Periodiek systeem

Laatste bijwerking : 2022.2.11

Alle atomen bestaan uit drie kleine deeltjes : elektronen, protonen en neutronen. Het aantal protonen bepaalt het gewicht van het atoom.

In deze tabel van Mendelejev (1834-1906) staan alle bekende elementen op volgorde van Atoomnummer zodanig ingedeeld dat de elementen uit dezelfde "periode" naast elkaar staan en elementen uit dezelfde "groep" boven elkaar. Tevens staan de elementen die tot hetzelfde "blok" en dezelfde "reeks" behoren ook bij elkaar in de buurt.

Men onderscheidt zo groepen (18, kolom, verticaal) en perioden (7, rij, horizontaal) met in totaal 92 elementen. Het zwaarste natuurlijke element is uranium (atoomnummer 92) ; alle andere zwaardere elementen zijn kunstmatige elementen : de transuranium-elementen : neptunium (93) tot ununhexium (116).

Omdat de buitenste elektronen de chemische eigenschappen bepalen, neigen die gelijk te zijn binnen een groep. Aangrenzende elementen in een kolom (groep) hebben vergelijkbare chemische eigenschappen, alhoewel ze een heel andere Atoommassa kunnen hebben. Zij vormen een chemische familie.

Aangrenzende elementen binnen een periode (rij) hebben een vergelijkbare massa maar verschillende chemische eigenschappen.

Overzicht inhoud :

Periodiek systeem : blokken

Periodiek systeem : groepen

Periodiek systeem : perioden

Periodiek systeem : reeksen

Periodiek systeem : reductoren en oxidatoren

Inhoud :

Periodiek systeem - blokken

De groepen en perioden binnen het "Periodiek systeem" vormen blokken

Blokken	met opgevulde buitenste	elektronenconfiguratie
s-blok	s-banen	[X]nsx
d-blok	d-banen	[X]ndxnsx
f-blok	f-banen	[X]nfxndxnsx
p-blok	p-banen	[X]ndxnsxnpx

s en p blokken : bevatten stabiele elementen

f blok : bevat niet stabiele elementen (opvulling van f-schil)

d-blok : bevat de zogenaamde "overgangsmetalen" :

- bezitten bijzondere chemische en fysische eigenschappen en zijn juist die elementen waarbij aanvankelijk 'vergeten' 3d-banen worden opgevuld (Zie : Elektronenconfiguraties, Schillen). De meeste ervan kunnen optreden in verschillende valenties en hun zouten zijn gekleurd.

- bij de overgangselementen zijn de 3d-elektronen nauwelijks vaster gebonden dan de buitenste s-elektronen.

- de onvolledig gevulde 3d-banen zijn de oorzaak dat er aangeslagen toestanden (oxidatietoestanden) van het ion bestaan die slechts weinig meer energie bezitten dan de grondtoestand; daardoor absorberen deze ionen licht uit het zichtbare deel van het spectrum, wat maakt dat zij gekleurd zijn.

- overgangselementen zijn goede reductoren : ze worden dus gemakkelijk geoxideerd.

vb. Fe³⁺ naar Fe²⁺

- overgangselementen zijn complexvormers : door hun gedeeltelijk gevulde 3d-baan kunnen de overgangselementen 1 of meerdere coördinatieve bindingen met andere atomen vormen, waardoor complexe verbindingen ontstaan.

Elektronenconfiguratie en kleur van gehydrateerd metaal-ionen :

Gehydrateerd ion van				Kleur van het gehydrateerd ion
	K	L	M
Fe ²⁺	2	8	14	groen
Fe ³⁺	2	8	13	bruin
Cr ²⁺	2	8	12	lichtblauw
Cr ³⁺	2	8	11	violet
Co ²⁺	2	8	15	rose
Co ³⁺	2	8	14	bruin
Ni ²⁺	2	8	16	groen
Cu ²⁺	2	8	17	blauwgroen

- voorbeelden :

1. - Cu kan 2+ waardig zijn, alhoewel op de buitenste schil 1 elektron
  - Zn kan slechts 2+ waardig zijn, niettegenstaande 10d elektronen
  - Fe, Co, Ni kunnen 2 of 3 waardig zijn
  - Cr kan 1+, 2+, 3+, 5+ en 6+ waardig zijn : heeft 5 d-elektronen

Periodiek systeem - groepen

De elementen van het "Periodiek Systeem" kunnen in een aantal groepen worden ingedeeld, op basis van chemische kenmerken die zij gemeen hebben.

