Jaksollinen järjestelmä

Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä eli alkuainetaulukko on taulukko tunnetuista alkuaineista ryhmiteltynä niiden elektronirakenteen mukaan. Jaksollinen järjestelmä on kemian perustyökaluja. Sen avulla voidaan arvioida, mitkä alkuaineet muistuttavat toisiaan ja miten taulukossa lähekkäin olevat alkuaineet eroavat toisistaan. Lisäksi alkuaineiden ominaisuuksia, esimerkiksi atomimassoja, voidaan taulukoida jaksolliseen järjestelmään, mikä helpottaa tietojen löytämistä ja vertailemista.

Ryhmät, jaksot ja lohkot

Jaksollisen järjestelmän pystyrivejä kutsutaan ryhmiksi.^[1] Saman ryhmän alkuaineilla on samantapainen uloimman elektronikuoren rakenne, joten niiden ominaisuudet muistuttavat toisiaan. Esimerkiksi jalokaasut eivät juurikaan muodosta yhdisteitä, kun taas alkalimetallit reagoivat helposti ja muodostavat samantapaisia yhdisteitä.^[2]^[3] Toisaalta tiedetään, että jalokaasujen reaktiivisuus kasvaa ryhmässä alaspäin mentäessä.

Jaksollisessa järjestelmässä on 18 ryhmää.^[1] Kemian järjestö IUPAC suosittaa, että ne numeroidaan luvuin 1–18.^[4] Vanhempi käytäntö on ollut, että niin sanotut pääryhmät (1, 2, 13–18) merkittiin roomalaisin numeroin. Esimerkiksi ryhmä 14 eli hiiliryhmä on tällöin IV. Kolmas tapa on käyttää sekaisin kirjaimia A ja B sekä roomalaisia numeroita, jolloin ryhmät 1–8 ovat I A – VIII A ja ryhmät 11–18 I B – VIII B, esimerkiksi ryhmä 14 on IVB. Kirjainten A ja B käyttö sekä ryhmien numerointi vaihtelivat kuitenkin hyvin paljon eri kirjojen ja julkaisujen välillä. Esimerkiksi Yhdysvalloissa ja Euroopassa käytettiin erilaisia merkintätapoja. IUPAC suositteli tästä käytännöstä luopumista vuonna 1988.^[5]^[6] Nykyiset ryhmät 8–10 luettiin aikaisemmin yleensä yhdeksi ryhmäksi, johon poikkeuksellisesti kuului kustakin jaksosta kolme alkuainetta.

Jaksollisen järjestelmän vaakarivejä sanotaan jaksoiksi. Jakson numero ilmoittaa, kuinka monta miehitettyä elektronikuorta alkuaineella on.^[1] Jaksossa vasemmalta oikealle liikuttaessa alkuaineen järjestysluku eli protonien lukumäärä kasvaa. Alkuaineiden ominaisuudet vaihtelevat tavallisesti huomattavasti saman jakson sisällä. Metalliset alkuaineet sijaitsevat jakson alkupäässä vasemmassa reunassa ja epämetallit oikeassa reunassa.^[7]

Yksi tapa jakaa jaksollinen järjestelmä on myös atomiorbitaalien täyttymisjärjestykseen perustuen neljään lohkoon, jotka ovat s-, p-, d- ja f-lohkot.^[8] Ryhmät 1 ja 2 sekä helium kuuluvat s-lohkoon, p-lohkoon ryhmät 13–18 (paitsi helium), d-lohkoon ryhmät 3–12 (siirtymämetallit) ja f-lohkoon lantanoidit ja aktinoidit.^[6]

Ryhmä →

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

(I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII)

