Keemia õppimine võib esmapilgul tunduda nagu uue võõrkeele omandamine, kus on lõputult reegleid, erandeid ja valemeid. Ometi on selles keerulises süsteemis üks kindel teejuht, mis muudab kogu aine loogiliseks ja arusaadavaks – see on perioodilisustabel. Paljude õpilaste ja isegi täiskasvanute jaoks ripub see värviline tabel klassiruumi seinal pigem dekoratiivse elemendina, kuid tegelikkuses on tegemist universaalse spikri ehk “špargalkaga”, mis sisaldab vastuseid peaaegu igale keemiaalasele küsimusele. Kui oskate tabelit õigesti lugeda, ei pea te enamiku elementide omadusi pähe õppima, vaid saate need tuletada ainuüksi elemendi asukoha põhjal. See artikkel ongi koostatud selleks, et muuta Mendelejevi tabel teie jaoks selgeks tööriistaks, avades selle struktuuri ja saladused lihtsas eesti keeles.
Mendelejevi geniaalsus ja tabeli lühiajalugu
Enne kui süveneme tabeli praktilisse kasutamisse, on oluline mõista, miks see üldse selline välja näeb. 19. sajandi keskpaigaks oli avastatud üle 60 keemilise elemendi, kuid teadlaste seas valitses segadus. Puudus ühtne süsteem nende klassifitseerimiseks. Vene keemik Dmitri Mendelejev tegi 1869. aastal midagi revolutsioonilist: ta reastas elemendid aatommassi kasvu järjekorras, kuid märkas seejuures, et elementide omadused hakkavad teatud vahemike järel korduma ehk on perioodilised.
Mendelejevi süsteemi tegi eriliseks tema julgus jätta tabelisse tühjad kohad. Ta ennustas, et need kohad kuuluvad elementidele, mida polnud tol ajal veel avastatud, ning kirjeldas üsna täpselt nende omadusi. Kui hiljem avastati gallium, germaanium ja skandium, sobisid need ideaalselt Mendelejevi jäetud lünkadesse. Tänapäevane tabel on küll veidi muutunud – elemente reastatakse nüüd prootonite arvu ehk laenguarvu, mitte aatommassi järgi – kuid põhimõte on jäänud samaks.
Kuidas lugeda ühte ruutu?
Iga element perioodilisustabelis asub oma kindlas ruudus ehk lahtris. See ruut on nagu elemendi pass, mis sisaldab kõige olulisemat informatsiooni. Et tabelist kasu oleks, peate mõistma sealsete numbrite ja sümbolite tähendust.
- Keemiline sümbol: Tavaliselt üks või kaks tähte (näiteks H vesiniku või Fe raua puhul). Sümbolid tulenevad sageli ladinakeelsetest nimetustest, mis selgitab, miks näiteks kaaliumi sümbol on K (kalium) ja naatriumil Na (natrium).
- Aatomnumber (järjenumber): See on tavaliselt kõige silmatorkavam number ruudus. Aatomnumber näitab prootonite arvu aatomi tuumas. Kuna neutraalses aatomis on prootonite ja elektronide arv võrdne, ütleb see number meile ka elektronide arvu. See on elemendi identiteet – kui muutub prootonite arv, muutub ka element.
- Aatommass: See on tavaliselt komakohaga number. Aatommass näitab aatomi keskmist massi, võttes arvesse kõiki looduses leiduvaid isotoope ja nende esinemissagedust. Keemiaülesannete lahendamisel ümardatakse see number sageli täisarvuni.
Struktuur: Rühmad ja perioodid
Perioodilisustabel ei ole juhuslik ruudustik, vaid täpne koordinaatsüsteem. Tabeli mõistmise võti peitub rühmade (vertikaalsed tulbad) ja perioodide (horisontaalsed read) eristamises.
Rühmad – perekonnad, mis käituvad sarnaselt
Tabelis on kokku 18 rühma. Ühes rühmas üksteise all asuvatel elementidel on tavaliselt sama arv väliskihi elektrone (valentselektrone). Just see määrabki elemendi keemilised omadused. Seetõttu käituvad sama rühma elemendid keemilistes reaktsioonides väga sarnaselt.
Olulisemad rühmad, mida peaks teadma:
- IA rühm (Leelismetallid): Liitium, naatrium, kaalium jt. Need on väga aktiivsed metallid, mis reageerivad tormiliselt veega. Neil on väliskihis vaid üks elektron, mille nad loovutavad kergesti.
- IIA rühm (Leelismuldmetallid): Magneesium, kaltsium jt. Samuti aktiivsed, kuid veidi vähem kui leelismetallid.
- VIIA rühm (Halogeenid): Fluor, kloor, broom jt. Väga aktiivsed mittemetallid, millel on väliskihist puudu vaid üks elektron. Nad moodustavad meelsasti sooli metallidega (nt NaCl – keedusool).
- VIIIA rühm (Väärisgaasid): Heelium, neoon, argoon jt. Need on “keemia aristokraadid”. Nende väliskiht on elektronidega täidetud, mistõttu nad on äärmiselt stabiilsed ega taha teiste elementidega reageerida.