De meeste groepen vallen samen met de kolommen van het systeem.

Vaak wordt een groep vernoemd naar het eerste element in de groep, zoals bijvoorbeeld de boorgroep. Andere groepen hebben vaak om historische redenen een aparte naam, zoals bijvoorbeeld de edelgassen.

Groepen :

1. Alkalimetalen :
1. - vroeger bekend als groep Ia
  - elementen : H (niet metaal) en de alkalimetalen Li, Na, K, Rb, Cs, Fr
  - oxidatietoestand : +1 : buitenste schil bevat 1 elektron : is niet sterk gebonden en wordt dan ook gemakkelijk afgestaan met vorming van een eenwaardig positief ion (kation)
  - elektronenconfiguratie : [X]ns1 waarbij [X] staat voor een edelgas
  - deze metalen zijn daarom uitstekende reductoren en bijzonder onedel
  - hun zouten zijn in het algemeen goed oplosbaar in water
  - waterstof (H) is
  - - een speciaal geval doch wordt meestal tot de alkalimetalen gerekend, alhoewel het zich ook als halogeen (groep 17) kan gedragen
    - een twee-atomig gas, hoewel het bij hoge druk wel een metaal kan vormen.

1. Aardalkalimetalen :
1. - vroeger bekend als groep IIa
  - elementen : Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra
  - oxidatietoestand : +2 : buitenste schil bevat 2 elektronen : zijn niet sterk gebonden en worden dan ook gemakkelijk afgestaan met vorming van een tweewaardig positief ion (kation)
  - elektronen configuratie : [X]ns2 waarbij [X] staat voor een edelgas
  - deze metalen zijn daarom uitstekende reductoren en bijzonder onedel
  - hun zouten zijn in het algemeen oplosbaar in water, doch minder dan de zouten van alkalimetalen; de oxiden zijn basisch.

1. Scandiumgroep :
  - vroeger bekend als groep IIIb
  - bevat de overgangselementen Sc en Y, alsook de groep van de lanthaniden en de actiniden
  - oxidatietoestand : +3 : buitenste schil bevat 3 elektronen : 2 in de s-subschil en 1 in de d-subschil
  - deze elementen zijn eerder zeldzaam, sommige enkel kunstmatig aan te maken.

1. Titaangroep :
  - vroeger bekend als groep IVb
  - elementen : Ti, Zr, Hf, Rf
  - oxidatietoestand : +4 : buitenste schil bevat 4 elektronen : 2 in de s-subschil en 2 in de d-subschil
  - deze elementen zijn zeer corrosiebestendig.

1. Vanadiumgroep :
  - vroeger bekend als groep Vb
  - elementen : V, Nb, Ta, Db
  - oxidatietoestand : +5 (meest voorkomende doch +2 en +3 komen ook regelmatig voor).

1. Chroomgroep :
  - vroeger bekend als groep VIb
  - elementen : Cr, Mo, W, Sg
  - oxidatietoestand : +6 : buitenste schil bevat 6 elektronen in de s- en d-subschil
  - deze elementen zijn uitzonderlijk harde metalen.

1. Mangaangroep :
1. - vroeger bekend als groep VIIb
  - elementen : Mn, Tc, Re, Bh
  - oxidatietoestand : +7 : buitenste schil bevat 7 elektronen in de s- en d-subschil (+4 komt ook voor).

8, 9, 10 Platinagroep :

1. - vroeger bekend als groep VIIIb
  - elementen : Fe, Ru, Os, Hs, Co, Rh, Ir, Mt - Ni, Pd, Pd, Ds
  - oxidatietoestand : +8, zelfs +9...
  - deze elementen zijn alle min of meer edele metalen (ijzer het minst, platina het meest); ze hebben vaak een rijke chemie en een grote verscheidenheid aan oxidatie-toestanden.

11. Kopergroep :

1. - vroeger bekend als groep Ib
  - elementen : Cu, Ag, Au, Rg
  - oxidatietoestand : +1 met een volle nd10 elektronenconfiguratie ; andere oxidatie-toestanden kunnen voorkomen
  - deze elementen zijn vrij zachte metalen, relatief inert met geleidende eigenschappen.

