Tabela periódica dos elementos: história, estrutura, elementos
A tabela periódica dos elementos é uma ferramenta que permite consultar as propriedades químicas dos 118 elementos conhecidos até agora. É essencial, ao realizar cálculos estequiométricos, prever as propriedades físicas de um elemento, classificá-lo e encontrar propriedades periódicas entre todos eles.
Os átomos se tornam mais pesados à medida que seus núcleos adicionam prótons e nêutrons, que também devem ser acompanhados por novos elétrons; caso contrário, a eletroneutralidade não seria possível. Assim, alguns átomos são muito leves, como o hidrogênio, e outros superpesados, como o oganeson.
Quem é devido tal coração em química? Para o cientista Dmitri Mendeléyev, que em 1869 (quase 150 anos atrás) publicou, após uma década de estudos teóricos e experimentos, a primeira tabela periódica na tentativa de organizar os 62 elementos conhecidos naquela época.
Para isso, Mendeléyev baseou-se em propriedades químicas, enquanto que em paralelo Lothar Meyer publicou outra tabela periódica que foi organizada de acordo com as propriedades físicas dos elementos.
Inicialmente, a tabela continha "espaços vazios", cujos elementos não eram conhecidos por esses anos. No entanto, Mendeléyev foi capaz de prever com precisão considerável várias de suas propriedades. Alguns desses elementos foram: germânio (que ele chamou de eka-silício) e gálio (eka-alumínio).
As primeiras tabelas periódicas ordenaram os elementos de acordo com suas massas atômicas. Este arranjo permitiu vislumbrar alguma periodicidade (repetição e similaridade) nas propriedades químicas dos elementos; no entanto, os elementos de transição não concordavam com esta ordem, nem os gases nobres.
Por este motivo, foi necessário ordenar os elementos considerando o número atômico (número de prótons), ao invés da massa atômica. A partir daqui, juntamente com o trabalho duro e contribuições de muitos autores, a tabela periódica de Mendeléyev foi aperfeiçoada e completada.
História da tabela periódica
Elementos
O uso de elementos como base para descrever o ambiente (mais precisamente, a natureza) tem sido usado desde a antiguidade. No entanto, naquela época eles foram referidos como as fases e estados da matéria, e não a maneira pela qual a referência é feita a partir da Idade Média.
Os antigos gregos acreditavam que o planeta que habitávamos era constituído pelos quatro elementos fundamentais: fier, ti erra, a gua e aire.
Por outro lado, na China antiga o número de elementos era cinco e, ao contrário dos gregos, excluíam o ar e incluíam metal e madeira.
A primeira descoberta científica foi feita em 1669 pelo alemão Henning Brand, que descobriu o fósforo; a partir dessa data, todos os elementos subsequentes foram registrados.
Vale ressaltar que alguns elementos como ouro e cobre já eram conhecidos antes do fósforo; a diferença é que eles nunca foram registrados.
Simbologia
Os alquimistas (predecessores dos químicos atuais) deram nomes aos elementos em relação às constelações, aos seus descobridores e aos lugares onde foram descobertos.
No ano de 1808, Dalton propôs uma série de desenhos (símbolos) para representar os elementos. Então, esse sistema de notação foi substituído pelo de Jhon Berzelius (usado até a presente data), já que o modelo de Dalton se tornou mais complicado à medida que novos elementos surgiram.
Evolução do esquema
As primeiras tentativas de criar um mapa que organizou as informações de elementos químicos ocorreram no século XIX com a Tríade de Döbereiner (1817).
Ao longo dos anos, novos elementos foram encontrados, dando origem a novos modelos organizacionais até atingir o modelo atualmente utilizado.
Parafuso telúrico de Chancurtois (1862)
Alexandré-Émile Béguyer de Chancourtois projetou uma hélice de papel onde ele mostrou um gráfico em espiral (parafuso telúrico).
Neste sistema os elementos são ordenados de forma crescente em relação aos seus pesos atômicos. Elementos semelhantes são alinhados verticalmente.
Oitavos de Newlands (1865)
Continuando com o trabalho de Döbereiner, o britânico John Alexander Queen Newlands ordenou os elementos químicos em ordem crescente em relação aos pesos atômicos, observando que cada sete elementos tinham semelhanças em suas propriedades (o hidrogênio não está incluído).