↓ Jakso

1

1
H

2
He

2

3
Li

4
Be

5
B

6
C

7
N

8
O

9
F

10
Ne

3

11
Na

12
Mg

13
Al

14
Si

15
P

16
S

17
Cl

18
Ar

4

19
K

20
Ca

21
Sc

22
Ti

23
V

24
Cr

25
Mn

26
Fe

27
Co

28
Ni

29
Cu

30
Zn

31
Ga

32
Ge

33
As

34
Se

35
Br

36
Kr

5

37
Rb

38
Sr

39
Y

40
Zr

41
Nb

42
Mo

43
Tc

44
Ru

45
Rh

46
Pd

47
Ag

48
Cd

49
In

50
Sn

51
Sb

52
Te

53
I

54
Xe

6

55
Cs

56
Ba

*

72
Hf

73
Ta

74
W

75
Re

76
Os

77
Ir

78
Pt

79
Au

80
Hg

81
Tl

82
Pb

83
Bi

84
Po

85
At

86
Rn

7

87
Fr

88
Ra

**

104
Rf

105
Db

106
Sg

107
Bh

108
Hs

109
Mt

110
Ds

111
Rg

112
Cn

113
Nh

114
Fl

115
Mc

116
Lv

117
Ts

118
Og

* Lantanoidit

57
La

58
Ce

59
Pr

60
Nd

61
Pm

62
Sm

63
Eu

64
Gd

65
Tb

66
Dy

67
Ho

68
Er

69
Tm

70
Yb

71
Lu

** Aktinoidit

89
Ac

90
Th

91
Pa

92
U

93
Np

94
Pu

95
Am

96
Cm

97
Bk

98
Cf

99
Es

100
Fm

101
Md

102
No

103
Lr


Alkalimetallit	Maa-alkalimetallit	Lantanoidit	Aktinoidit	Siirtymäalkuaineet
Muut metallit	Puolimetallit	Muut epämetallit	Halogeenit	Jalokaasut

Olomuoto normaaliolosuhteissa (0 °C ja 101 325 Pa)

Punaisella numeroidut ovat kaasuja.
Violetilla numeroidut ovat nesteitä.
Mustalla numeroidut ovat kiinteitä.
Harmaalla numeroitujen (transaktinoidien) ominaisuuksia ei tunneta.

Esiintyvyys

Yhtenäisellä viivalla ympäröityjä alkuaineita löytyy luonnosta ja katkoviivalla ympäröityjä alkuaineita saadaan vain keinotekoisesti valmistettuna. Osaa luonnosta löytyvistä alkuaineista, kuten esimerkiksi teknetiumia (Tc, järjestysluku 43), prometiumia (Pm, 61), poloniumia (Po, 84), astatiinia (At, 85) ja plutoniumia (Pu, 94), löytyy luonnosta ainoastaan uraanin tai muiden radioaktiivisten aineiden hajoamistuotteina. Niitä ei ole eroteltu taulukkoon luonnosta löytyvistä alkuaineista erikseen.

Säännönmukaisuudet

Ionisoitumisenergian jaksollinen trendi

Jaksollinen järjestelmä on saanut nimensä siitä, että monet ominaisuudet muuttuvat siinä säännöllisesti (”jaksollisesti”). Seuraavat säännönmukaisuudet pätevät useimmissa tapauksissa:

