PERIODISKA SYSTEMET

Finns det något vackrare än det periodiska systemet?
Kemisterna började förstå skillnaderna mellan grundämnen och kemiska föreningar på 1800-talet, men det var först 1870 som man fick ett system för att ordna alla grundämmnen på ett logiskt sätt. Vi är alla tacksamma för Dimitrij Mendelejevs bidrag till vetenskapen. 

Mycket information i varje ruta

Det finns massor av olika varianter av periodiska systemet, där det inte bara skiljer sig i layout utan även vilken information som ges. Det finns även interaktiva periodiska system där ett klick på ett grundämne ger betydligt mer information än vad som får plats på det tryckta versionerna.

Den information som normalt ges är:

  • Symbolen för grundämnet. Dessa är internationellt standardiserade.
  • Atomnumret, vilket visar hur mänga protoner och elektroner grundämnet har.
  • Atomvikten. Här kan det skilja sig i hur många decimaler man valt att ange.
  • Många periodiska system visar namnet på ämnet, men en del anser att det räcker med symbolen.

Utöver den grundläggande informationen kan det periodiska systemet också visa aggregationstillståndet för grundämnet. Annan information som kan finnas, både i interaktiva och trycka versioner, är till exempel smältpunkt, kokpunkt, elektronkonfiguration, elektronegativitet, oxidationstal och normalpotential. Siffrorna utanför rutan förklaras nedan.

Periodiska systemets uppbyggnad

Mendelejevs stora bidrag till vår kunskap är att han skrev upp egenskaper för de grundämnen man kände till då på var sin lapp och lade ut alla lappar på golvet i ordning. Det fanns en hel del luckor, men det gjorde att Mendelejev kunde förutspå egenskaperna på dessa ännu inte upptäckta grundämnen. Det system Mendelejev använde för att sortera grundämnena, var både enkla och logiska.

Grupper

Den vertikala ordningen i det periodiska systemet visar hur många valenselektroner det finns hos ämnena. I grupp 1, alkalimetallerna, har alla grundämnen en valenselektron. De alkaliska jordartsmetallerna har två valenselektroner, borgruppen tre, kolgruppen fyra, kvävegruppen fem, syregruppen sex, halogenerna sju och ädelgaserna åtta. Med denna information kan vi sluta oss till hur de olika grundämnena uppträder i kemiska reaktioner och i vilken typ av reaktioner de kan delta i. Det som vi har svårt att se direkt i det periodiska systemet är hur övergångsmetallerna reagerar. De yttre elekronernas energinivåer befinner sig här så nära varandra att de kan bilda joner med olika laddning. Ett exempel är järn som kan bilda både Fe2+ och Fe3+.  Gemensamt för övergångsmetallerna är att de bildar positiva joner.

Med "grupp" avses de vertikala raderna (kolumnerna). Gemensamt för grundämnena i samma grupp är att de har lika många valenselektroner. För övergångsmetallerna är det mer komplicerat på grund av att energinivåerna för de yttersta elektronerna ligger så nära varandra. De kan därför bilda joner med olika laddning.

Perioder

Period betyder här de horisontella raderna. gemensamt för dessa är att valenselektronerna befinner sig i samma skal. Grundämnen i period 1 har endast elektroner i det innersta skalet, i period 2 finns det elektroner i både skal ett och två, i period 3 finns det elektroner i skal ett, två och tre, osv. Antalet elektroner i det yttersta skalet ökar från vänster till höger. Längst till höger (ädelgaserna) har fullt med elektroner i det yttersta skalet och deltar ogärna i kemiska reaktioner.

Med "period" avses de horisontella raderna. Gemensamt för grundämnena i samma period är att de har valenselektroner i samma skal.

Alkalimetallerna

Gruppnamnet alkalimetaller kommer från att deras vattenlösningar blir alkaliska (basiska). Alla alkalimetaller har en metall-glänsande, silverfärgad färsk snittyta. De har bra elektrsik ledningsförmåga, densiteten är låg och metallen är mjuk. Väte är egentligen ingen alkalismetall, men den har placerats i grupp nummer ett eftersom den har en valenselektron. Eftersom den saknar en elektron för att få fullt skal kunde den lika gärna ha placerats bland halogenerna.

Gemensamt för alla grundämnen i grupp 1 är att de har en valenselektron och därmed liknande kemiska egenskaper. Valenselektronen är lätt att göra sig av med, så alkalimetallerna bildar joner med laddningen +1. För varje nytt elektronskal grundämnena får, desto längre från kärnan befinner sig valenslektronerna. Detta innebär att valenslektronerna blir allt lättare att bli av med för varje period neråt i periodiska systemet.

Alla alkalimetaller reagerar med den vattenånga som finns i luften, så den rena metallen måste förvaras i någon form av olja – litium reagerar långsammare än natrium, som reagerar långsammare än kalium. Alkalimetallerna har också mycket karakteristiska lågfärger (se bilden nedan), vilket ofta används i fyrverkerier för att få önskad färg.

