Forta si Gratie

Tabelul periodic al elementelor - interpretare

Observam ca tabelul periodic al elementelor se imparte in 7 culoare orizontale si 18 verticale. Fiecare element din tabel se gaseste in diferite puncte de intersectie a celor doua culoare.

Culoarele orizontale numerotate 1-7 ne vorbesc despre numarul de orbitali (straturi) pe care sunt dispusi electronii in jurul nucleului atomic in cadrul fiecarui element din tabel. Observam astfel ca Hidrogenul (H) si Heliul (He) poseda un singur orbital, Potasiul (K) si Calciul (Ca) poseda 4 orbitali, in timp ce Franciul (Fr) si Radiul (Ra) dispun de 7 orbitali pe care se gasesc dispusi electroni.

Modul algoritmic in care electronii completeaza orbitalele atomice in cazul fiecarui element in parte ne este indicat intr-o prima faza de catre tabelul periodic daca privim la numarul de electroni ai elementului care incheie o categorie orizontala de elemente si respectiv la numarul de electroni ai elementului care o deschide pe urmatoarea.

Spre exemplu:

Heliul este ultimul element (extrema dreapta) din primul culoar orizontal de elemente (corespunzator atomilor cu un singur orbital). Litiul este primul element (extrema stanga) de pe culoarul orizontal imediat urmator (corespunzator atomilor cu doi orbitali).

Observam parcurgand elementele din tabel de la stanga la dreapta prin culoarele orizontale de la 1 la 7, ca elementele se succed unul dupa altul in ordinea consecutiva a cresterii numarului de electroni care orbiteaza in jurul nucleului atomic. H are 1 electron, He are 2 electroni, Li are 3 electroni, s.a.m.d. Electronii 1 si 2 corespund orbitalului 1, de la electronul 3 se trece pe orbitalul 2. Asadar toate elementele care au mai mult de 2 electroni au cel putin 2 orbitali: primul orbital contine fix 2 electroni, al doilea orbital contine 1 electron in cazul Litiului, 2 electroni in cazul Beriliului, 3 in cazul Borului si, progresiv, adaugandu-se cate un electron se parcurge integral culoarul al 2-lea de elemente din tabelul periodic aferent atomilor care poseda 2 orbitali cu electroni, orbitalul 1 fiind la toate elementele acelasi, orbitalul 2 fiind cel care diferentiaza elementele intre ele prin numarul de electroni care se misca in aceasta zona. Culoarul al 2-lea se incheie cu elementul Neon, care poseda 10 electroni dispusi pe 2 orbitali, din care 2 electroni pe primul orbital si 8 electroni pe cel de-al doilea.

Urmatorul element din tabelul periodic si cu care incepe totodata cel de-al 3-lea culoar orizontal (extrema stanga) este Sodiul (Na). Deja el are 11 electroni si 3 orbitali pe care acestia graviteaza in jurul nucleului atomic. Pentru primii doi orbitali se pastreaza dispunerea de la Neon (2 electroni pe orbitalul 1, 8 electroni pe orbitalul 2), iar cel de-al 3-lea orbital este acum populat cu 1 electron. Parcurgand de la stanga la dreapta culoarul al treilea de elemente din tabel, constatam ca fiecare element care se succede primeste cate un electron pe orbitalul 3, astfel incat, daca Sodiul (Na) avea 1 electron pe orbitalul 3 din 11 electroni in total, Magneziul are 2 electroni pe orbitalul 3 (din 12 in total), Aluminiul are 3 electroni pe orbitalul 3 (din 13 in total) si asa mai departe. Culoarul 3 se incheie cu elementul Argon care are 8 electroni pe orbitalul 3 din 18 in total.

Trecand la urmatorul culoar orizontal, cel de-al 4-lea, observam ca acesta se deschide cu elementul Potasiu (K) care are 19 electroni in total, dispusi pe 4 orbitali, primii 3 orbitali respectand configuratia ultimului element din culoarul anterior (adica Argon), in timp ce diferenta dintre elemente o face numarul de electroni care se adauga progresiv pe masura ce parcurgem, element cu element, culoarul 4 de la stanga la dreapta. Asadar culoarul 4 incepe cu Potasiul (K) avand 1 electron pe orbitalul 4 (dintr-un total de 19 electroni) si se incheie cu elementul Kripton (Kr) avand 9 electroni pe orbitalul 4. Pentru prima data observam insa ca intervine in acest al 4-lea culoar orizontal o zona (cuprinsa intre elementele Scandiu si Zinc) care prezinta o proprietate noua: cresterea progresiva a numarului de electroni nu mai are loc prin dispunerea electronilor pe ultimul orbital (al 4-lea) ci pe orbitalul penultim, in acest caz 3, repornind numaratoarea crescatoare a dispunerii electronilor pe acest orbital de acolo de unde a fost lasata odata cu ultimul element din culoarul al 3-lea (extrema dreapta), si anume Argon. Acesta insuma 8 electroni pe orbitalul 3, iar acum exact acest orbital 3 va fi in continuare populat cu electroni: Scandiu 9, Titan 10, etc.

