Aatomistruktuur ja elementide perioodilisustabel
Pendahuluan
Keemiamaailmas on aatomi struktuuri ja elementide perioodilisustabeli mõistmine ülioluline. Nende kahe aspekti põhjalik mõistmine võimaldab teadlastel selgitada aine erinevaid omadusi ja käitumist. Nii nagu igapäevaelu kogemuste, põhjuste ja mustrite mõistmine võimaldab meil ennustada keemilisi reaktsioone, füüsikalisi omadusi ja elementide käitumist universumis, aitab aatomi struktuuri ja perioodilisustabeli mõistmine meil ennustada elementide keemilisi reaktsioone, füüsikalisi omadusi ja käitumist universumis.
Aatomi struktuur
Aatomid on aine põhiühikud, millest koosneb kõik meid ümbritsev. Aatomid koosnevad kolmest peamisest subatomaarsest osakesest: prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Prootonid ja neutronid moodustavad tuuma, elektronid aga tiirlevad ümber tuuma kindlatel orbiitidel elektronpilves.
Prooton
Prootonid on positiivselt laetud osakesed, mida leidub aatomi tuumas. Prootonite arv tuumas määrab elemendi identiteedi, mida tuntakse selle aatomnumbrina. Näiteks süsiniku aatomil on kuus prootonit, hapniku aatomil aga kaheksa. Prootonite mass on ligilähedane ühele aatommassiühikule (u).
Neutron
Neutronid on aatomituumas leiduvad laenguta osakesed. Neil on peaaegu sama mass kui prootonitel. Kuigi need ei mõjuta aatomi laengut, võib neutronite arv tuumas mõjutada aatomi stabiilsust ja määrata selle isotoope. Isotoobid on elemendi variandid, millel on sama arv prootoneid, kuid erinev arv neutroneid.
Elektron
Elektronid on negatiivselt laetud osakesed, mis tiirlevad aatomituuma ümber kindlatel orbiitidel ehk energiatasanditel. Elektronidel on prootonite ja neutronitega võrreldes väga väike mass. Elektronide jaotus aatomis ehk elektronkonfiguratsioon määrab selle elemendi keemilised omadused. Äärmistel elektronidel (valentselektronidel) on keemiliste sidemete moodustumisel oluline roll.
Aatomimudel
Juba iidsetest aegadest on teadlased aatomite struktuuri selgitamiseks välja töötanud mitmesuguseid mudeleid. Alates Daltoni lihtsast aatomimudelist kuni Thomsoni aatomiteooriani, mis kujutas elektrone ette "rosinakuklitena", ja Rutherfordi mudelini, mis tutvustas aatomituuma mõistet. Tänapäeval on kõige laiemalt aktsepteeritud moodne aatomimudel kvantmehaanika mudel, mille tutvustasid Erwin Schrödinger ja Werner Heisenberg.
Kvantmehaanika mudel
Kvantmehaaniline mudel on aatomi Bohri mudeli täiustus. Selles mudelis ei liigu elektronid kindlatel orbiitidel, vaid orbitaalides, mis on matemaatilised funktsioonid, mis määravad elektroni leidmise tõenäosuse kolmemõõtmelises ruumis. Nendel orbitaalidel on erinev kuju ja energia, mida tuntakse alamkestadena (s, p, d, f).
Elementide perioodilisustabel
Perioodilisustabel ehk perioodilisussüsteem on elementide paigutus, mis põhineb nende aatomnumbril, elektronkonfiguratsioonil ja keemilistel omadustel. Tänapäeval tuntud perioodilisustabel on mitmete teadlaste, eelkõige Dmitri Mendelejevi ja Henry Moseley, täiustuste tulemus.
Perioodilisustabeli ajalugu
Dmitri Mendelejev oli vene keemik, kes koostas esimesena perioodilisussüsteemi 1869. aastal aatommassi (aatommassi) ja keemiliste omaduste põhjal. Mendelejev ennustas avastamata elementide olemasolu ja nende asukohta tabelis, mis hiljem osutus õigeks. Henry Moseley täpsustas hiljem Mendelejevi tabelit, järjestades elemendid täpsemalt aatomnumbri (prootonite arvu) järgi.
