Sistemul periodic al elementelor

Elevii descoperă organizarea elementelor chimice în tabelul periodic, perioadele și grupele, precum și variația proprietăților periodice.

Cum s-a născut tabelul periodic

În secolul al XIX-lea, chimiștii cunoșteau deja zeci de elemente, dar le priveau ca pe o listă dezordonată. Problema era simplă de formulat: există vreo regulă după care se repetă proprietățile elementelor?

Răspunsul l-a dat chimistul rus Dmitri Ivanovici Mendeleev, în 1869. El a așezat elementele în ordinea crescătoare a masei atomice și a observat că, din loc în loc, proprietățile se repetă periodic — de aici și numele tabelului. Când o proprietate nu se potrivea, Mendeleev a avut curajul să lase locuri libere, spunând că acolo există elemente încă nedescoperite. A avut dreptate: galiul, scandiul și germaniul au fost descoperite mai târziu, exact cu proprietățile prezise de el.

Un detaliu important și des greșit la teste: Mendeleev a folosit masa atomică, dar tabelul periodic modern ordonează elementele după numărul atomic Z, adică după numărul de protoni. Schimbarea a fost făcută după descoperirea structurii atomului și rezolvă câteva neconcordanțe pe care Mendeleev le simțise, dar nu le putea explica.

Legea periodicității în forma actuală sună așa: proprietățile elementelor și ale compușilor lor sunt funcții periodice ale numărului atomic Z.

Tabelul periodic modern conține 7 perioade (rândurile orizontale) și 18 grupe (coloanele verticale). Este cel mai folosit instrument din chimie, pentru că din simpla poziție a unui element poți deduce structura atomului lui și felul în care reacționează.

Perioade și grupe: ce înseamnă poziția unui element

Poziția în tabel nu este întâmplătoare — ea spune direct cum este construit învelișul electronic.

Perioada este rândul orizontal. Numărul perioadei este egal cu numărul de straturi electronice ale atomului.

• perioada 1: 2 elemente (hidrogen și heliu) — atomii au un singur strat
• perioada 2: 8 elemente (de la litiu la neon) — atomii au două straturi
• perioada 3: 8 elemente (de la sodiu la argon) — atomii au trei straturi

Grupa este coloana verticală. La grupele principale, numărul grupei ne dă numărul de electroni de pe ultimul strat, adică numărul de electroni de valență. Elementele din aceeași grupă au proprietăți chimice asemănătoare tocmai pentru că au același număr de electroni de valență.

Grupele principale care trebuie știute pe nume:

• grupa 1 – metalele alcaline (Li, Na, K...): 1 electron de valență, foarte reactive
• grupa 2 – metalele alcalino-pământoase (Be, Mg, Ca...): 2 electroni de valență
• grupa 17 – halogenii (F, Cl, Br, I): 7 electroni de valență, cele mai reactive nemetale
• grupa 18 – gazele rare (nobile) (He, Ne, Ar...): ultimul strat complet, practic nereactive

De aici vine metoda de lucru pe care o vei folosi la fiecare exercițiu: din Z scrii configurația electronică, apoi numeri straturile (îți dă perioada) și electronii de pe ultimul strat (îți dă grupa). Invers funcționează la fel de bine: dacă știi că un element e în perioada 3, grupa 2, atunci are 3 straturi și 2 electroni pe ultimul, deci configurația 2, 8, 2 și Z = 12, adică magneziu.

Metale, nemetale și semimetale

Elementele se împart în trei mari categorii, iar granița dintre ele este o linie în trepte care traversează tabelul spre dreapta.

Metalele ocupă cea mai mare parte a tabelului, în stânga și în centru. Proprietățile lor tipice:

• sunt solide la temperatura camerei (excepția clasică: mercurul, care este lichid)
• au luciu metalic, sunt bune conducătoare de căldură și electricitate
• sunt maleabile (se pot trage în foi) și ductile (se pot trage în fire)
• au puțini electroni de valență (1, 2 sau 3) și cedează electroni, formând ioni pozitivi

Nemetalele se află în dreapta sus. Proprietățile lor:

• pot fi gaze (oxigen, azot, clor), solide (sulf, carbon, fosfor) sau, într-un singur caz, lichid (bromul)
• nu au luciu metalic, sunt izolatoare (excepția notabilă: grafitul, care conduce curentul)
• sunt casante în stare solidă
• au mulți electroni de valență (5, 6 sau 7) și acceptă electroni, formând ioni negativi

Semimetalele (metaloizii) — bor, siliciu, germaniu, arsen — stau chiar pe linia de graniță și au proprietăți intermediare. Cel mai important este siliciul, semiconductor, materia primă a cipurilor electronice.