Atomimassat kasvavat jaksossa vasemmalta oikealle ja ryhmässä ylhäältä alaspäin kuljettaessa. Poikkeuksia tähän ovat argon (järjestysluku 18, atomimassa 39,95 u) ja kalium (järjestysluku 19, atomimassa 39,10 u), koboltti (järjestysluku 27, atomimassa 58,93 u) ja nikkeli (järjestysluku 28 ja atomimassa 58,69 u) sekä uraani (järjestysluku 92, atomimassa 238,03 u) ja neptunium (järjestysluku 93, atomimassa 237,05 u). Tämä johtuu siitä, että argonin, koboltin ja uraanin luonnossa esiintyvistä isotoopeista raskaimmat ovat yleisimpiä, jolloin painotettuna keskiarvona laskettu atomimassa on suurempi kuin järjestysluvultaan suuremmalla alkuaineella.^[9]
Atomisäteet pienenevät vasemmalta oikealle ja suurenevat alaspäin siirryttäessä. Atomisäteen pieneneminen jaksossa vasemmalta oikealle selittyy tehollisella ydinvarauksella. Siirryttäessä oikealle kasvaa protonien lukumäärä, mikä lisää elektronien kokemaa efektiivistä ydinvarausta. Elektronien lukumäärän kasvaessa alemmilla kuorilla olevien elektronien aiheuttaman niin kutsutun suojauksen merkitys heikkenee, mikä lisää tehollista ydinvarausta. Tämän vuoksi ytimen protonit vetävät elektroneja voimakkaammin puoleensa ja atomisäde pienenee. Atomisäde kasvaa alaspäin mentäessä, koska orbitaalien koko kasvaa ja uloimmat elektronit kokevat pienemmän ydinvarauksen alempien kuorien orbitaaleilla olevien elektronien suojauksen vuoksi.^[10]^[11]
Elektronegatiivisuudet pienenevät kuljettaessa ryhmässä alaspäin ja kasvavat jaksoissa vasemmalta oikealle.^[12]
Ionisoitumisenergiat kasvavat vasemmalta oikealle ja pienenevät ryhmässä alaspäin siirryttäessä. Ionisaatioenergian kasvaminen siirryttäessä jaksossa vasemmalta oikealle on myös selitettävissä pienemmällä suojauksella. Pienemmän suojauksen vuoksi elektronit kokevat suuremman tehollisen ydinvarauksen ja energia, joka vaaditaan elektronin irrottamiseen on suurempi. Kuljettaessa ryhmää alaspäin suojaus kasvaa ja tehollinen ydinvaraus pienenee. Elektronit ovat tällöin myös kauempana ytimestä, jolloin ne ovat helpommin irrotettavissa ja ionisoitumisenergia pienenee.^[10]^[11]

Historia

Dmitri Mendelejev. Ilja Repinin maalaama muotokuva vuodelta 1885.

Alkuaineita yritettiin 1800-luvulla järjestää atomipainon mukaan monella eri tavalla. Johann Wolfgang Döbereiner mainitsi vuonna 1826 julkaisemassaan atomipainojen taulukossa, että useissa tapauksissa toisiaan eniten muistuttavat alkuaineet muodostivat kolmen alkuaineen ryhmiä, triadeja, joissa yhden alkuaineen atomipaino oli lähellä kahden muun atomipainojen keskiarvoa. Tällaisia triadeja muodostivat kalsium, strontium ja barium, kloori, bromi ja jodi, litium, natrium ja kalium sekä rikki, seleeni ja telluuri.^[13]

Newlandsin vuonna 1866 esittämä jaksollinen järjestelmä perustui oktaavilakiin.

Vuonna 1865 englantilainen kemisti John Newlands esitti teorian, että kun alkuaineet järjestetään kasvavan atomipainon mukaiseen järjestykseen, havaitaan samankaltaisia toistuvia jaksoja ominaisuuksissa kahdeksan alkuaineen välein. Hän nimitti teoriaansa oktaavilaiksi. Newlandsin teoriaa ei yleisesti hyväksytty ja häntä kehotettiin etsimään samankaltaisuuksia järjestämällä alkuaineet aakkosjärjestykseen.^[14]^[15]

Mendelejevin jaksollisen järjestelmän ensimmäinen versio vuodelta 1869. Nykyisestä käytännöstä poiketen jaksot esitettiin pystysuorissa sarakkeissa ja ryhmät vaakasuorilla riveillä.

Nykyisen kaltaisen jaksollisen järjestelmän julkaisi ensimmäisenä venäläinen Dmitri Mendelejev vuonna 1869. Saksalainen Lothar Meyer oli kehittänyt samoihin aikoihin oman alkuainetaulukkonsa.^[13]

Mendelejev ennusti jaksollisen järjestelmänsä avulla, että olisi olemassa kolme aiemmin tuntematonta alkuainetta. Hän myös arvioi tarkasti niiden ominaisuuksia. Kun nämä alkuaineet – gallium, skandium ja germanium – löydettiin ja niiden, etenkin galliumin, ominaisuudet näyttivät olevan lähellä Mendelejevin ennustetta, jaksollinen järjestelmä hyväksyttiin laajasti ja sen käyttö yleistyi 1880-luvulla.^[16] Myöhemmin siihen jouduttiin kuitenkin lisäämään kokonaan uusi ryhmä eli sarake, kun löydettiin jalokaasut.^[13] Harvinaisten maametallien sijoittamista järjestelmään pidettiin myös pitkään ongelmallisena, sillä ne jouduttiin sijoittamaan samaan ruutuun, ja vasta röntgensäteilyn spektrit tekivät mahdolliseksi selvittää, kuinka monta niitä kaikkiaan oli.^[17]

