Perioodilisussüsteem (0)

Perioodilisussüsteem
Essee
Aastal 1869 avastas vene keemik Dmitri Ivanovitš Mendelejev perioodilisusseaduse ja koostas selle põhjal keemiliste elementide perioodilisussüsteemi. Perioodilisussüsteem on perioodilisusseadusel põhinev keemiliste elementide liigitus. Perioodilisussüsteemi on väljendatud enam kui 700 kujul, nii tasapinnaliselt kui ka ruumiliselt. Enim kasutatakse kahte väljendusviisi: nn. lühikest ja poolpikka tabelit. NSV Liidus ja Ida-Euroopa maades kasutatakse lühikest tabelit, mida oli soovitanud D. Mendelejev, Lääne-Euroopas ja USA-s on kasutusel põhiliselt poolpikk tabel. Kuni perioodilisuse seaduse avastamiseni D. I. Mendelejevi poolt oli tehtud mitmeid katseid omavahel sarnaste keemiliste elementide jaotamiseks gruppideks . Kuid kõik Mendelejevi eelkäijad piirdusid elementide mugava liigitamise kitsa eesmärgiga ja ükski neist autoritest ei näinud üksikute seaduspärasuste taga üldist keemia põhiseadust, nagu seda nägi Mendelejev. D. I. Mendelejev jõudis avastuseni originaalsel teel, kogudes ja kriitiliselt läbi töötades tohutu hulga faktilist materjali. Perioodilisuse seadus mitte ainult ei teinud kindlaks elementide omaduste perioodilisuse, vaid andis ka võtme aatomi ehitusest arusaamiseks ja määras kauaks ajaks arvukate uurimuste suuna füüsikas ja keemias. Perioodilisusseaduse avastamise ajal ei tuntud aatomi ehitust. Ainukeseks elemendile iseloomulikuks katseliselt määratud suuruseks oli aatommass . Seepärast sõnastas D. Mendelejev seaduse kui keemiliste omaduste perioodilise sõltuvuse elemendi aatommassist. Perioodilisusseaduse tõeliseks aluseks on elemendi aatomi tuumalaeng , mis ühtib aatomnumbriga.
Aatomiehituse ja perioodilisussüsteemi vahel on seosed. Keemilised elemendid on perioodilisustabelis reastatud aatominumbri järjekorras. Kuna keemiliste elementide aatominumber ühtib aatomi tuumalaenguga, võib väita, et elemendid on tabelis reastatud tuumalaengu kasvu järjekorras. Iga järgmise keemilise elemendi aatomituumas on üks positiivse elektrilaenguga tuumaosake ehk prooton rohkem ning aatomi elektronkattes üks negatiivse elektrilaenguga elementaarosake ehk elektron rohkem. Aatominumbrite tõusvas järjestuses reastatud keemilistel elementidel hakkavad omadused perioodiliselt korduma. Samuti on keemilised elemendid perioodilisustabelis jaotatud sarnaste omaduste järgi. Perioodilisustabel on jagatud seitsmeks perioodiks ja kaheksateistkümneks rühmaks. Periood on horisontaalne rida. Need on moodustatud elementide aatomite elektronkatte ehituse järgi. Ühe perioodi piires on kõikidel elementidel aatomi põhiseisundis elektronkihtide arv ühesugune ja võrdne perioodi järjenumbriga. Keemiliste elementide arvu järgi perioodis nimetatakse esimest kolme perioodi lühikesteks ehk väikesteks perioodideks, 4-7 perioodi pikkadeks ehk suurteks perioodideks. Kõik perioodid, väljaarvatud esimene, algavad metallidega, edasi tulevad mittemetallid ja iga perioodi viimane element on väärisgaas. Iga perioodi piirides muutuvad järk-järgult elementide keemilised omadused koos aatommassi suurenemisega (vasakult paremale): metalliline iseloom kahaneb, mittemetallilised omadused aga tugevnevad. Rühm on sarnaste omadustega keemiliste elementidega vertikaalne rida. Tabelis üksteise alla sattunud elemendid moodustavad elementide rühma. Et elementide keemilised omadused sõltuvad ennekõike välisest elektronkihist, kuuluvad ühte rühma sarnaste keemiliste omadustega elemendid. Rühmad on jaotunud A ja B rühmadeks. A rühmadesse kuuluvate elementide aatomite väliskihi elektronide arv on võrdne rühma numbriga. Mõnede rühmade puhul kasutatakse rühma üldnimetusi, näiteks leelismetallide rühm (IA), halogeenide rühm (VIIA), väärisgaaside rühm (VIIIA).