12. Zinkgroep :

1. - vroeger bekend als groep IIb
  - elementen : Zn, Cd, Hg
  - oxidatietoestand : +2 met een volle buitenste d- en s-subschil : nd10(n+1)s2; zij neemt steeds meer het karakter aan van een edelgasconfiguratie
  - deze elementen zijn matige goede elektrische geleiders; zij vormen zouten met halogenen (MX2) en met elementen uit de zuurstofgroep (MX)
  - gaande van Zn --> Cd --> Hg worden de elementen steeds vluchtiger, edeler en krijgen een lager smeltpunt.

13. Boorgroep :

1. - vroeger bekend als groep IIIa
  - elementen : B, Al, Ga, In, TI
  - oxidatietoestand : overwegend +3 in ns2np1 configuratie
  - deze elementen verliezen gemakkelijk deze 3 buitenelektronen.

14. Koolstofgroep :

1. - vroeger bekend als groep IVa
  - elementen : C, Si, Ge, Sn, Pb
  - oxidatietoestand : overwegend +2 en +4 vooral in oxiden
  - covalentie speelt een bijzondere rol in de chemie van deze groep, vooral bij koolstof.

15. Stikstofgroep :

1. - vroeger bekend als groep Va
  - elementen : N, P, As, Sb, Bi
  - oxidatietoestand : +3 op de buitenste p-schil
  - dit is de enige groep in het Periodiek Systeem waarbij de overgangen van metaal naar niet-metaal en van zuurvormend naar basevormend zo duidelijk naar voren komt
  - het lichtste element uit de groep, stikstof (N), is een niet-metaal en een matig sterke oxidator in reacties met metalen
  - het zwaarste element uit de groep, bismuth (Bi), is reeds duidelijk een metaal
  - stikstof en fosfor (P) zijn biologisch van groot belang : ze maken deel uit van eiwitten en nucleïnezuren.

16. Zuurstofgroep :

1. - vroeger bekend als groep VIa
  - elementen : O, S, Se, Te, Po
  - oxidatietoestand : +4 op de buitenste p-schil
  - deze elementen kunnen hierdoor als oxidator en als reductor optreden.

17. Halogenen :

1. - vroeger bekend als groep VIIa
  - elementen : F, Cl, Br, I, At
  - oxidatietoestand : -1 met 7 elektronen op buitenste p-schil, dicht bij de edelgasconfiguratie (dus vrij stabiel)
  - deze elementen zijn sterke oxidatoren (vooral F en dan dalend naar beneden in de kolom)
  - ze vormen gemakkelijk zouten met metalen; met waterstof wordt HX gevormd, wat een zuur is
  - naar beneden gaande in de kolom is het gevormde zuur sterker.

18. Edelgassen :

1. - vroeger bekend als groep O
  - elementen : He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
  - oxidatietoestand : 8 elektronen op schil = octet = edelgasconfiguratie (dus erg stabiel of inert)
  - deze elementen komen dus ook alleen voor als mono-atomaire gassen die geen verbinding aangaan met andere elementen.

Periodiek systeem - perioden

De elementen van het "Periodiek Systeem" kunnen in een aantal perioden ingedeeld worden op basis van hun elektronenconfiguratie. Elke periode eindigt aan de rechterkant van het "Periodiek Systeem" met een edelgas (edelgassen bevatten 8 elektronen (4 paren, octetstructuur) in de buitenste schil en zijn hierdoor zeer stabiel).

Omdat de schillen niet allemaal evenveel elektronen kunnen bevatten zijn de perioden niet allemaal even lang. De periodenummers staan regelrecht in verband met het hoofdkwantumnummer "n" van de schil die in die periode wordt opgevuld.

Perioden	elektronenconfiguratie
Periode 1	1s
Periode 2	[He]2s2p
Periode 3	[Ne]3s3p
Periode 4	[Ar]3d4s4p
Periode 5	[Kr]4d5s5p
Periode 6	[Xe]4f5d6s6p
Periode 7	[Rn]5f6d7s

Periodiek systeem - reeksen

Overgangsmetalen :

Een overgangsmetaal is een element uit het d-blok van het Periodiek Systeem.

Men onderscheidt :

1. - de 3d-overgangsmetalen van scandium tot zink
  - de 4d-overgangsmetalen van yttrium tot cadmium
  - de 5d-overgangsmetalen van lanthaan (of beter : lutetium) tot kwik
  - Rutherfordium tot Roentgenium.