Mendelejevin mukaan järjestelmä osoitti, että alkuaineen ominaisuudet riippuivat sen atomipainosta. Ominaisuuksiensa vuoksi esimerkiksi telluuri ja jodi jouduttiin kuitenkin sijoittamaan päinvastaiseen järjestykseen kuin niiden atomipainot edellyttivät. Mendelejev epäili tämän johtuvan siitä, että telluurin atomipaino oli mitattu väärin.^[18] Vuonna 1913 Henry Moseley osoitti alkuaineiden röntgenspektrien avulla, että jokaisen alkuaineen atomin ytimellä on tietyn suuruinen sähkövaraus, joka kasvaa aina saman verran siirryttäessä jaksollisessa järjestelmässä alkuaineesta seuraavaan. Koska ytimen varaus osoitti suoraan alkuaineen paikan järjestelmässä, sitä alettiin kutsua alkuaineen järjestysluvuksi.^[19]

Vuonna 1922 Niels Bohr osoitti, kuinka alkuaineiden kemiallisissa ominaisuuksissa havaitut säännönmukaisuudet voitiin selittää atomin rakenteen perusteella. Tämän vuoksi hän täydensi jo aiemmin esittämäänsä atomimallia seuraavilla lisäoletuksilla:

ydintä kiertävät elektronit täyttävät eri elektronikuoria järjestyksessä sisältä ulospäin,
kullekin kuorelle mahtuu vain tietty määrä elektroneja, ja
ionisoituessaan atomi pyrkii tilaan, jossa sen uloimmallakin kuorella on suurin mahdollinen määrä elektroneja.^[20]

Tältä pohjalta Bohr selitti ionisidoksen muodostumisen: Jos uloimmalla kuorella on vain yksi tai muutama elektroni, ne irtoavat helposti ja atomista tulee positiivinen ioni. Jos taas uloimmalla kuorella siellä on vain yksi tai muutama vähemmän kuin sinne mahtuisi, atomi ottaa helposti vastaan lisää elektroneja niin, että tämä kuori täyttyy.

Oletusta (2) voitiin myöhemmin tarkentaa niin, että sen pohjalta muotoiltiin Paulin kieltosääntö, kun taas oletus (3) vastaa sitä, mikä nykyisin tunnetaan oktettisääntönä. Gilbert Newton Lewis täydensi teoriaa myöhemmin selittämällä atomin rakenteen avulla myös kovalenttisen sidoksen muodostumisen.^[21]

Järjestelmän lyhyt ja pitkä muoto

Mendelejev esitti jaksollisen järjestelmän niin sanotussa lyhyen järjestelmän muodossa, jota yleisesti käytettiin vielä pitkään 1900-luvulla. Siinä alkuaineet sijoitettiin pääryhmien mukaan niin, että vastaavien A- ja B-ryhmien (esimerkiksi I A- ja I B -ryhmien eli nykyisten 1. ja 11. ryhmien, samoin IV A ja IV B-ryhmien eli nykyisten 4. ja 14. ryhmien) alkuaineet sijoitettiin samaan sarakkeeseen ja nykyiset jaksot neljännestä lähtien jakautuivat kahdelle riville. Tässä järjestelmässä A- ja B-ryhmien alkuaineet eroavat kuitenkin ominaisuuksiltaan selvästi, joskin niillä on myös yhtäläisyyksiä^[22], esimerkiksi monien sekä A- että B-ryhmien alkuaineiden korkein ja usein myös yleisin hapetusaste on sama kuin ryhmän näin määritelty järjestysnumero.

Mendelejevin järjestelmän uusittu versio vuodelta 1871. Alkuaineet oli jaettu kahdeksaan ryhmään. Viivat tarkoittavat alkuaineita, joita tuolloin ei vielä tunnettu.

Jakso

I

II