Keemiliste elementide perioodilisustabel koosneb metallidest ja mittemetallidest. Mittemetallide hulka kuuluvad ka väärisgaasid. Tabeli enamuse moodustavad metallid, vähem on mittemetalle.
Metallid (nt. Na, K, Ca) paiknevad tabelis vasakul, paremal on mittemetallid (nt. P, S, C).Paremal, kõige ääres on väärisgaasid (nt. He, Ne, Ar). Metallid on enamasti iseloomuliku läikega tahked ained, mille värvus varieerub tavaliselt terashallist hõbevalgeni. Metallide siledad poleeritud pinnad peegeldavad hästi valgust. Metallid on enamasti plastilised ja hästi töödeldavad. Metallid on ka head soojus -ja elektrijuhid. Metallide sulamistemperatuurid on väga erinevad. Enamik metalle on veest raskemad. Metalli tihedus on seda väiksem, mida väiksem on selle aatommass ja suurem aatomiraadius. Metallid erinevad üksteisest ka kõvaduse poolest. Leelismetallid on pehmed . Ka puhtad metallid on enamasti pehmemad, lisandid suurendavad metalli kõvadust. Võrreldes metallidega on mittemetallide omavahelised erinevused märgatavalt suuremad. Nende seas on nii gaasilisi kui ka tahkeid aineid, ainult üks nendest - broom - on tavatingimustes vedelik. Mõned tahked mittemetallid on suhteliselt madala sulamistemperatuuriga , üsna pehmed ja kergesti peenestatavad, mõned on väga kõrge sulamistemperatuuriga ja kõvad, kuigi seejuures haprad . Mittemetallidel võivad olla väga erinevad värvused. Paljud gaasilised mittemetallid on värvusetud. Enamiku mittemetallide ühiseks omaduseks on see, et nad praktiliselt ei juhi elektrit. Mittemetallid loovutavad väliskihi elektrone palju raskemini kui metallid. Metallidega reageerimisel käituvad mittemetallid oksüdeerijatena, liites endaga metalli aatomite poolt loovutatud elektrone. Sel viisil saavutavad nad püsiva oleku – elektronidega täidetud välise elektronkihi. Samas võivad nad loovutada elektrone reageerimisel mõne endast aktiivsema mittemetalliga, s.t. käituda redutseerijana. Seega erinevalt metallidest võib mittemetall elektrone nii liita kui ka loovutada, olles kas oksüdeerija või redutseerija , olenevalt reaktsioonipartnerist.
Aatom on keemilise elemendi väikseim iseseisev osake ja molekuli koostisosa . Aatom koosneb tuumast ja elektronkattest. Tuuma mass moodustab valdava osa aatomi massist. Tuumas on prootonid ja neutronid . Esimesed neist on positiivse laenguga ja teised on laenguta ehk neutraalsed. Prootoneid ja neutroneid kokku nimetatakse nukleonideks. Seega on aatomituum positiivse elektrilaenguga. Elektronkate koosneb elektronkihtidest, kus asuvad elektronid. Iga kiht saab mahutada maksimaalselt ainult teatud arvu elektrone. Tuumast kõige kaugemal asuvat kihti nimetatakse väliselektronkihiks, kus saab olla maksimaalselt kaheksa elektroni. Elektronid on negatiivse laenguga. Aatom ongi neutraalne , sellepärast, et prootoneid ja elektrone on ühepalju. Positiivse tuuma ja negatiivsete elektronide vahel esineb külgetõmbe jõud, mis hoiab elektrone aatomis kinni. Elektronid tiirlevad tuuma ümber erinevatel kaugustel. Järelikult on elektronkate kihilise ehitusega. Iooniks nimetatakse laengut omavat aineosakest. Keemilise reaktsiooni käigus võivad aatomid ehk neutraalsed osakesed loovutada oma väliskihilt elektrone teistele aatomitele või elektrone teistelt aatomitelt endale võtta. Sellega püüavad aatomid saavutada väärisgaasidega analoogset püsivat elektronkatet, kus väliskihil oleks kaheksa elektroni. Kaheksa elektroniga väliskiht on elektronokett. Kui aatom loovutab või liidab elektrone, omandab ta laengu ja muutub iooniks. Aatom, mille väliskihil on 1-3 elektroni, loovutab neid, aatom, mille väliskihil on 4-7 elektroni, liidab elektrone. Liites elektrone muutub aatom negatiivse laenguga osakeseks ehk aniooniks. Elektronide eemaldamisel aatomist tekib positiivne osake ehk katioon . Oksüdatsiooniaste (o.-a.) on suurus, mis võrdub elemendi aatomite formaalse laenguga ühendis, kus kõik keemilised sidemed on ioonilised . O.-a. väärtuste abil koostatakse ühendite valemeid ja redoksreaktsioonide võrrandeid. Metallide oksüdatsiooniastme määrab enamasti rühma number. Mittemetallide aatomid võivad loovutada väliskihist osa või ka kõik elektronid. Nende elementide positiivne oksüdatsiooniaste on järelikult muutuv, kuid kõrgeim o.-a. ühtib ikkagi rühma numbriga. Liitaines on elementide o.-a. kogusumma null. Saab leida selles ühe koostiselemendi oksüdatsiooniastme väärtuse teiste elementide abil.
