Periodni sistem elemenata Periodni sistem elemenata je hemijska tablica u kojoj su po određenoj zakonitosti sistematizovani (poredani) hem.elem. Mendeljejev je je definisao Peridni zakon koji glasi: Hemujske svojstva elemenata su periodična funkcija njihovih relativnih atomskih masa Na osnovu sadašnjeg poznavanja strukture atoma, periodni sistem elemenata se definiše na sledeći način: Hemijska svojstva elemenata su periodične funkcije njihovih elektronskih konfiguracija (rednih brojeva)
1. U Periodnom sistemu elementi su poredani u nizu sa porastom njihovih rednih (atomskih) brojea (tj. sa povećanjem broja protona u jezgru i broja elektrona u elektronskom omotaču) i to u : - periode i - grupe. 2. Periode su horizontalni redovi u koje su reďani elementi po porastu broja protona u jezgru. - Broj periode odgovara poslednjem energet. nivou (K, L, M, N, O,P,Q). - Razlikujemo male i velike periode a sama dužina perioda je određena brojem podnivoa, koji se popunjavaju kada se formiraju periode. 3. Grupe su vertikalni redovi u koje su redani elementi po sličnim fiz.hem.osobinama čiji se atomi razlikuju po broju energetskih nivoa ali imaju istu konfiguraciju zadnjeg valentnog energetskog nivoa. Elementi iste grupe periodnog sistema imaju slična hemijska svojstva Npr. elementi IA grupe ili alkalni elementi
Usljed povećanjea broja elektrona u elektronskom omotaču (u periodi) dolazi do: - postepenog mijenjanja hemijskih svojstva i - poslije određenog broja novih elektrona ponove se uspostavlja ista konfiguracija valentnih elektrona što opet uslovljava slična hemijska svojstva tih elemenata. U Periodnom sistemu elemenata izgradnja strukture atoma elemenata vrši se tako da se: - u jezgro atoma svakom sledećem elementu dodaje po jedan proton (i određen broj neutrona) i - jedan elektron u spoljašnjem elektronskom omotaču. svaki novi elektron koji popunjava orbitale prema talasno-mehaničkoj teoriji treba biti u saglasnosti sa - Paulijevim principom zabrane i - Hudovim pravilom multiplciteta
Postoji povezanost između broja periode i energetskih nivoa kao i između broja elemenata u periodama i maksimalnog broja elektrona u njima maksim. br. elek. u periodi = 2n 2 Sa porastom rednog broja u grupi : 1. raste: - relativna atomska masa :, - zapremina atoma, - atomski poluprečnik - metalni karakter elementa 2. opada : - energija prve jonizacije, - elektronegativnost, - standardni el. pot., Sa porastom rednog broja u periodi: 1. raste: - relativna atomska masa, - veličina atoma, - energija prve jonizacije - afinitet prema elektronima - elektronegativnost, standardni el. pot., - nemetalni karakter 2. opada: - metalni karakter elementa
Istorijski razvoj periodnog sistema Najranije grupisanje elemenata izvršio je Deberajner. On je uočio da su Ca, Sr i Ba tri srodna elementa i da je razlika Ar između Sr-Ca približno istekao i Ba-Sr Kasnije je otkrio još nekoliko grupa i nazvao ih trijadama. 1864. godine Newlands je redao elemente po rastućoj atomskoj masi i ustanovio da se slične hemijske osobine javljaju kod svakog osmog elementa - oktave
Mendeljejev je prvu verzija PSE objavio je 1869god. -on je hemijske elemente redao po porastu Ar u grupama a hemijski srodni elementi su bili u horizontalnim nizovima, - kod sastavljanja ovog PS bilo poznato 64 hemijska eleme, - za hemijske eleme.koji su nedostajali ostavio je slobodna mjesta.
Njemački hemičar Majer je iste godine objavio je svoju tablicu hemijskih elemenata koja je bila slična Mendeljejevoj. On se rukovodio prvenstveno fizičkim svojstvima elemenata.