Mesa de Mendeléyv (1869)
Mendeléyv ordenou os elementos químicos em ordem crescente em relação ao peso atômico, colocando na mesma coluna aqueles cujas propriedades eram semelhantes. De cavidades em seu modelo de tabela periódica prevendo o aparecimento de novos elementos no futuro (além de prever as propriedades que deveriam ter).
Gases nobres não são listados na tabela de Mendeléyv, uma vez que ainda não haviam sido descobertos. Além disso, Mendeléiv não considerou o hidrogênio.
Tabela periódica de Moseley (tabela periódica atual) - 1913
Henry Gwyn Jeffreys Moseley propôs ordenar os elementos químicos da tabela periódica de acordo com seu número atômico; isto é, de acordo com o número de prótons.
Moseley enunciou a "Lei Periódica" em 1913: "Quando os elementos são colocados em ordem de seus números atômicos, suas propriedades físicas e químicas mostram tendências periódicas."
Assim, cada linha ou período horizontal mostra um tipo de relacionamento e cada coluna ou grupo mostra outro.
Como isso é organizado? (Estrutura e organização)
Pode-se observar que o bolo da tabela periódica possui várias cores. Cada cor associa elementos com propriedades químicas semelhantes. Há colunas laranja, amarelas, azuis e roxas; quadrados verdes e uma diagonal de maçã verde.
Note que os quadrados nas colunas do meio são de cor acinzentada, então todos esses elementos devem ter algo em comum, ou seja, são metais de transição com orbitais meio cheios.
Da mesma forma, os elementos dos quadrados purpúreos, embora sejam derivados de substâncias gasosas, de um líquido avermelhado e até de um sólido preto (iodo) e prateado acinzentado (astato), são suas propriedades químicas que os tornam congêneres. Essas propriedades são governadas pelas estruturas eletrônicas de seus átomos.
A organização e estrutura da tabela periódica não é arbitrária, mas obedece a uma série de propriedades e padrões periódicos de valores determinados para os elementos. Por exemplo, se o caractere metálico diminuir da esquerda para a direita da tabela, um elemento metálico não pode ser esperado no canto superior direito.
Períodos
Os elementos são organizados em linhas ou períodos, dependendo do nível de energia de seus orbitais. Antes do período 4, quando os elementos foram sucedidos em ordem crescente da massa atômica, verificou-se que para cada oito deles as propriedades químicas eram repetidas (lei das oitavas, John Newlands).
Os metais de transição foram embutidos com outros elementos não metálicos, como enxofre e fósforo. Por essa razão, a entrada da física quântica e das configurações eletrônicas para a compreensão das tabelas periódicas modernas era vital.
Os orbitais de uma camada energética são preenchidos com elétrons (e os núcleos de prótons e nêutrons), enquanto se move ao longo de um período. Esta camada energética anda de mãos dadas com o tamanho ou raio atômico; portanto, os elementos dos períodos mais altos são menores que os que estão abaixo.
O H e o He estão no primeiro (período) nível de energia; a primeira fila de quadrados cinzentos, no quarto período; e a fileira de quadrados alaranjados, no sexto período. Note que, embora este último pareça estar no suposto nono período, ele realmente pertence ao sexto, logo após o quadrado amarelo de Ba.
Grupos
Passando por um período, descobrimos que a massa, o número de prótons e elétrons aumentam. Na mesma coluna ou grupo, embora a massa e os prótons variem, o número de elétrons na camada de valência é o mesmo.
Por exemplo, na primeira coluna ou grupo, o H tem um único elétron no orbital 1s1, assim como o Li (2s1), o sódio (3s1), o potássio (4s1) e assim por diante até o frério (7s1). Esse número 1 denota que esses elementos mal possuem um elétron de valência e, portanto, pertencem ao grupo 1 (IA). Cada elemento está em diferentes períodos.
Sem contar hidrogênio, caixa verde, os elementos abaixo dele são caixas laranja e são chamados de metais alcalinos. Mais uma caixa à direita em qualquer período, é o grupo ou coluna 2; isto é, seus elementos possuem dois elétrons de valência.
Mas, movendo um passo à direita, sem o conhecimento dos orbitais d, você chega ao grupo do boro (B) ou grupo 13 (IIIA); em vez do grupo 3 (IIIB) ou escândio (Sc). Tendo em conta o enchimento dos orbitais d, os períodos dos quadrados cinzentos começam a ser percorridos: os metais de transição.
