Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä

Venäläinen kemisti Dmitri Mendeleev kehitti alkuaineiden jaksollisen järjestelmän.

2000 vuotta sitten tunnettiin alkuaineista vasta noin kymmenen: rauta, kupari, hiili, sinkki, kulta, hopea, lyijy, tina ja rikki. Suurin osa alkuaineista löydettiin 1800-luvun alkupuolella. 1900-luvulla jaksollinen järjestelmä täydentyi noin 30 alkuaineella ja näistä lähes kaikki ovat laboratoriossa valmistettuja, eli niitä ei esiinny luonnossa.

Moni alkuaineista ovat keskenään melko samanlaisia. Alkuaineita alettiinkin 1800-luvulla järjestää ominaisuuksien mukaisesti järjestykseen. Tätä varten on syntynyt alkuaineiden jaksollinen järjestelmä. Nykyinen jaksollinen järjestelmä on Dmitri Mendelevin luoma vuodelta 1869, jolloin oli vielä paljon alkuaineita löytämättä. Vielä tuolloin löytymättömillä alkuaineille Mendelev osasi jättää tyhjän tilan jaksolliseen järjestelmään.

Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineet on laitettu järjestykseen protonien määrän mukana. Järjestysluvulla tarkoitetaankin protonien määrää alkuaineen atomeissa. Esimerkiksi vetyatomissa on yksi protoni, joten vedyn järjestysluku on yksi. Heliumissa on kaksi protonia, joten sen järjestysluku on kaksi, ja niin edelleen. Alkuaineita tunnetaan noin 118, joten suurimman tunnetun atomin ytimessä on 118 protonia. Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineen järjestysluku on kirjoitettu tunnuksen yläpuolelle.

Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä.

Samassa jaksossa olevilla alkuaineilla on aina yhtä monta elektronikuorta. Ensimmäisen jakson alkuaineilla (vety ja helium) on vain yksi elektronikuori. Ensimmäiselle elektronikuorelle mahtuu kaksi elektronia, jonka jälkeen kuori on täynnä. Litiumilla on 3 protonia (järjestysluku 3) ja siten myös 3 elektronia. Litium kuuluu toiseen jaksoon, joten sillä on kaksi elektronikuorta. Sen 2 elektronia sijaitsevat ensimmäisellä elektronikuorella ja 1 elektroni toisella kuorella.

Saman pääryhmän alkuaineilla on yhtä monta ulkoelektronia. Ulkoelektronit määräävät, miten alkuaine käyttäytyy kemiallisissa reaktioissa. Esimerkiksi ensimmäiseen ryhmään kuuluvat litium, natrium, kalium, rubidium, cesium ja frankium ovat metalleja ja reagoivat erittäin kiivaasti veden kanssa. Toisaalta kaikki viimeisen, eli kahdeksannen pääryhmän alkuaineet ovat huoneenlämmössä kaasuja, eivätkä reagoi helposti muiden aineiden kanssa. Kaikilla saman ryhmän alkuaineilla on siis keskenään samankaltaiset ominaisuudet.

Jaksollisen järjestelmän ryhmiä kutsutaan joko ryhmiksi (Ryhmät 1-18), tai pääryhmiksi (Pääryhmät 1-8 eli ryhmät 1, 2, 13-18) ja sivuryhmiksi (ryhmät 3-12). Pääryhmille on annettu lisäksi omat triviaalinimet: alkalimetallit, maa-alkalimetallit, booriryhmä, hiiliryhmä, typpiryhmä, happiryhmä, halogeenit ja jalokaasut.

Alkalimetallit reagoivat kiivaasti veden kanssa. Myös maa-alkalimetallit reagoivat veden kanssa, mutta eivät yhtä kiivaasti kuin alkalimetallit. Halogeenit esiintyvät luonnossa kaksiatomisina kaasuina (eli esim. kaksi klooriatomia on aina liittyneenä yhteen) ja toisaalta muodostavat ionisidoksellisia yhdisteitä alkali- ja maa-alkalimetallien kanssa. Jalokaasut eivät ole reaktiivisia, koska niiden uloin elektronikuori on täynnä.

Alkuaineet jaetaan käyttäytymisensä perusteella metalleihin ja epämetalleihin. Metallien ja epämetallien välissä sijaitsevat puolimetallit. Metallit sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä oikealla ja alhaalla. Epämetallit sijaitsevat jaksollisen järjestelmän oikeassa yläreunassa. Lisäksi vety on epämetalli. Puolimetallit sijaitsevat metallien ja epämetallien välissä. Puolimetalleista tärkein on pii (järjestysluku 14). Muita puolimetalleja ovat boori, germanium, arseeni, seleeni, astatiini, telluuri ja polonium.

Huoneenlämpötilassa kaikki metallit ovat kiinteitä, lukuunottamatta elohopeaa (järjestysluku 80), joka on neste. Elohopean lisäksi huoneenlämpötilassa nestemäisenä on boori. Vety, typpi, happi, fluori, kloori ja jalokaasut ovat huoneenlämpötilassa kaasuja. Yllä olevassa jaksollisessa järjestelmässä kiinteät alkuaineet on merkitty mustalla järjestysluvulla, nestemäiset on merkitty sinisellä ja kaasut punaisella järjestysluvulla.