III.4. Aranjarea elementelor chimice în sistemul periodic

🔦 Chimistul rus, Dimitri Mendeleev, a publicat în anul 1869 ceea ce avea să fie primul tabel periodic recunoscut la nivel mondial.

Astfel a fost realizat Tabelul periodic al elementelor, numit și Sistemul periodic al lui Mendeleev, care cuprinde într-o formă tabelară toate elementele chimice, aranjate în funcție de numărul lor atomic și unele proprietăți.

Mendeleev descoperă legea periodicității.

Legea periodicității:

Proprietățile fizice și chimice ale elementelor se repetă în mod periodic, în funcție de numărul atomic Z.

Cum proprietățile elementelor sunt determinate de configurația electronică de pe ultimul strat, acestea se repetă periodic după 8,8,18 și 32 de elemente.

Poziția unui element chimic în Sistemul periodic este dată de perioada și de grupa în care este situat.

Numărul perioadei în care se află un element este egal cu numărul stratului în curs de completare (ultimul strat) din structura electronică a atomului acelui element.

Cele 7 șiruri orizontale din tabel se numesc perioade. Perioadele, notate cu litere arabe de la 1 la 7, sunt șiruri (orizontale) care conțin 2,8,18, sau 32 de elemente și fiecare perioadă se termină cu un gaz rar.

Coloanele verticale din tabelul periodic conțin elemente care au aceeași configurație electronică pe ultimul strat și care au proprietăți asemănătoare se numesc grupe.

Grupele sunt în număr de 18 și se clasifică în:

1. Grupe principale notate cu cifre romane urmate de litera A (IA-VIII A) sau cele cu cifre arabe 1,2,13,14,15,16,17,18 și conțin mai mult de 5 elemente.
   Cifra unităților din numărul grupei principale indică numărul electronilor de pe stratul de valență.
   La elementele din grupele principale (1,2,13,14,15,16,17,18), electronul distinctiv este plasat în orbitalii s sau p din ultimului strat.

2. Grupele secundare notate cu cifre romane urmate de litera B în număr de 10 (IB-VIIIB, ultima fiind în nr. de 3 grupe) sau cu litere arabe (3-12).
   Numărul grupei secundare indică suma dintre numărul de electroni din substratul s al ultimului strat și numărul de electroni din substratul d al penultimului strat.
   La elementele din grupele secundare (3,4,5,6,7,8,9,10,11,12), electronul distinctiv este plasat în orbitalii d ai penultimului strat.

Perioada 1 este cea mai scurtă perioadă fiind formată din două elemente:

🔦 Perioada a 2-a conține opt elemente, de la Litiu (Z = 3) la Neon (Z = 10):

🔦 Perioada a 3-a conține opt elemente, de la Sodiu (Z = 11) la Argon (Z = 18):

Configurațiile 1s2 (dublet) pe primul strat și ns2 np6 (octet) pentru straturile n = 2,3,4,5,6 sunt configurații stabile de gaz nobil (rar).

🔦 Perioada a 4-a conține 18 elemente, de la Potasiu (Z = 19) la Kripton (Z = 36). Începând cu scandiu (Z = 21) apar orbitalii de tip d care se completează cu electroni după substratul 4s (mai întâi se completează orbitalii 4s cu energie mai mică și apoi 3d, cu energie mai mare).

Metalele tranziționale sunt elemente ai căror electroni periferici completează succesiv substratul d.

Configurațiile electronice în care toți orbitalii substratului d sunt semiocupați (5 electroni) sau complet ocupați (10 electroni) prezintă o stabilitate deosebită.

Perioada a 5-a conține 18 elemente, de la Rubidiu (Z = 37) la Xenon (Z = 54), având în curs de completare substraturile 5s, 4d și 5p.

Perioada a 6-a conține 32 elemente, având în componență și lantanidele (o serie de 14 elemente chimice după lantan la care se completează substratul 4f).

Perioada a 7-a conține 23 elemente, având în componență și actinidele (o serie de 14 elemente chimice după actiniu la care se completează substratul 5f).

După tipul orbitalului în care se plasează electronul distinctiv, elementele chimice se clasifică în:

• Blocul de elemente s la care electronul distinctiv este plasat în orbitalul s al ultimului strat. Aceste elemente se află în grupa 1 (ns¹) și în grupa 2 (ns²).

• Blocul de elemente p la care electronul distinctiv este plasat în orbitalul p al ultimului strat. Aceste elemente se află în grupele 13(ns²np¹), 14(ns²np²), 15(ns²np³), 16(ns²np⁴), 17(ns²np⁵), 18(ns²np⁶).

• Blocul de elemente d la care electronul distinctiv este plasat în orbitalul d al ultimului strat. Aceste elemente se află în grupele 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12, numite metale tranziționale și au configurația electronică a substraturilor (n-1)d și ns.

Deoarece orbitalii d complet ocupați sau semiocupați sunt mai stabili, pentru unele elemente din grupele secundare are loc un salt electronic între nivele de energie apropiată (prin urmare fac excepție de la această regulă).

De exemplu:
Cromul (Cr) cu Z = 24 are configurația 1s² 2s² 2p⁶3s² 3p⁶4s¹3d⁵ în loc de 1s² 2s² 2p⁶3s² 3p⁶4s²3d⁴
Cuprul (Cu) cu Z = 29 are configurația 1s² 2s² 2p⁶3s² 3p⁶4s¹3d¹⁰ în loc de 1s² 2s² 2p⁶3s² 3p⁶4s²3d⁹

Elementele din blocul d se numesc metale tranziționale pentru că fac legătura între elementele din grupele principale.

• Blocul de elemente f cuprinde două serii de câte 14 elemente, numite lantanide și actinide, având electronul distinctiv în substratul f din antepenultimul strat (n- 2)f. Lantanidelefac parte din perioada 6 (au în curs de completare substratul 4f) și actinidele parte din perioada 7 (au în curs de completare substratul 5f).

🔦 Observație

Hidrogenul, lantanidele și actinidele nu fac parte din nicio grupă.

Tabla de șah cu energia orbitalilor

• Punem orbitalii s pe diagonala acestui pătrat, în ordinea crescătoare a energiei lor. Fiecare strat conține un singur orbital s, care se ocupă cu maxim 2 electroni.

• Punem orbitalii p pe “diagonala” pătrățelelor albe, paralelă cu diagonala orbitalilor s. Orbitalii p apar de la stratul 2 și conțin maxim 6 electroni. Sunt 3 orbitali p, fiecare ocupat maxim cu 2 electroni. Ocupăm fiecare orbital cu câte 1 electron și apoi îi mai punem cel de-al doilea electron de spin opus.

• Punem orbitalii d pe “diagonala” pătrățelelor albe, paralelă cu “diagonala” orbitalilor p. Orbitalii d apar de la stratul 3 și conțin maxim 10 electroni. Sunt 5 orbitali d, fiecare ocupat maxim cu 2 electroni. Ocupăm fiecare orbital cu câte 1 electron și apoi îi mai punem cel de-al doilea electron de spin opus.

• Punem orbitalii f pe “diagonala” pătrățelelor albe, paralelă cu “diagonala” orbitalilor d. Orbitalii f apar de la stratul 4 și conțin maxim 14 electroni. Sunt 7 orbitali f, fiecare ocupat maxim cu 2 electroni. Ocupăm fiecare orbital cu câte 1 electron și apoi îi mai punem cel de-al doilea electron de spin opus.

Exemple:

Elementele chimice situate în aceeași grupă au proprietăți fizice și chimice asemănătoare, deoarece configurația ultimului strat este identică.