Números de prótons versus elétrons de valência
Ao estudar a tabela periódica, pode surgir uma confusão entre o número atômico Z ou o número de prótons totais no núcleo e a quantidade de elétrons de valência. Por exemplo, o carbono tem um Z = 6, isto é, tem seis prótons e, portanto, seis elétrons (caso contrário, não poderia ser um átomo com carga neutra).
Mas, desses seis elétrons, quatro são de valência . Por essa razão, sua configuração eletrônica é [He] 2s22p2. [Ele] denota os dois elétrons 1s2 da camada fechada, e teoricamente eles não participam da formação de ligações químicas.
Além disso, como o carbono tem quatro elétrons de valência, "convenientemente" está localizado no grupo 14 (IVA) da tabela periódica.
Os elementos abaixo do carbono (Si, Ge, Sn, Pb e Fl) têm números atômicos mais altos (e massas atômicas); mas todos têm em comum os quatro elétrons de valência. Isso é fundamental para entender por que um elemento pertence a um grupo e não a outro.
Elementos da tabela periódica
Bloco s
Como acabamos de explicar, os grupos 1 e 2 são caracterizados por terem um ou dois elétrons em orbitais. Esses orbitais são de geometria esférica e, à medida que você desce por qualquer um desses grupos, os elementos adquirem camadas que aumentam o tamanho de seus átomos.
Ao apresentar fortes tendências em suas propriedades químicas e formas de reagir, esses elementos são organizados como o bloco. Portanto, metais alcalinos e metais alcalino-terrosos pertencem a este bloco. A configuração eletrônica dos elementos deste bloco é ns (1s, 2s, etc.).
Embora o elemento de hélio esteja no canto superior direito da tabela, sua configuração eletrônica é 1s2 e, portanto, pertence a esse bloco.
Bloco p
Ao contrário do bloco s, os elementos deste bloco têm orbitais completamente preenchidos, enquanto seus orbitais continuam a se encher de elétrons. As configurações eletrônicas dos elementos pertencentes a este bloco são do tipo ns2np1-6 (os orbitais p podem ter um ou até seis elétrons para serem preenchidos).
Então, em que parte da tabela periódica é esse bloco? À direita: os quadrados verde, roxo e azul; ou seja, elementos não metálicos e metais pesados, como bismuto (Bi) e chumbo (Pb).
Começando com o boro, com configuração eletrônica ns2np1, o carbono à sua direita adiciona outro elétron: 2s22p2. Em seguida, as configurações eletrônicas dos outros elementos do período 2 do bloco p são: 2s22p3 (nitrogênio), 2s22p4 (oxigênio), 2s22p5 (flúor) e 2s22p6 (neon).
Se você descer para os períodos mais baixos, você terá o nível de energia 3: 3s23p1-6 e assim por diante até o final do bloco p.
Note que a coisa mais importante sobre este bloco é que, a partir do período 4, seus elementos preencheram orbitais completamente (caixas azuis à direita). Em resumo: o bloco s está à esquerda da tabela periódica e o bloco p, à direita.
Elementos representativos
Quais são os elementos representativos? Eles são aqueles que, por um lado, perdem facilmente elétrons, ou por outro, eles os ganham para completar o octeto de valência. Em outras palavras: eles são os elementos dos blocos s e p.
Seus grupos foram distinguidos dos outros por uma letra A no final. Assim, havia oito grupos: de IA a VIIIA. Mas atualmente, o sistema de numeração usado nas tabelas periódicas modernas é o árabe, de 1 a 18, incluindo metais de transição.
Por essa razão, o grupo boro pode ser o IIIA, ou 13 (3 + 10); o grupo de carbono, IVA ou 14; e aquele dos gases nobres, o último à direita da mesa, VIIIA ou 18.
Metais de transição
Os metais de transição são todos os elementos dos quadrados cinzentos. Ao longo de seus períodos, eles preenchem seus orbitais d, que são cinco e podem, portanto, ter dez elétrons. Como eles devem ter dez elétrons para preencher esses orbitais, então deve haver dez grupos ou colunas.
Cada um desses grupos no antigo sistema de numeração foi designado com algarismos romanos e uma letra B no final. O primeiro grupo, o de escândio, foi o IIIB (3), ferro, cobalto e níquel VIIIB por terem reatividades muito semelhantes (8, 9 e 10) e zinco IIB (12).
Como pode ser visto, é muito mais fácil reconhecer grupos por números arábicos do que usando numerais romanos.
Metais de transição interna
A partir do período 6 da tabela periódica, os orbitais começam a ficar energeticamente disponíveis. Estes devem ser preenchidos primeiro que os orbitais d; e, portanto, seus elementos são geralmente separados para não alongar demais a mesa.
