Periodni sustav elemenata: razlika između inačica
Izbrisani sadržaj Dodani sadržaj
m uklonjena promjena suradnika 161.53.180.11 (razgovor), vraćeno na posljednju inačicu suradnika BlackArrow Oznaka: brzo uklanjanje |
Nadopunio Periodni sustav elemenata |
||
Redak 23:
{{PeriodniSustav}}
[[
[[Datoteka:Atome bohr couches electroniques KLM.svg|mini|desno|250px|[[Bohrov model atoma]] koji prikazuje najveći [[Elektronska konfiguracija|broj elektrona po ljuskama]].]]
=== Elektronska konfiguracija ===
{{glavni|Elektronska konfiguracija}}
Kako struktura periodnoga sustava ovisi o elektronskoj konfiguraciji atoma elemenata, periode sadrže različit broj elemenata. Prva [[elektronska ljuska]] može primiti samo dva [[elektron]]a, pa 1. perioda ima samo dva elementa, [[vodik]] i [[helij]], koji svojim elektronima popunjavaju 1. ljusku, to jest 1s podljusku. Druga perioda može primiti 8 elektrona, pa ima 8 elemenata koji popunjavaju 2. ljusku, to jest 2s i 2p podljuske. Treća perioda također može primiti 8 elektrona, pa ima također 8 elemenata koji popunjavaju 3. ljusku, to jest 3s i 3p podljuske. Četvrta perioda ima 18 elemenata, koji popunjavaju 4. ljusku i nedovršenu 3. ljusku, to jest redom 4s, 3d i 4p podljuske. Peta je perioda također s 18 elemenata, koji popunjavaju 5. ljusku i nedovršenu 4. ljusku, to jest redom 5s, 4d i 5p podljuske. Šesta perioda ima 32 elementa koji popunjavaju 6. ljusku i nedovršene 4. i 5. ljusku, to jest redom 6s, 4f, 5d i 6p podljuske. Sedma je perioda nedovršena i ima 26 elemenata, jer preostalih 6 (do 32) nisu otkriveni. Tih 26 elemenata popunjavaju 7. ljusku i nedovršene 5. i 6. ljusku, to jest redom 7s, 6d i 5f podljuske.
=== Izgradnja periodnog sustava elemenata ===
Za izgradnju kemijskih elemenata osnovno značenje pripada [[Paulijevo načelo|Paulijevu načelu]], po kojemu pojedino [[stacionarno stanje]] u [[atom]]u može biti zaposjednuto samo od jednog [[elektron]]a. Prije nego što povučemo opće zaključke iz Paulijeva načela, predočit ćemo kako se postepeno izgrađuju kemijski elementi počevši od vodika. Od elemenata do elemenata pridolazi jedan elektron i morat ćemo uvijek razmisliti kuda da stavimo novi elektron.
Na početku periodnog sustava stoji [[vodik]]. U stabilnom stanju kreće se [[Elektronska konfiguracija|elektron u K ljuski]] i ima [[Kvantni brojevi|kvantne brojeve]] ''n'' = 1, ''l'' = ''m'' = 0 i ''s'' = 1/2.
Kuda da stavimo drugi [[helij]]ev elektron? Naravno, u prazno [[energijsko stanje|energijsko najniže stanje]]. K ljuska sadrži još jedno stacionarno stanje, gdje [[spin]] ima antiparalelan položaj. Drugi elektron helija poprima, prema tome kvantne brojeve ''n'' = 1, ''l'' = ''m'' = 0 i ''s'' = - 1/2. Kako se vidi, oba helijeva elektrona kreću se u istoj stazi oko [[atomska jezgra|atomske jezgre]], ali im vlastiti momenti impulsa stoje suprotno. Spini obaju elektrona poništavaju se među sobom, pa helijev atom ne smije imati ni impuls vrtnje ni [[magnetski moment]]. [[Pokus]]ima je to potvrđeno.
Helijeva dva elektrona potpuno ispunjuju K ljusku. [[Litij]]ev treći elektron prelazi u L ljusku. On ima kvantne brojeve ''n'' = 2, ''l'' = ''m'' = 0 i ''s'' = 1/2. Vanjski elektron litija kreće se daleko izvan K ljuske, pa tako litijev atom ima znatno veći promjer. Litij ima magnetski moment, koji potječe od spina vanjskog elektrona.