Două capcane frecvente: hidrogenul este așezat în grupa 1, dar nu este metal alcalin — este un nemetal gazos, cu comportare aparte. Iar mercurul rămâne metal, chiar dacă este lichid: starea de agregare nu decide dacă un element e metal sau nu, ci proprietățile lui de ansamblu.

Cum variază proprietățile în perioadă și în grupă

Periodicitatea înseamnă că proprietățile se schimbă după reguli previzibile atunci când te miști prin tabel. În clasa a VII-a se cer trei tendințe.

Raza atomică (mărimea atomului):

• în perioadă, de la stânga la dreapta, scade. Pare ciudat, pentru că adaugi electroni. Explicația: numărul de straturi rămâne același, dar crește numărul de protoni din nucleu, care atrage mai puternic electronii și strânge atomul.
• în grupă, de sus în jos, crește, pentru că se adaugă câte un strat electronic nou.

Caracterul metalic (tendința de a ceda electroni):

• în perioadă, de la stânga la dreapta, scade — treci de la metale la nemetale
• în grupă, de sus în jos, crește — atomii sunt mai mari, ultimul electron este mai departe de nucleu și se cedează mai ușor

De aceea cel mai reactiv metal dintre elementele obișnuite se află jos-stânga în tabel (cesiul, iar la nivelul clasei a VII-a: potasiul este mai reactiv decât sodiul, iar sodiul decât litiul).

Caracterul nemetalic (tendința de a accepta electroni) variază exact invers față de cel metalic: crește în perioadă spre dreapta și scade în grupă de sus în jos. Fluorul, aflat sus-dreapta (fără gazele rare), este cel mai reactiv nemetal.

O verificare simplă la fiecare exercițiu de comparație: dacă elementele sunt în aceeași grupă, gândește-te la numărul de straturi; dacă sunt în aceeași perioadă, gândește-te la numărul de protoni. Cea mai frecventă greșeală este să spui că raza crește spre dreapta în perioadă, „pentru că sunt mai mulți electroni” — nu, atracția nucleului este mai puternică decât efectul electronilor adăugați pe același strat.

Exerciții-tip: din poziție în structură și invers

Aproape toate subiectele de la acest capitol se reduc la două drumuri, pe care merită să le exersezi până devin automate.

Drumul 1: de la Z la poziție. Se dă Z = 16.

• scrii configurația: 2, 8, 6
• numeri straturile: 3 straturi → perioada 3
• numeri electronii de pe ultimul strat: 6 → grupa 16
• 6 electroni de valență înseamnă nemetal, care acceptă 2 electroni și formează ionul S2−

Drumul 2: de la poziție la Z. Se dă un element din perioada 4, grupa 1.

• 4 straturi, cu 1 electron pe ultimul
• configurația: 2, 8, 8, 1
• Z = 2 + 8 + 8 + 1 = 19, deci potasiul, un metal alcalin

De reținut pentru compararea reactivității: două elemente din aceeași grupă se compară după poziția pe verticală (la metale câștigă cel de jos, la nemetale cel de sus). Două elemente din aceeași perioadă se compară după numărul de electroni de valență.

Un tip de item care apare des: „Un element are 3 straturi electronice și 7 electroni de valență. Identificați-l.” Rezolvarea: configurația este 2, 8, 7, deci Z = 17 — clorul, halogen din perioada 3, grupa 17.

Ultima capcană de evitat: numărul grupei dă electronii de valență doar pentru grupele principale (1, 2 și 13–18). Pentru metalele tranziționale din mijlocul tabelului regula nu se aplică simplu, dar acestea nu intră în cerințele clasei a VII-a.

Test — 6 întrebări ca la examen