Os dois últimos períodos, laranja e cinza, são os metais de transição interna, também chamados de lantanídeos (terras raras) e actinídeos. Existem sete orbitais, que precisam de quatorze elétrons para serem preenchidos e, portanto, deve haver catorze grupos.
Se estes grupos forem adicionados à tabela periódica, haverá 32 no total (18 + 14) e haverá uma versão "alongada":
A linha rosa claro corresponde aos lantanóides, enquanto a linha rosa escura corresponde aos actinóides. O lantânio, La com Z = 57, actínio, Ac com Z = 89 e todo o bloco f pertencem ao mesmo grupo de escândio. Por quê? Porque o escândio tem um orbital nd1, que está presente no resto dos lantanóides e actinóides.
O La e o Ac têm configurações de valência 5d16s2 e 6d17s2. À medida que se move para a direita pelas duas filas, os orbitais 4f e 5f começam a se encher. Uma vez cheio, você alcança os elementos Lutecio, Lu e laurêncio, Lr.
Metais e não metais
Deixando para trás o bolo da tabela periódica, é mais conveniente recorrer ao da imagem superior, mesmo em sua forma alongada. No momento, a grande maioria dos elementos mencionados tem sido metais.
À temperatura ambiente, todos os metais são substâncias sólidas (exceto mercúrio, que é líquido), prata acinzentada (exceto cobre e ouro). Além disso, eles geralmente são duros e brilhantes; embora aqueles no bloco sejam macios e frágeis. Esses elementos são caracterizados por sua capacidade de perder elétrons e formar cátions M +.
No caso dos lantanóides, eles perdem os três elétrons 5d16s2 para se tornarem cátions M3 + trivalentes (como La3 +). O cério, por outro lado, é capaz de perder quatro elétrons (Ce4 +).
Por outro lado, elementos não metálicos compõem a menor parte da tabela periódica. São gases ou sólidos com átomos ligados por covalência (como enxofre e fósforo). Todos estão localizados no bloco p; mais precisamente, na parte superior deste último, descendo para os períodos mais baixos, aumenta o caráter metálico (Bi, Pb, Po).
Além disso, os não-metais, em vez de perder elétrons, os vencem. Assim, formam aniões X com diferentes cargas negativas: -1 para halogéneos (grupo 17) e -2 para calcogénios (grupo 16, o oxigénio).
Famílias de metal
Dentro dos metais, há uma classificação interna para diferenciá-los:
-Os metais do grupo 1 são alcalinos
-Grupo 2, metais alcalino-terrosos (Sr. Becambara)
-Grupo 3 (IIIB) Família escândio. Esta família é conformada pelo escândio, a cabeça do grupo, do ítrio Y, do lantânio, actínio e todos os lantanóides e actinóides.
-Grupo 4 (IVB), família de titânio: Ti, Zr (zircônio), Hf (háfnio) e Rf (rutherfordio). Quantos elétrons de valência eles têm? A resposta está no seu grupo.
-Grupo 5 (VB), família de vanádio. Grupo 6 (VIB), família do cromo. E assim por diante até a família do zinco, grupo 12 (IIB).
Metalóides
O caráter metálico aumenta da direita para a esquerda e de cima para baixo. Mas qual é o limite entre esses dois tipos de elementos químicos? Essa fronteira é composta de elementos conhecidos como metalóides, que possuem características de metais e não-metais.
Os metalóides podem ser vistos na tabela periódica na "escada" que começa com o boro, e termina no elemento radioativo astato. Esses elementos são:
-B: boro
-Silicio: sim
-Ge: germânio
-As: arsênico
-Sb: antimônio
-Te: Telúrio
-Em: astatine
Cada um desses sete elementos exibe propriedades intermediárias, que variam de acordo com o ambiente químico ou a temperatura. Uma dessas propriedades é a semicondução, isto é, os metalóides são semicondutores.
Gases
Em condições terrestres, os elementos gasosos são aqueles metais não leves, como nitrogênio, oxigênio e flúor. Além disso, cloro, hidrogênio e gases nobres se enquadram nessa classificação. De todos eles, os mais emblemáticos são os gases nobres, devido a sua baixa tendência a reagir e comportar-se como átomos livres.
Estes últimos estão no grupo 18 da tabela periódica e são:
-Helio, ele
-Neon, Ne
-Argon, Ar
-krypton, Kr
-Xenon, Xe
-Radón, Rn
E o mais recente de todos, o oganneson gás sintético nobre, Og.
