaksollinen järjestelmä Opetushallitus. Viitattu 29.4.2011.
  9. a b Rayner-Canham & Overton, s. 30-31, 33-34
  10. a b Steven S. Zumdahl, Susan A. Zumdahl: Chemistry. 8. painos. Brooks Cole. ISBN 978-0-495-82992-8. (englanniksi)
  11. Jim Clarck: Electronegativity ChemGuide. Viitattu 13.7.2011. (englanniksi)
  12. a b c Hudson, s. 197-204
  13. Ryner-Canham & Overton, s.19
  14. Philip Ball: The elements: a very short introduction, s. 82. Oxford University Press, 2003. ISBN 978-0192840998. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  15. Katherine White: Mendeleyev and the Periodic Table, s. 44. The Rosen Publishing Group, 2005. ISBN 978-1404203105. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  16. Hudson, s. 207, 259-262
  17. Hudson, s. 202
  18. Hudson, s. 261-262
  19. Antti Kivinen, Osmo Mäkinen: Kemia, s. 281. Otava, 1988. ISBN 951-1-10136-6.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Jaksollinen järjestelmä.