Fenomenul acesta este important de explicat pentru a intelege modul in care electronii din jurul nucleelor atomice se aranjeaza in configuratii cu anumite atribute ce diferentiaza intre ele structurile de materie si le confera acestora proprietatile pe care le cunoastem azi.

Exista 7 straturi principale numite orbitali, pe care electronii se aranjeaza si graviteaza in jurul nucleelor atomice. Cu cat orbitalul se afla mai departe de nucleul atomic, cu atat electronii trebuie sa aiba o energie mai mare (o stare de excitatie mai pronuntata necesara pentru a ramane departe de nucleu), populand astfel orbitali tot mai indepartati. Cu cat orbitalul este mai aproape de nucleu, cu atat starea de excitatie a electronilor este mai scazuta si energia mai mica.

Electronii populeaza orbitalii pornind de la cel cu nivelul energetic cel mai scazut (orbitalul cel mai apropiat de nucleu) si ajungand treptat, prin completarea locurilor disponibile, la nivelul energetic cel mai ridicat, corespunzator orbitalului cel mai indepartat de nucleu.

S-a convenit sa se denumeasca Orbitalul 1 ca fiind orbitalul cel mai putin energetic (pe care electronii il completeaza primul), asadar cel mai apropiat de nucleu, in timp ce Orbitalul 7 va fi cel mai indepartat de nucleu si cel mai energetic, practic orbitalul pe care electronii il populeaza ultimul. Nu exista elemente pe care sa le cunoastem azi ai caror atomi sa detina electroni dispusi pe mai mult de 7 orbitali.

Notatia stiintifica pentru cei 7 orbitali s-a convenit a fi: s, p, d, f, g, h, i. Totusi, lucrurile nu sunt atat de simple si nu se opresc aici. Fiecare orbital (exceptandu-l pe primul) este alcatuit la randul lui din suborbitali.

- Primul ORBITAL are un singur suborbital care se confunda cu orbitalul principal. S-a convenit notarea lui: 1s.
- Al doilea ORBITAL are 2 suborbitali. S-a convenit notarea lor: 2s, 2p
- Al treilea ORBITAL are 3 suborbitali: 3s, 3p, 3d.
s.a.m.d.
- Al 7-lea ORBITAL are 7 suborbitali: 7s, 7p, 7d, 7f, 7g, 7h, 7i.

Pe fiecare dintre aceste subnivele se pot un afla un numar maxim de electroni dati de formula:
2 x (n x 2 - 1), unde n este subnivelul (de la 1 la 7, aferent s .. i)

Asadar, avem:

- Pe orice suborbital de tip s, un numar maxim de electroni 2 x (1x2 - 1) = 2 x 1 = 2
- Pe orice suborbital de tip p, un numar maxim de electroni 2 x (2x2 - 1) = 2 x 3 = 6
- Pe orice suborbital de tip d, un numar maxim de electroni 2 x (3x2 - 1) = 2 x 5 = 10
- Pe orice suborbital de tip f, un numar maxim de electroni 2 x (4x2 - 1) = 2 x 7 = 14
- Pe orice suborbital de tip g, un numar maxim de electroni 2 x (5x2 - 1) = 2 x 9 = 18
- Pe orice suborbital de tip h, un numar maxim de electroni 2 x (6x2 - 1) = 2 x 11 = 22
- Pe orice suborbital de tip i, un numar maxim de electroni 2 x (7x2 - 1) = 2 x 13 = 26

Suprinzator este ca, orbitarea electronilor nefiind perfect circulara, nivele energetice ale suborbitalilor nu sunt perfect crescatoare de la un orbital la altul. Astfel ca un suborbital de pe nivelul orbital 4 poate avea o energie mai mica decat un suborbital de pe nivelul orbital 3, asadar ordinea popularii cu electroni a orbitalilor nu este de la orbitalul 1 la orbitalul 7, ci variaza.

Este exact fenomenul datorita caruia se intampla dispunerea atipica a electronilor in cazul elementelor din tabelul periodic incepand de pe culoarul al 4-lea cu elementul Scandium, constand in faptul ca electronii nu continua sa apara pe orbitalul 4, ci pe 3. Intreaga zona de elemente din tabelul periodic cuprinsa intre culoarul orizontal 4 si culoarul orizontal 7, respectiv culoarul vertical 3 si culoarul vertical 12 este zona in care aceste fenomene se petrec pe diferiti orbitali si confera anumite proprietati comune tuturor elementelor de aici, aceasta categorie de elemente din tabelul periodic fiind supranuita si A METALELOR DE TRANZITIE.