Kod idućeg elementa, [[berilij]]a, dolazi još jedan elektron u L ljusku. Taj elektron razlikuje se od prvog s antiparalelnim položajem [[spin]]a. Njegovi su kvantni brojevi ''n'' = 2, ''l'' = ''m'' = 0 i ''s'' = - 1/2. Vidi se da vanjska ljuska berilija nalikuje na helijevu [[Elektronska konfiguracija|elektronsku konfiguraciju]]. Time se objašnjava da berilij ima sličan s helijem, a nema kao ni helij magnetskog momenta.
L ljuska sadrži još kvantna stanja, gdje je impuls vrtnje ''l'' = 1. Kod petog elementa po redu, [[Bor (element)|bora]], treći elektron u vanjskoj ljuski poprima taj impuls vrtnje. Tri vanjska elektrona određuju valentnost bora, a treći vanjski elektron impuls vrtnje i magnetski moment.
Kod impulsa vrtnje ''l'' = 1 može magnetski kvantni broj ''m'' poprimiti vrijednost - 1, 0 i + 1. Pored toga može se spin postaviti paralelno i antiparalelno. Kako vidimo, imamo 6 različitih kvantnih stanja. Kvantni brojevi tih stanja jesu:
{| class="wikitable"
! glavni kvantni broj!! orbitalni kvantni broj!! magnetni orbitalni kvantni broj!! magnetni spinski kvantni broj
|-
| ''n'' = 2 || ''l'' = 1 || ''m'' = + 1 || ''s'' = - 1/2
|-
| ''n'' = 2 || ''l'' = 1 || ''m'' = 0 || ''s'' = - 1/2
|-
| ''n'' = 2 || ''l'' = 1 || ''m'' = - 1 || ''s'' = - 1/2
|-
| ''n'' = 2 || ''l'' = 1 || ''m'' = + 1 || ''s'' = + 1/2
|-
| ''n'' = 2 || ''l'' = 1 || ''m'' = 0 || ''s'' = + 1/2
|-
| ''n'' = 2 || ''l'' = 1 || ''m'' = - 1 || ''s'' = + 1/2
|}
Ova kvantna stanja popunjuju redom elementi: bor, [[ugljik]], [[dušik]], [[kisik]], [[fluor]] i [[neon]]. Posljednji element, neon, ima L ljusku dva elektrona sa ''l'' = 0 i 6 elektrona sa ''l'' = 1. Njegovi elektroni popunili su sasvim drugu ljusku. Vidimo opet da "plemeniti" potječe od popunjenosti vanjske ljuske. Osim toga, neon nema magnetskog momenta. Magnetski momenti njegovih 6 elektrona u svakom se smjeru poništavaju. Na elektron sa ''m'' = + 1 dolazi elektron sa ''m'' = - 1, a isto tako na ''s'' = + 1/2 dolazi ''s'' = - 1/2.
Neon ima 2 elektrona u K ljuski, a 8 u L ljuski. Kod jedanaestog po redu elementa, [[natrij]]a, mora jedanaesti elektron prijeći u M ljusku. Vanjski elektron ima kvantne brojeve ''n'' = 3, ''l'' = ''m'' = 0 i ''s'' = + 1/2. Ovaj elektron, koji se podaleko kreće izvan popunjenih unutarnji ljusaka, prouzrokuje svojstva [[Alkalijski metali|alkalijskih metala]]. Dvanaesti po redu element, [[magnezij]], ima još jedan elektron u M ljuski. Staza tog drugog elektrona ista je kao i u prvog, samo što njegov spin stoji suprotno. Poput helija i berilija nema magnezij magnetskog momenta.
{| class="wikitable"
! Čvrsti !! Broj stanja
|-
| ''s, m, l, n'' || 1
|-
| ''m, l, n'' || 2
|-
| ''l, n'' || 2∙(2∙''l'' + 1)
|-
| ''n'' || <math> 2 \cdot \sum_{l \mathop =0}^{l \mathop =n - 1}(2 \cdot l + 1) = 2 \cdot n^2 </math>
|}
[[Zbrajanje|Suma]] u posljednjem redu tablice proračunata je jednostavno:
:<math> \sum_{0}^{\mathop n - 1}(2 \cdot l + 1) = n + 2 \cdot \sum_{0}^{\mathop n - 1} l = n + (n - 1) \cdot n </math>
U ljuski s glavnim kvantnim brojem ''n'' ima mjesta za 2∙''n<sup>2</sup>'' elektrona. Taj rezultat je od osnovnog značenja za periodni sustav.