Perioodid – elektronkihtide arv
Horisontaalseid ridu nimetatakse perioodideks ja neid on kokku seitse. Perioodi number näitab, mitu elektronkihti on selle rea elementide aatomitel. Näiteks esimese perioodi elementidel (vesinik ja heelium) on vaid üks elektronkiht, teise perioodi omadel kaks ja nii edasi. Liikudes perioodis vasakult paremale, muutuvad elemendi omadused metallilisest mittemetalliliseks.
Metallid, mittemetallid ja poolmetallid
Üks lihtsamaid viise tabeli lugemiseks on tõmmata diagonaaljoon boorist (B) astaatini (At). See joon eraldab metallid mittemetallidest.
Metallid asuvad tabeli vasakul pool ja keskel (suurim osa tabelist). Neile on iseloomulik hea elektri- ja soojusjuhtivus, metalne läige ning sepistatavus. Keemilistes reaktsioonides on nad tavaliselt elektronide loovutajad.
Mittemetallid asuvad tabeli paremas ülemises nurgas (pluss vesinik). Need on sageli gaasilised või rabedad tahkised, mis juhivad halvasti elektrit. Reaktsioonides kipuvad nad elektrone liitma.
Poolmetallid asuvad piirjoonel (nt räni, germaanium). Neil on nii metallide kui ka mittemetallide omadusi, mis teeb nad asendamatuks näiteks elektroonikatööstuses pooljuhtidena.
Perioodilised seaduspärasused ehk “spikker” omaduste kohta
Tõeline keemia “spikker” peitub arusaamises, kuidas omadused tabelis muutuvad. Kui teate neid trende, saate ennustada elemendi käitumist ilma faktiteadmisi pähe tuupimata.
- Aatomi raadius: Liikudes rühmas ülevalt alla, aatomi raadius kasvab (sest elektronkihte tuleb juurde). Liikudes perioodis vasakult paremale, aatomi raadius väheneb (sest tuumalaeng kasvab ja tõmbab elektrone tugevamini enda poole).
- Elektronegatiivsus: See näitab aatomi võimet siduda elektrone. Kõige elektronegatiivsem element on fluor (tabeli paremal üleval, väärisgaasid välja arvatud). Elektronegatiivsus kasvab alt üles ja vasakult paremale.
- Metallilised omadused: Need on kõige tugevamad tabeli vasakus alanurgas (frantsium) ja vähenevad diagonaalselt paremale üles liikudes.
Korduma kippuvad küsimused (KKK)
Miks vesinik asub tabelis eraldi või mõnikord kahes kohas?
Vesinik on erandlik element. Kuigi ta asub I rühmas leelismetallide kohal (kuna tal on 1 elektron), ei ole ta metall, vaid gaas. Oma omadustelt sarnaneb ta kohati hoopis halogeenidega (VII rühm), kuna tal on stabiilsest kihist puudu vaid üks elektron. Seetõttu on vesinik justkui “kodutu” element, mis ei sobi ideaalselt ühtegi rühma.
Mis on lantanoidid ja aktinoidid?
Need on kaks pikka rida elemente, mis on tavaliselt toodud tabeli põhjaossa eraldi välja. Tegelikult peaksid nad asuma tabeli sees (III rühmas), kuid tabeli kompaktsuse huvides on nad tõstetud alla. Lantanoidid on haruldased muldmetallid, mida kasutatakse palju kaasaegses tehnoloogias, aktinoidid on aga kõik radioaktiivsed.
Kuni millise numbrini elemendid looduses esinevad?
Looduses esinevad stabiilselt elemendid kuni uraanini (järjenumber 92). Elemendid, mille järjenumber on 93 ja suurem (transuraanid), on sünteetilised ehk inimeste poolt laborites loodud. Mõnda neist, nagu plutooniumi, võib üliväikestes kogustes leida ka loodusest, kuid peamiselt on need tehislikud.
Miks on osade elementide aatommass sulgudes?
Kui näete tabelis aatommassi sulgudes (näiteks tehneetsiumil või paljudel rasketel elementidel), tähendab see, et elemendil ei ole stabiilseid isotoope. Number sulgudes tähistab tavaliselt selle elemendi kõige stabiilsema või pikaealisema teadaoleva isotoobi massiarvu.
Teaduse piiride nihutamine ja 8. periood
Tänapäevane perioodilisustabel lõpeb elemendiga 118, milleks on oganessoon (Og). See tähendab, et kõik seitse perioodi on täielikult täidetud. Kuid teadus ei seisa paigal. Füüsikud ja keemikud otsivad ja püüavad sünteesida üha raskemaid elemente, mis tähendaks teoreetilise 8. perioodi algust. Kuigi need üli-rasked elemendid eksisteerivad praegu vaid murdosa sekundist, loodavad teadlased jõuda niinimetatud “stabiilsuse saareni”. See on teoreetiline piirkond üli-raskete elementide seas, kus aatomituumad võiksid püsida stabiilsena palju kauem – minuteid, päevi või isegi aastaid. See avaks täiesti uue peatüki keemias ja materjaliteaduses, tõestades veelkord, et Mendelejevi loodud süsteem on ajatu vundament, millele saab ehitada ka tuleviku avastusi.