In ce ordine se intampla mai exact completarea electronilor pe nivelele orbitale si suborbitale ale atomilor din zona metalelor de tranzitie (pe masura cresterii numarului de electroni afarent diferitelor elemente chimice), ne spune regula lui Aufbau:

Totusi exista exceptii si de la aceasta regula, date de stabilitatea energetica mai mare a unei dispuneri atipice a electronilor in cazul urmatoarelor elemente:

Se observa din schema lui Aufbau ca nu exista in prezent elemente chimice cunoscute ai caror atomi sa posede electroni care sa orbiteze mai departe de suborbitalul 7p al celui de-al 7-lea orbital (adica pe 7d, 7f, 7g, 7h, 7i). Intr-adevar, schema Aufbau completa, cu toate nivele atat locuite cat si nelocuite din interiorul atomilor elementelor cunoscute este:

Observam de asemenea ca nu exista elemente chimice cunoscute ai caror atomi sa posede electroni pe suborbitalii 5g, 6f, 6g, 6h. Prin urmare, putem spune ca in actualul tabel periodic al elementelor mai incap:
- 18 elemente cu electroni pe 5g
- 14 elemente cu electroni pe 6f
- 18 elemente cu electroni pe 6g
- 22 elemente cu electroni pe 6h
- 10 elemente cu electroni pe 7d
- 14 elemente cu electroni pe 7f
- 18 elemente cu electroni pe 7g
- 22 elemente cu electroni pe 7h
- 26 elemente cu electroni pe 7i

TOTAL: 162 de elemente.

O multime! Personal astept cu interes fie descoperirea lor in natura, fie producerea pe cale artificiala, fie - nu in ultimul rand - oficializarea informatiei cum ca unele dintre ele au fost deja descoperite / produse si sunt utilizate! :-)

Privind cu atentie la tabelul periodic al elementelor, ajungem sa intelegem culoarele orizontale si importanta lor. Totusi nu am aflat inca nimic despre semnificatia culoarelor verticale.

Practic, ceea ce fac culoarele verticale este sa ne indice grupele de elemente care poseda acelasi numar de electroni pe ultimul orbital populat. De ce este importanta aceasta informatie? Pentru ca electronii de pe ultimul orbital populat sunt CEI CARE PARTICIPA LA LEGATURILE CHIMICE dintre atomii elementelor, fapt care confera anumite proprietati comune si unice elementelor din fiecare grupa verticala.

Acesti electroni care se implica in legaturile dintre atomi se numesc ELECTRONI DE VALENTA. Datorita lor exista ceea ce numim molecule de materie si, mai departe, tot ceea ce cunoastem ca structura materiala de tip gazos, lichid sau solid.

Observam totusi ca exista grupele verticale notate l, ll, ... , Vlll, avand fiecare subgrupele aferente A si B. Grupele principale l, ll, ... , Vlll sunt denumite astfel dupa numarul electronilor de valenta aferenti elementelor din grupa. Subgrupa A defineste elementele care au acesti electroni de valenta pe ultimul orbital. Subgrupa B, a metalelor de tranzitie, cuprinde acele elemente din tabelul periodic care au cei 1-8 electroni de valenta pe ultimul si penultimul orbital (uneori, rareori, chiar si pe antepenultimul). Mai mult, in cadrul grupei metalelor de tranzitie, exista Lantanidele si Actinidele, doua grupe derivate din metalele de tranzitie, insa evidentiate separat deoarece au cei 8 electroni de valenta pe ultimele 3 straturi orbitale, mai exact incepand cu substratul 4f pentru lantanide si cu 5f pentru actinide. Faptul de a avea electronii de valenta pe doua straturi orbitale sau chiar pe 3, confera elementelor din subgrupele B ale tabelului periodic posibilitatea existentei unui numar variabil de electroni care participa intr-o aceeasi legatura chimica (de exemplu numarul efectiv al electronilor de valenta care se acupleaza in cazul atomului de fier este posibil sa fie si 2 si 3 pentru aceeasi substanta, ca in cazul oxidului de fier, a carui formula poate fi atat FeO cat si Fe₂O₃).

Complexa si vasta Creatia asta, huh? :-)

Comentarii (2) COMENT. #1 - Mihai Un articol foarte bun! Daca ar fi avut si ceva explicatii animate ar fi fost excelent. 12/21/2020 - 21:38   COMENT. #2 - Eduard Multumesc. Efortul conceperii si redactarii unui astfel de articol este urias de unul singur si cu finantare zero. La fel cum este construirea intregului site in aceleasi conditii pentru sute de articole de acelasi calibru sau mai mare, din acest domeniu sau din multe altele. Prin urmare e o minune ca exista asa ceva! Modest vorbind. 12/22/2020 - 02:08   Nume E-mail (nu se publica online) Comentariu