Perioodilisustabeli struktuur
Perioodilisustabel jaguneb perioodideks ja rühmadeks.
periood
Periood on perioodilisustabeli horisontaalne rida. Perioodi elementidel on sama arv elektronkesti, alates 1-st (vesinik ja heelium) kuni 7-ni (transuraanelemendid).
Grupp
Rühm on perioodilisustabelis vertikaalne tulp. Rühma kuuluvatel elementidel on sama valentselektronkonfiguratsioon, mis põhjustab nende sarnaseid keemilisi omadusi. Rühmad jagunevad kahte suurde ossa: põhirühm (rühm A) ja siirderühm (rühm B).
Põhiklass
Peamised rühmad hõlmavad rühmi 1 (IA) kuni 18 (VIIIA), mis hõlmavad selliseid elemente nagu leelismetallid, leelismuldmetallid, halogeenid ja väärisgaasid. Nende rühmade iga elemendi keemilised omadused määratakse valentselektronide arvu järgi.
– 1. rühm: Leelised: Hõlmab vesinikku, liitiumi, naatriumi, kaaliumi jne. Need on ühe valentselektroniga väga reaktiivsed metallid.
– 2. rühm: leelismuldmetallid: hõlmavad berülliumi, magneesiumi, kaltsiumi jne. Nad on ka väga reaktiivsed ja neil on kaks valentselektroni.
– 17. rühm: Halogeenid: Hõlmab fluori, kloori, broomi jne. Need on väga reaktiivsed mittemetallid, millel on seitse valentselektroni.
– 18. rühm: Väärisgaasid: Hõlmab heeliumi, neooni, argooni jne. Need on inertsed ja reageerivad harva, kuna neil on kaheksa täisvalentselektroni.
Üleminekurühm
Üleminekurühm hõlmab 3.–12. rühma elemente, mis on üldiselt metallid, millel on iseloomulikud füüsikalised omadused, nagu kõvadus, elektri- ja soojusjuhtivus ning kõrge sulamistemperatuur. Nendel elementidel on valentselektronid d- ja f-alamkoortes.
Elementide perioodilised omadused
Elementide perioodilised omadused on perioodilisustabeli elementide käitumise trendid või mustrid. Mõned olulised perioodilised omadused on järgmised:
Aatomiraadius
Aatomiraadius on kaugus tuumast kõige välimise elektronini. Aatomiraadius kipub perioodi jooksul vasakult paremale vähenema, kuna suurenev tuumalaeng tõmbab elektrone lähemale. Aatomiraadius aga suureneb rühmas ülevalt alla elektronkihtide lisandumise tõttu.
Ionisatsioonienergia
Ionisatsioonienergia on energia, mis on vajalik elektroni eemaldamiseks aatomist gaasilises olekus. Ionisatsioonienergia suureneb perioodi jooksul vasakult paremale, kuna tugevam tuumalaeng tõmbab elektrone tugevamalt ligi. Seevastu ionisatsioonienergia väheneb rühmas ülevalt alla, kuna väliskestade elektronid on tuumast kaugemal ja vähem tihedalt seotud.
Elektronegatiivsus
Elektronegatiivsus on aatomi võime keemilises sidemes elektrone ligi tõmmata. Elektronegatiivsus suureneb perioodis vasakult paremale ja väheneb rühmas ülevalt alla.
Elektronide afiinsus
Elektroni afiinsus on energia muutus, mis toimub aatomi elektroni lisandumisel. Elektroni afiinsus kipub perioodi jooksul vasakult paremale muutuma negatiivsemaks ja rühmas ülevalt alla vähem negatiivseks.
Järeldus
Aatomistruktuuri ja elementide perioodilisustabeli põhjalik mõistmine on keemias ülioluline. Aatomistruktuur annab ülevaate subatomaarsete osakeste põhilisest paigutusest ja omadustest, samas kui perioodilisustabel pakub raamistikku elementide omaduste klassifitseerimiseks ja ennustamiseks. Mõlema aspekti mõistmise abil saame mitte ainult põhjaliku ülevaate ainest, vaid ka võime neid teadmisi rakendada uurimistöös, tööstuses ja tehnoloogias.