Litium

 

Natrium

 

Kalium

 

På filmerna här ovan syns tydligt hur olika de tre alkalimetallerna litium, natrium och kalium reagerar när en liten bit läggs i vatten. Ju närmare kärnan den enda valenselektronen befinner, desto håradre hålls den kvar så att reaktionen blir långsammare. Den violetta/rosa färgen som uppstår efter ett tag beror på en pH-indikator som heter fenolftalein. Den är färglös i sura och neutrala lösningar, men har en tydlig violett/rosa färg i basisk (alkalisk) lösning, vilket har gett alkalimetallerna deras namn. Smällen beror på att det bildas vätgas som antänds av den värme som utvecklas.

2X(s) + 2H2O(l)  →  2X+(aq) + 2OH-(aq) + H2(g)            (X står för en generell alkalimetall)

Lågfärger

När man tillför energi till en metall, hoppar en eller flera elektroner upp till en högre nivå än deras egentliga plats. Detta är inget stabilt tillstånd, utan elektronerna vill tillbaka till det ursprungliga läget. Den tillförda energin avges då i form av ljus med en för ämnet specifik våglängd (färg). Alkalimetallerna är därför ganska lätta att identifiera genom deras lågfärg.

Alkaliska jordartsmetaller

Det mesta som angivits ovan för alkalimetallerna ovan, gäller även för de alkaliska jordartsmetallerna men de är inte lika reaktiva. Magnesium i ren form klarar sig i luft, men den antänds lätt och börjar då brinna med ett vitt sken. Namnet kommer från att de, precis som alkalimeteallerna, ger en alkalisk vattenlösning och att man på 1800-talet skilde dem från alkalimetallerna och de rena metallerna såsom koppar, järn och guld – allt som inte kunde kategoriseras som alkalimetaller och rena metaller kallades för jordarter. De alkaliska jordartsmetallerna har två valenselektroner och bildar joner med laddningen +2.

Lågfärger

Även de alkaliska jordartsmetallerna har en karaktäristisk lågfärg och är därför ganska lätta att identifiera.

Halogener

Halogenerna har alla sju valenselektroner och vill därför gärna ha en till för att uppfylla oktettregeln (fullt yttre skal). Ju närmare valenselektroner befinner sig från kärnan, desto större blir kraften från protonerna att dra till sig ytterligare en elektron. Fluor är därför det grundämne som är bäst på att attrahera elektroner. Denna förmåga minskar ju längre ner i gruppen man kommer eftersom valensektronerna då kommer allt längre från kärnan. Fluor och klor är gaser vid normalt tryck och temperatur, brom är en vätska och jod ett fast ämne. 

Kemiska föreningar som innehåller halogener slutar med -id, till exempel väteklorid (HCl).

Ädelgaser

Alla ädelgaser har fullt yttre skal och är därför inte intresserade av att bilda kemiska föreningar. Detta är också anledningen till att de är gaser vi normalt tryck och temperatur. Ädelgaserna är ganska ovanliga i naturen, men de förekommer i luften.

De allra tyngsta grundämnena

Atomradier

Natriumatomen har 11 protoner och 11 elektroner fördelade med två elektroner i skal 1, åtta  elektroner i skal 2 och en elektron i skal 3. 

Magnesiumatomen har 12 protoner och 12 elektroner fördelade med två elektroner i skal 1, åtta  elektroner i skal 2 och två elektron i skal 3. Den större kärnladdningen gör att elektronerna dras närmare kärnan jämfört med natriumatomen.

I det modifierade periodiska systemet nedan syns tydligt två trender – ju längre ner man kommer i samma grupp desto större blir radien. Detta förklaras av att det tillkommer ett skal för varje nytt grundämne. Man kan också se att radien blir mindre ju längre åt höger man kommer i varje period. Som visats ovan, dras elektronerna närmare kärnan ju fler protoner det finns där.
 

Bilden ovan visar bara de relativa förhållandena mellan de olika grundämnenas radier. De exakta värdena för de vanligaste grundämnena finns i formelsamlingar.

Förekomst

Alla ämnen som finns i det periodiska systemet går att hitta på jorden eller i atmosfären, men många av de tyngre grundämnena är radioaktiva och sönderfaller till mindre grundämnen. För en del kan detta gå mycket snabbt och det är därför svårt att hitta dem i naturen. Du lär dig mer om radioaktivitet och joniserande strålning i fysiken.

Syre och kisel är de vanligaste grund-ämnena  i jordskorpan. De bildar tillsammans bland annat mineralet kvarts, som är en viktig beståndsdel i många bergarter. Övriga grundämnen finns i mindre mängder, men de är mycket ojämnt fördelade. Större koncentrationer av metaller eller metallföreningar utvinns i gruvor.

Havsvatten består till största delen av av just vatten, men i havet finns också de flesta grundämnen lösta – inklusive guld! Av de lösta jonerna är natrium och klor absolut vanligast. De är de ämnen som finns i mindre mängd som till exempel ger havsvattnet sin bittra smak och förmåga att motstå försurning.

Alla levande organismer är uppbyggda på ungefär samma sätt, där nästan hela massan består av väte, syre och kol. Till detta kommer andra grundämnen som vi bara behöver i små mängder. Dessa är dock mycket viktiga för funktionen och kallas i biologin för mineraler, vilket egentligen är ett helt felaktigt begrepp. Ordet har dessutom nollplural.