Mendeljejev je 1871 godine objavio drugu verziju PS koja se bitno ne razlikuje od današnje. - Ovde su h.e. redani: - po porastu Ar u horizont. redovi. (periode) - a hemijski srodni elementi bili su u grupama, - 1, 2 i 3 perioda su imale po jedan red elemenata a ostale su imale po dva reda. - prazna mjesta u periodnom sistemu Mendeljejev je nazvao: eka-bor (Sc-21), eka-mangan (Tc-41), eka-aluminijum (Ga-31), dvi-mangan (Re-75) eka-silicijum (Ge-32) i eka-tantal (Pa-91). -Svojstva kasnije otkrivenih elemenata odlično su se podudarala sa pretskazanim svojstvima od strane Mendeljejeva.
Mendeljejev je kod parova Co(58,93)-Ni(58,71) i Te(127,60)-I(126,9) stavio u periodi prvo teže elementea a iza njih lakše Ista situacija je i kod. argon (Ar=39,948) je teži od kalijuma (Ar=39,102) torijum (Ar=232,04) je teži od protaktinijuma (Ar=231) Ovaj problem je rješio Mozli (Moseley) tako što je eksperi. dokazao da argon ide prije kalijuma... i da elemente treba redati po atomskim (rednim) brojevima Periodni zakon Osobine elemenata su periodična funkcija njihovih atomskih brojeva
Danas se koriste dva tipa PS i to: 1. Periodni sistem kratkih perioda (po Mendeljejevu) 2. Periodni sistem dugih perioda (po Verneru) Periodni sistem kratkih perioda: Ima 7 perioda i 9 grupa (deveta grupa je nulta gr. plem.gas.) 1 perioda sadrži 2 elementa (H, He) 2 i 3 perioda sadrže po 8 elemenata (kratke periode) 4 i 5 perioda sadrže po 18 elemenata (duge periode) 6 perioda sadrži 32 elemenata (najduža perioda) 7 perioda sadrži 29 elemenata (nedovršena perioda) Od IV periode grupe se dijele na A I B podgrupu A Glavne grupe elemenata B Sporedne grupe elemenata
Periodni sistem dugih perioda P S dugih peroda ima: 7 peroda i 18 grupa s elementi: 1 grupa alkalni metali 2 grupa zemnoalkalni metali d - elementi 3-12 grupe prelazni elementi (metali) p - elementi 13-18 grupe glavni elementi (18 grupa plemeniti gasovi) f - elementi lantanoidi i aktinoidi (unutar prelazni elemenati) Metali (lijevo) linija B-Si-As-Te-At (metaloidi ili semimetali) nemetali (desno). Oko 90 % svih elemenata su metali a samo oko 10 % su nemetali.
Podatci oelementima PS 1.Pznato 115 h.e - praistorijski vijek 2h.e. (C, S) - stari vijek 9 h.e. (C, S, Au, Ag, Ca, Fe, Sn, Pb, Hg) - srednji vijek 14 h.e. (+ 5 novih P, As, Sb, Bi, Zn) - 18. vijek 20 h.e. - 19. vijek 64 h. e. Bojl - 1661. god. 13 h. e. :Sb, As, Bi, C, Cu, Au, Fe, Pd, Hg, Ag, S, Sn, Zn Lavoazije još 11 elemenata :...Cl, Co, H, Mn, Mo, Ni, N, O, P, Pt, W 2. 92 h.e. otkriveno u prirdi a ostali sintetizovani 3. 90% ukupnog broja su metali 4. Dijele se na: - po fizičko - hemijskim osob. na : metale, nemetale, metaloide, (semimetali) i plemenite gasove - po elektr. konf. zadneg val.stanja na: s, p, d i f elemente 5. Gasoviti su: H, O, N, F,Cl, plem. gas., a tečni : Hg i Br 6. Najelektropozitivniji je Cs a najelektronegativniji je F
STRUKTURA ATOMA Daltonova atomska teorija i Avogadrova hipoteza o molekulima bile su dovoljne za tumačenje hemijskih zakona i pojava. Otkrića na polju fizike i hemije krajem 19 i početkom 20 vjeka dovela su do saznanja: - da je atom sastavljen od još sitnijih čestica i - da je atom složene strukture. Ova ispitivanja dovela su do otkrića najvažnijih čestica atoma: - elektrona (e - ), - protona (p + ) i - neutrona (n).