Isotoobid on keemilise elemendi teisendid , mille aatomituumades on ühesugune arv prootoneid, kuid erisugune arv neutroneid. Seega on elemendi isotoopidel samasugune aatomnumber (tuumalaeng), kuid erinev massiarv .
Järgmiseks kirjeldan üht keemilist elementi perioodilisustabelist. Valin selleks alumiiniumi. Alumiiniumi tähiseks on Al (ladina k. Aluminium). Alumiinium asub kolmandas perioodis ja IIIA rühmas. Sellest saab järeldada, et alumiiniumi aatomis on kolm elektronkihti ning väliskihil kolm elektroni. Loovutades väliskihilt kolm elektroni, tekib positiivne ioon ehk katioon. Oksüdatsiooniastmeks on III, kuna alumiinium asub IIIA rühmas. Alumiiniumi aatomi mass on 26,98. Aatominumber ehk tuumalaeng on 13. Seega on aatomis 13 elektroni ja tuumas 13 prootonit. Neutronite arvu saab teada, kui aatomimassist lahutada prootonite arv. Seega alumiiniumi aatomi tuumas on 14 neutronit. Alumiinium on kõige levinum metalliline element. Kõikidest elementidest kokku kolmandal kohal. Alumiinium on hõbevalge ja läikiv, plastiline ja pehme. See metall ei ole magnetiline, kuid hea soojus- ja elektrijuht. Sulamistemperatuur on suhteliselt madal. Alumiiniumil on hea peegeldusvõime, seetõttu kasutatakse seda peeglite valmistamisel. Kuna alumiinium on kerge ja tugev, kasutatakse seda ka lennuki-, raketi-, auto-, laeva- ja ka aparaadiehituses. Alumiiniumi saab valtsida õhukesteks lehtedeks. Kuna alumiinium asub keemiliste elementide pingerea algul on ta suhteliselt aktiivne. Toatemperatuuril püsib õhu käes muutumatuna, sest teda katab ja kaitseb oksiidikiht. Kõrgemal temperatuuril reageerib hapnikuga. Alumiiniumhüdroksiid tekib alumiiniumsoolade reageerimisel leelistega ja on rasklahustuv. Alumiiniumoksiid saadakse hüdroksiidi kuumutamisel. Tähtsaim alumiiniumisulam on duralumiinium, mis sisaldab magneesiumi, mangaani ja vaske. Viimased kaks metalli lisavad sulamile kõvadust. Kokku valmistatake üle saja erineva alumiiniumsulami.
Perioodilisuse seaduse avastamine tegi kindlaks elementide omaduste perioodilisuse ja aitas aru saada aatomi ehitusest, määrates kauaks arvukate uurimuste suuna füüsikas ja keemias. Aatomiehituse ja perioodilisussüsteemi vahel on seosed. Perioodilisusseaduse aluseks ongi elemendi tuumalaeng, mis ühtib aatomnumbriga.
Kasutatud kirjandus
M. Strugatski, B. Nadeinski “Üldine Keemia”
P. Koržev “Keemia Teatmik ”
V. Past, J. Tamm, L. Tamm “Üldine ja anorgaaniline keemia X klassile”
6