Todos os gases nobres têm em comum a configuração de valência ns2np6; isto é, eles completam o octeto de valência.
Estados de agregação dos elementos a outras temperaturas
Os elementos estão no estado sólido, líquido ou gasoso, dependendo da temperatura e da força de suas interações. Se a temperatura da Terra esfriasse até atingir o zero absoluto (0K), então todos os elementos congelariam; com exceção do hélio, que se condensaria.
A esta temperatura extrema, o resto dos gases estaria na forma de gelo.
No outro extremo, se a temperatura fosse de cerca de 6000K, "todos" os elementos estariam em estado gasoso. Sob essas condições, nuvens de ouro, prata, chumbo e outros metais poderiam literalmente ser observados.
Usos e aplicativos
A tabela periódica sozinha sempre foi e será, uma ferramenta para consultar os símbolos, massas atômicas, estruturas e outras propriedades dos elementos. É muito útil na realização de cálculos estequiométricos, que são a ordem do dia em muitas tarefas dentro e fora do laboratório.
Não só isso, mas também a tabela periódica permite comparar os elementos do mesmo grupo ou período. Assim, pode-se prever como certos compostos dos elementos serão.
Previsão das fórmulas dos óxidos
Por exemplo, para os óxidos dos metais alcalinos, tendo um único elétron de valência e, portanto, uma valência de +1, espera-se que a fórmula de seus óxidos seja do tipo M 2 O. Isto é verificado com o óxido. de hidrogênio, água, H 2 O. Também com os óxidos de sódio, Na 2 O e potássio, K 2 O.
Para os outros grupos, seus óxidos devem ter uma fórmula geral M 2 O n, onde n é igual ao número do grupo (se o elemento for do bloco p, n-10 é calculado). Assim, o carbono, que pertence ao grupo 14, forma CO 2 (C 2 O 4/2 ); enxofre, grupo 16, SO3 (S2O6 / 2 ); e nitrogênio, do grupo 15, N 2 O 5 .
No entanto, isso não se aplica aos metais de transição. Isso porque, embora o ferro pertença ao grupo 8, ele não pode perder 8 elétrons, mas 2 ou 3. Portanto, em vez de memorizar as fórmulas, é mais importante atender às valências de cada elemento.
Valência dos elementos
As tabelas periódicas (algumas) mostram as possíveis valências para cada elemento. Conhecendo-os, pode-se estimar antecipadamente a nomenclatura de um composto e sua fórmula química. As valências, como mencionado acima, estão relacionadas ao número do grupo; embora não se aplique a todos os grupos.
As valências dependem mais da estrutura eletrônica dos átomos e quais elétrons podem realmente perder ou ganhar.
Conhecendo o número de elétrons de valência, pode-se também começar com a estrutura de Lewis de um composto a partir dessa informação. A tabela periódica, portanto, permite aos estudantes e profissionais esboçar estruturas e abrir caminho para um levantamento de possíveis geometrias e estruturas moleculares.
Tabelas Digitais Periódicas
Hoje em dia, a tecnologia permitiu que as tabelas periódicas fossem mais versáteis e fornecessem mais informações disponíveis para todos. Vários deles trazem ilustrações marcantes de cada elemento, bem como um breve resumo de seus principais usos.
A maneira como ele interage com eles acelera sua compreensão e estudo. A tabela periódica deve ser uma ferramenta que seja agradável aos olhos, fácil de explorar, e o método mais eficaz para conhecer seus elementos químicos é viajar de períodos para grupos.
Importância da tabela periódica
Atualmente, a tabela periódica é o instrumento organizacional mais importante da química devido às relações detalhadas de seus elementos. Seu uso é essencial para estudantes e professores, bem como pesquisadores e muitos profissionais dedicados ao campo da química e engenharia.
Basta olhar para a tabela periódica, você obtém uma quantidade enorme e informações de forma rápida e eficaz, tais como:
- Lítio (Li), berílio (Be) e boro (B) conduz eletricidade.
- O lítio é um metal alcalino, o berílio é um metal alcalino-terroso e o boro não é metal.
- O lítio é o melhor condutor dos três nomeados, seguido pelo berílio e, finalmente, pelo boro (semicondutor).
Assim, ao localizar esses elementos na tabela periódica, você pode concluir instantaneamente sua tendência à condutividade elétrica.