Prvu atomsku teoriju postavio je početkom XIX vijeka Dalton koji je smatrao da je materija izgrađena od sitnih čestica - atoma - koji su nedjeljivi. Danas je poznato da je atom složene strukture, izgrađen je od sitnijih čestica,tj. djeljiv je. ATOMSKO JEZGRO p +, n ATOM ELEKTR. OMOTAČ e - ELEKTRON Nosilac je neg. naelektrisanja ( 1,6 10-19 C, Miliken 1908god.) kruži oko jezgre (5 10 7 m/s = 1/6 brzine svjetlosti) masa : 9,1 10-31 kg
Otkriveni su1858. godine od strane Plikera - eksp. u katodnoj cijevi. Ako je p=atmosf. kod visokog napona javlja se varnica Ako je vakum gas svijetli Ako se na anodi naprave otvori, na stakl. zidu cijevi javlja se svjetlucanje ( fluoroscencija),zraci su nazvani KATODNIM ZRACIMA.
Tomson (1895) je proučavanjem e - utvrdio da su to: - negativno naelektrisane čestice, - veoma male mase (oko 1837 puta manja masa od vodonikovog atoma) - Dobile su naziv elektroni koji je dao Stoni 1891. godine A skretanje e - u električnom polju B bez elektr. i magnom polja C - skretanje e - u magnom polju
Kada su istovremeno uključeni magnetno polje jačine (H) i električno jačine (E) i kada su sile (magnetnog i električnog polja) koje deluje na čestice katodnih zraka izjednačene tada je: H e v = E e za poznate vrednosti E i H može se odretiti brzina katodnih zraka v = E/H pod djelovanjem magnetnog polja čestice katodnih zraka se kreću putanjom kružnog luka poluprečnika r pa je magnetna sila uravnotežena sa centrifugalnom silom: H e v = m v/r => specifično naelektrisanje je: e/m = v/h r Tomson je odredio brzinu katodnih zraka (5 10 7 m/s = 1/6 brzine svetlosti) i odnos e/m (uvek je konstantan =10 11 C/kg) bez obzira koji se gas nalazi u cevi i od kog materijala je katoda napravljena.
Određivanje naelektrisanja elektrona Miliken je odredio naelektrisanje elektrona pomoću električnog kondenzatora sa uljnim kapljicama Podešavanjem napona može se električna sila koja vuče kap na gore izjednačiti sa silom zemljine teže tako da kapljica lebdi : e E = m g => e = m g / E = 1,6 10-19 C gde je m- masa kapljice Na osnovu ovog ogleda izračunata je i m e i ona iznosi: m e =9,1 10-31 kg
PROTON Njemački fizičar Goldštajn je u katodnij cijevi napravio otvore na katodi i dobio zrake koje su se kretale od A ka K i nazavao ih je : KANALSKIM ZRACIMA Specifično naelektrisanje e/m za različite gasove je bilo različito i najveće je kod H + i nazvani su protonima Zahvaljujući ovoj pojavi danas su razvijeni aparati (maseni spektrometri) pomoću kojih možemo odrediti sastav supstanci.
Radioaktivnost Bekerel je utvrdio da minerali urana i uranovih soli emituju zračenje koje nesmetano prolazi kroz papir i fotografsku ploču. Ispitivanja Marije i Pjer Kiri otkrili su u rudama urana i nove hemijske elemente (Ra i Po) a koji takođe emituju nepoznato zračenje. Ova pojava je nazvana radioaktivnost a zračenje radioaktivno zračenje. Radioaktivnost, koju je otkrio Bekerel, pokazala je svu složenost strukture atoma. Neki elementi kao što je uran spontano zrače tri vrste zraka a to su α, β i γ- zrake. UtvrĎeno je da su: α - zraci pozitivno naelektrisani, β - zraci su kao i elektroni, negativno naelektrisani γ - zraci talasne prirode
Radeford je ispitivao radioaktivno zračenje tako što je kroz mali otvor emitovao -čestice i usmeravao ih na tanaki listić zlata(10-4 cm)
Radeford je predložio planetarni model atoma (model: planete-sunce): - svi p + (s tim i masa atoma) su skoncentrisani u jezgru oko koga kruže elektroni r (jezgro) /r (atom) = 10-12 cm / 10-8 cm = 10 4 puta manji (kao da se kuglica prečnika 1 cm nalazi u centru lopte prečnika 100 m)