Stavljajući za glavni kvantni broj redom vrijednosti 1, 2, 3, 4, …, dobivamo najveći broj elektrona u različitim ljuskama. Popunjene ljuske sadrže elektrona:
{| class="wikitable"
! K !! L !! M !! N
|-
| 2∙1<sup>2</sup> = '''2''' || 2∙2<sup>2</sup> = '''8''' || 2∙3<sup>2</sup> = '''18''' || 2∙4<sup>2</sup> = '''32'''
|}
K ljuska bila je ispunjena helijem, a L ljuska neonom. Ti elementi odista slijede u razmaku 2 i 8. Prva bi sad bila misao da se daljnja izgradnja elemenata vrši tako da se iduća M ljuska postepeno popuni elektronima. Vidjeli smo da to zaista tako ide do [[argon]]a s rednim brojem 18. Međutim, dalje to ne ide više tako. Iako u M ljuski još ima mjesta za 10 elektrona, kod idućeg elementa, [[kalij]]a, devetnaesti elektron prelazi u N ljusku. Razlog tome je što su energetski nivoi M ljuske sa ''l'' = 2 viši od energetskih nivoa N ljuske sa ''l'' = 0. U N ljuski staza ''l'' = 0 ulazi u unutarnje ljuske, kako smo vidjeli kod alkalijskih spektara, pa je elektron znatno čvršće vezan. U toj stazi mogu se kretati dva elektrona sa suprotnim smjerom spina. Takvu vanjsku konfiguraciju elektrona ima [[kalcij]]. On pripada metalima alkalijskih metala i ima dva elektrona u vanjskoj N ljuski. Idući element [[skandij]] s rednim brojem 21 stavlja svoj dvadeset i prvi elektron u M ljusku, koju su kalij i kalcij preskočili. Impulsu vrtnje ''l'' = 2 pripada 10 kvantnih stanja. Ta se kvantna stanja, počevši sa skandijem, postepeno popunjuju elektronima.
Zanimljivo je promatrati N ljusku. Kod nje kripton s rednim brojem 36 popunjuje dvije najniže podljuske ''l'' = 0 i ''l'' = 1. Trideset i sedmi elektron idućeg elementa, [[rubidij]]a, preskače obje podljuske ''l'' = 2 i ''l'' = 3 u ljuski N i ide u O ljusku. Isto to čini i trideset i osmi element. Međutim, s trideset i devetim elementom počinje se opet popunjavati N ljuska i elektroni se smještaju u njenu podljusku ''l'' = 2. Kad se ta podljuska popuni, ne smještaju se novi elektroni u podljusku ''l'' = 3 ljuske N, nego prelaze u podljusku ''l'' = 1 ljuske O. Ta se podljuska popuni plemenitim plinom [[ksenon]]om. Sad opet nastupa jedan veliki skok, jer slijedeći element, [[cezij]], stavlja svoj pedeset i peti elektron u P ljusku. Isto to čini i [[barij]]. Pedeset i sedmi element, [[lantan]], stavlja svoj jedan elektron u O ljusku. Tek odsada počinje se postepeno ispunjavati slobodna, zadnja podljuska preskočene N ljuske. Ta podljuska sa ''l'' = 3 sadrži 14 kvantnih stanja. No, toliko upravo ima [[Rijetki zemni metali|rijetkih zemalja]] koje se nadovezuju na lantan. Sad razumijemo zašto su ti elementi tako kemijski srodni. Četrnaest elektrona ugrađuje se sukcesivno duboko u unutarnjim ljuskama. Atomska periferija ostaje pri tom u bitnom nepromijenjena. Zbog toga su slična sva svojstva rijetkih zemalja, koja ovise o periferiji atoma. Isto tako vidimo da ne može biti više od 14 rijetkih zemalja. Kod sedamdeset i drugog elementa, [[hafnij]]a, prelazi već novi elektron u O ljusku.
Pri izgradnji periodnog sustava moramo imati dvoje pred očima. S jedne strane ljuske omataju jezgru onim redom kako idu slova abecede K, L, M, N, O, P i Q. No s druge strane, podljuske ''l'' = 0 i ''l'' = 1 viših ljusaka mogu imati nižu energiju nego podljuske ''l'' = 2 i ''l'' = 3 ili ''l'' = 4 prethodnih ljusaka. Zbog toga se izgradnja elemenata, kad idemo postepeno od vodika do [[uranij]]a, ne vrši besprekidno na prvoj nepopunjenoj ljuski, nego se izvjesne podljuske preskoče, pa zatim grupe elemenata popunjuju preskočena kvantna stanja u unutarnjim ljuskama. Na osnovu toga možemo shvatiti sve zakonitosti u periodnom sustavu elemenata. <ref> [[Ivan Supek]]: "Nova fizika", Školska knjiga Zagreb, 1966.</ref>
== Povijest ==
| |||