Hoofdgroepmetalen :

De zware elementen uit de boorgroep, koolstofgroep en de stikstofgroep worden ook wel de hoofdgroepmetalen genoemd om hen te onderscheiden van de overgangsmetalen, de lanthaniden en de actiniden. De alkali-metalen en de aardalkali-metalen worden soms ook tot de hoofdgroepmetalen gerekend.

Zij bezitten elektronen in de buitenste p of s-subschil,

Deze elementen kennen minder met elkaar concurrerende oxidatietoestanden. In tegenstelling tot de d- en f- metalen zijn de ionen vaak niet gekleurd.

Metalloïden :

Zij zijn te vinden in het Periodiek Systeem op de diagonaal van het P-blok van links boven Boor naar rechts beneden Astatium.

De reden hiervoor is dat de elektronegativiteit juist langs de andere diagonaal toeneemt.

De elektronegativiteit is een maat voor de neiging van een atoom, dat een chemische binding aangaat met een buuratoom, om de gezamelijke elektronenwolk naar zich toe te trekken. Het verschil in elektronegativiteit tussen twee elementen bepaalt de natuur van de chemische binding : covalente binding indien de elektronegativiteit zwak is, ionenbinding als het verschil belangrijker is.

De elektronegativiteit neemt diagonaal toe in het periodiek systeem : Francium en Cesium (links onder) hebben de laagste waarde, fluor rechts boven de hoogste.

Lanthaniden :

Zijn een groep van 15 elementen met Atoomnummer 57 tot 71.

In deze serie wordt de "4f" subschil opgevuld.

Actiniden :

Zijn een serie van 15 elementen met atoomnummer 89 tot 103.

In deze serie wordt de "5f" subschil opgevuld.

Reductoren en oxidatoren :

In het periodiek systeem :

Elementen uit de groepen Ia, IIa, IIIa en IVa geven eerder elektronen af : worden dan positief geladen : dit zijn dus reductoren.

Elementen uit de groepen Va, VIa en VIIa nemen eerder elektronen op : worden dan negatief geladen : het zijn oxidatoren.

De oxidatietoestand (of oxidatiegetal of oxidatiegraad of redoxtoestand) is de som van alle positieve en negatieve ladingen in een atoom.

Een atoom kan elektronen opnemen of afgeven : indien elektronen worden opgenomen treedt het atoom op als een oxidator; indien het elektronen afgeeft, treedt het atoom op als een reductor.

1. - het reducerend vermogen stijgt van boven naar onder in groep 1/Ia (Metalen) en van rechts naar links van groep VIIa (Niet metalen) naar Ia.
  - het oxiderend vermogen stijgt van onder naar boven in groep 7/VIIa (Niet metalen) en van links naar rechts van groep Ia naar VIIa.
  - de tussenliggende elementen (de overgangselementen) hebben een reducerend/oxiderend vermogen welke diagonaal toeneemt of afneemt.
  - de sterkste reductoren (afgifte elektronen) staan links onderaan in het Periodiek Systeem (groep 1/Ia, Metalen). Ze worden dus gemakkelijk geoxideerd.
  - de sterkste oxidatoren (opnamen elektronen) staan rechts bovenaan in het Periodiek Systeem (groep 7/VIIa, niet metalen). Zij worden dus gemakkelijk gereduceerd. Zij veroorzaken vrije radicalen (F,O,Cl ).

Bij de ionbinding speelt de aanwezigheid van een sterkere oxidator een rol bij het voorkomen van een andere oxidatietoestand van het te binden ion.

Vb. zwavel (S)

zwavel

1. - kan 1 of 2 elektronen opnemen : oxidatietoestand -2 en -1 (optredend als oxidator)

1. - 2, 4 of 6 elektronen afstaan : oxidatietoestand +2, +4 en +6 (optredend als reductor)

De oxidatietoestand kan dus positief of negatief zijn.

Een atoom met een oxidatietoestand anders dan 0 heet een "ion".

Opgelet :

Een atoom kan ook elektronen delen : bijvoorbeeld koolstof. Het uitgeleende elektron wordt dan gemeenschappelijk : CH₄.

De atomen C en H worden niet positief of negatief geladen.

Deze producten zijn dus oxidator noch reductor, slaan nooit neer, maar zijn wel onoplosbaar.

(zie ook : "Elektronenconfiguraties, covalente binding").