Rendgenski zraci Nemački fizičar Rentgen proučavajući katodne zrake primjetio je da stakleni dio katodne cjevi na koju padaju katodni zraci zrače fluoroscentnu svjetlost. Ovi zraci : - djeluju na fotografsku ploču - lako prolazi kroz metal - spektralno se ne razložu pomoću kvarcne prizme ili optičke rešetke Zbog toga što se dugo nije poznavala priroda ovih zraka nazvani su X-zraci Rešenje ovog problema dao je Laue difrakcijom rendgenskih zraka pomoću kristala (kristalne rešetke). X-zraci predstavljaju elektromagnetno zračenje čija je talasna dužina = 0,01 do 1 nm i nazvani su: Rendgenskim zracima
Mozli je koristio modifiovanu katodnu cjev: - elektrone sa katode usmjeravao na antikatodu (koristio razne metale) - sa antikatode nastajali su X-zraci - razlaganjem nastalog zračenja dobio je čitav niz spektara - kod svih metala najjače su bile izražene dvije spektralne linije K i K c Mozlijevzakon 1/ R ( Z 1)
karakteristično X-zračenje nastaje od elektrona iz unutrašnjeg nivoa. Nastajanje rendgenskog zračenja Kontinuirani i linijski spektar U zavisnosti sa kog nivoa je prelaz elektrona na K-nivo linije u rendgenskom spektru označavamo sa K, K, Kγ itd.
Kosel je na osnovu Borove teorije o strukturi atoma dobio jednačinu za linijske spektre rendgenskih zraka: Z R 2 2 n1 n2 Postoje dve bitne razlikeizmeďu Koselove i Borove jednačine za izračunavaju : 1 1. Talasne dužine fotona koji daju atomske spektre su veće a energija manja od rendgenskih zraka (npr. E as je reda veličine ev a E rs reda veličine kev) 2. - Atomski spektri: potiču od elektrona iz spoljašnjeg nivoa - a X-zračenje od elektrona iz unutrašnjeg nivoa. Pri udaru e - (katodn. zra.) u antikatodu neki : 2 1 1 - prolaze kroz elektronski omotač atoma - dok se drugi sudaraju i izbacuju elektrone iz atoma.
Zbog velike E k.z neki dospjevaju čak i do K-nivoa koji: - izbacuju elektron - ostaje upražnjeno mjesto, - zato elektr. iz L-nivoa prelazi u K-nivo, a iz M u L-nivo itd. Ovi e - imaju veću E od e - iz K-nivoa pa se pri prelazu e - sa npr. L K ili M K oslobađa E u vidu kvanata X-zračenja. Najprodorniji X-zraci su K-zraci Korigovana Koselova jednačina za izračunavanje talasne dužine K-zraka bilo kog elementa: 1 2 1 1 ( Z 1) R 2 2 1 2 Naelektrisanje jezgra umanjeno za jedan što ukazuje da postoji e - u blizini jezgra, koji umanjuje privlačno djelovanje jezgra, pri prelasku e - sa višeg na K-nivo.
Neutron Kod lakših atoma (Z 20) atomski broj (ili redni broj) je približno jednak ½ Ar. Radeford je na osnovu svojih ogleda zaključio da se samo ½ mase jezgra može pripisati masi protona (p+). Zbog toga se pretpostavljalo da u jezgru atoma mora postojati elektroneutralna čestica čija je masa približno jednaka masi protona. Čedvik je 1932. na osnovu tumačenja berilijumskog zračenja ustanovio da je reč o neutronima (n 0 ). On je bombardovao Be sa He: 4 9 12 2He 4Be 6C 1 0 n Dobijeno zračenje je analizirao u magnetnom i električnom polju, pri čemu je zapazio elektroneutralnost. Neutron je neutralna čestica i osnovni sastojak jezgre.
Kako je broj protona jednak rednom broju elemenata u PSE, a atom je neutralan,to je i broj elektrona jednak rednom broju tj. atomskom broju. Maseni broj (A) je jednak zbiru protona i neutrona A = N(p) + N(n) a broj protona (Np) jednak je rednom broju element Np = Z Protoni i neutroni se nazivaju zajedničkim imenom nukleoni. masa naelektrisanje p 1,672 10-27 kg + 1,602 10-19 C n 1,674 10-27 kg 0 e 5,109 10-31 kg - 1,602 10-19 C Hemijski element možemo definisati kao supstancu čiji svi atomi sadrže isti broj protona tj. imaju isti redni broj, odnosno maseni broj.
IZOTOPI U PSE postoje i elementi koji imaju jednake Z a različ.ar. Takvi atomi čije jezgro sadrži isti broj protona ali različit broj neutrona nazivaju se izotopi ( npr. H, O, C) Oni imaju iste hemijske osobine koje uglavnom zavise od elektronske konfiguracije i broja e -, ali se razlikuju po masi Primjeri nekih izotopa: običan vodonik (protijum); -(D) deuterijum i - (T) tritijum -izotopi ugljenika C-12 12 6 C 6 13 6 C 7 14 6 C 8
Otkrićem izotopa utvrđeno je da je relativna atomska masa nekog elementa predstavlja prosječnu vrijednost Ar svih njegovih izotopa koji postoje u prirodi zbog čega nisu cjeli brojevi Ar(X) = x i Ar i gde je: x i molski udio izotopa Ar i relativna atomska masa izotopa Na primjer: Ar x 16 O 15,99491 0,99759 17 O 16,99913 0,00037 Ar = 15,99937 18 O 17,99916 0,00204 Ar nisu celi brojevi jer predstavljaju zbir različitih vrijednosti masa p i n (mase p i n se razlikuju u maloj mjeri) ali i zbog «defekta masa». Prilikom spajanja p i n i stvaranja jezgra jedan dio mase se izgubi u vidu energije i to je «defekt mase». Na primjer : prilikom nastajanja atoma silicijuma izgubi se masa koja je ekvivalentna oslobaďenoj energiji od 2,365 10 8 ev.
- danas je poznato oko 1700 izotopa od čega je 271 stabilan - elementi sa Z > 83 (iza Bi) nemaju stabilne izotope - oko 400 radioaktivnih izotopa dobijeno u laboratoriji Stabilnost sistema atoma zavisi od atomskog broja i minimuma izgubljene energije. Kod atoma čiji redni broj: - ne prelazi 20 stabilni izotopi sadrže isti broj p + i n 0 - koda je Z > 20 stabilniji je atom ako je broj n 0 > p + - najnestabilnija jezgra su sa neparnim brojem n 0 i p +. IZOBARI Atomi koji imaju različit broj p + i n 0 ali jednak broj nukleona (p + + n 0 ) 40 18 Ar (18p +22n) 40 19 K (19p + 21n) 40 20 Ca (20p + 20n) IZOTONI Atomi sadrže isti broj neutrona 136 54 Xe (54p +82n) 138 56 Ba (56p +82n) 139 57 La (57p +82n)
MODELI ATOMA Prvi model atoma je postavio Radeford 1911. godine i na njega je primijenio klasične zakone fizike. Istražujući strukturu atoma Radeford je 1911. godine postavio teoriju planetarnog modela atoma. On je utvrdio da je masa atoma sva skoncentrisana na mali dio prostora koji je nazvao jezgro atoma (p + i n) Oko jezgra kruže elektroni velikom brzinom slično kao planete oko sunca, a oni su negativno naelektrisani. Radeford je 1919. godine prvi izvršio razbijanje atoma, odnosno izveo vještačku transmutaciju jednog elementa u drugi. Radeford je svojim modelom pokazao da je atom elektroneutralna čestica, a to znači da ima isti broj protona i elektrona.
Nils Bor je 1913. godine dopunio ovaj model i postavio čuveni Borov model atoma, postavljajući time kvantnu teoriju strukture atoma. Suština Borovog modela sadržana je u dva osnovna postulata: 1. U atomu elektron može da se kreće samo po određenim, stacionarnim putanjama pri čemu ne emituje energiju. 2. Energiju atom može da apsorbuje ili da emituje samo u određenim kvantima energije. A kada atom apsorbuje određeni kvant energije tada elektron prelazi sa nižeg na viši energetski nivo sa tačno određenim poluprečnikom. Mada je udario temelje kvantnoj teoriji strukture atoma, Borov model atoma nije mogao dati objašnjenje linijskih spektara kod složenijih atoma - nego samo za atom vodonika.