Periodický zákon a jeho vztah ke struktuře a vlastnostem látek

• Periodický zákon objevil ruský chemik D. I. Mendělejev (1834-1907)
• V roce 1869 uspořádal na základě podobných vlastností 63 tehdy známých prvků do přehledné tabulky
• Dokázal předpovědět existenci a vlastnosti v té době neznámých prvků (např. skandium, germanium, gallium, radium, atd.)
• Fyzikální a chemické vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich protonového čísla
• V původní formulaci je místo protonového čísla atomová hmotnost
• Příčinnou je periodické opakování složení poslední (valenční) vrstvy elektronového obalu atomů prvků
• Chemické a fyzikální vlastnosti prvků závisí na jejich atomových hmotnostech.
• Dnes je známo, že to není úplně pravda a i Mendělejev věděl, že hmotnost jodu je menší než hmotnost telluru, přesto ho zařadil do své tabulky správně, protože se domníval, že jeho hmotnost byla určena špatně
• Grafickým vyjádřením periodického zákona je periodická soustava prvků

1.      Velikost atomů

• atomový poloměr je roven polovině naměřené vzdálenosti atomových jader v molekulách a krystalech.
  (Na velikost mají primární vliv přitažlivé síly mezi jádrem a vnějšími elektrony.)
• Velikost atomů se v dané periodě zmenšuje s rostoucím Z (elektrony přibývající v jedné vrstvě jsou stále silněji přitahovány rostoucím nábojem jádra).
• Velikost atomů se v dané hlavní skupině zvětšuje s rostoucím Z (roste kvantové číslo vnější elektronové vrstvy a s ním i velikost atomu)

2.      Ionizační energie (I)

• = energie potřebná k odtržení e- z atomu v plynném stavu a vzniku kationtu
• Udává se v kJ/mol
• I₁ energie potřebná k odtržení 1. e^–
• I₂ energie potřebná k odtržení 2. e^–
• … I₁< I₂
• Ionizační energie má výrazně periodickou závislost na protonovém čísle:
  V jednotlivých skupinách hodnoty ionizační energie klesají s rostoucím protonovým číslem
• V periodách ionizační energie se stoupajícím protonovým číslem roste, ale její růst není plynulý.

3.      Elektronová afinita

• = míra schopnosti přijmout e- a tvořit anionty
• Elektronová afinita klesá ve skupině s rostoucím protonovým číslem a roste v každé periodě s růstem protonového čísla.
• Elektropozitivní prvky– jsou to prvky, které mají malou afinitu k elektronům, tzn., mají schopnost odštěpovat valenční elektrony a vytvářet kationty (kovy).
• Elektronegativní prvky– jsou to prvky, které mají velkou afinitu k elektronům, tzn., mají schopnost poutat elektrony a vytvářet anionty (nekovy).

4.      Elektronegativita (X)

• = schopnost atomu přitahovat vazebné elektrony
• V dané periodě narůstá, v dané skupině klesá.

Periodická soustava prvků a její struktura

• Uspořádání všech chemických prvků v podobě tabulky podle jejich rostoucích protonových čísel, seskupených podle jejich cyklicky se opakujících podobných vlastností
• Prvky, nacházející se ve společné skupině, vykazují i podobné chemické vlastnosti
• Dlouhá periodická tabulka – dnes nejpoužívanější
• 7 řádků = period (umístění prvku v periodě odpovídá hlavnímu kvantovému číslu, tj. číslu poslední – valenční vrstvy)
  • V jedné periodě je tolik prvků, kolik e^– je na dané vrstvě
  • Každá perioda končí vzácným plynem s plně obsazenou valenční vrstvou (plnými orbitaly s a p, tedy elektronovým oktetem)
• 18 sloupců = skupin (ve skupině mají prvky podobné vlastnosti)
  • Někdy jsou značeny I. A – VIII. A (hlavní skupiny) a I. B – VIII. B (vedlejší skupiny)

Klasifikace prvků

• Z hlediska skupenství (při 273,15 K):
  • (g) – H, N, O, F, Cl, + vzácné plyny
  • (l) – Hg, Br
  • (s) – ostatní
• Z hlediska vlastností:
  • nekovy – H, C, N, O, P, S, halogeny, vzácné plyny
  • polokovy – B, Si, Ge, As, Se, Sb, Te, At
  • kovy – ostatní (4/5 tabulky)
• Z hlediska stavby atomu:
  • nepřechodné – (1, 2, 13 -18. skupina, tedy všechny A)
    s-prvky: A a II. A, zaplňují ve valenční vrstvě orbitaly s
    p-prvky: III. A – VIII. A, zaplňují orbitaly p
  • přechodné – d-prvky, zaplňují d orbitaly postupně 1 až 10 e^–
  • vnitřně přechodné – f-prvky
• Triviální názvy skupin:

1. A – alkalické kovy
2. A – kovy alkalických zemin
3. A – chalkogeny

VII. A – halogeny

VIII. A – vzácné (inertní) plyny

Triády – železa
lehkých platinových kovů
těžkých platinových kovů

Transurany – prvky za uranem: Np, Pu, … (Z>92)

Lanthanoidy – prvky za lanthanem (Z od 58 do 71)

Aktinoidy – prvky za aktiniem (Z od 90 do 103)

Vzácné plyny

• Často označovány souhrnným názvem vzácné plyny
• Valenční elektrony zcela zaplňují poslední vrstvu elektronového obalu
  (u helia s orbital, u ostatních s a p orbitaly) → mimořádná nereaktivnost, tvoří jednoatomové molekuly
• Jsou bez barvy, chuti a zápachu
• Lehčí z těchto prvků netvoří žádné sloučeniny, těžší některé sloučeniny vytvářejí
• Mezi atomy vzácných plynů působí jen slabé van der Waalsovy síly → nízké T_v a T_t
• Vzácné plyny se většinou získávají frakční destilací zkapalněného vzduchu, ve kterém jsou v malém množství obsaženy (He se vyrábí frakční destilací některých zemních plynů – levnější)
• Až do počátku šedesátých let (1962) byly vzácné plyny považovány za naprosto nereaktivní, v posledních desetiletích se však chemikům podařilo připravit řadu sloučenin kryptonu, xenonu a radonu

Helium (He)

• Druhý nejrozšířenější prvek ve vesmíru, v atmosféře (v 1m³ vzduchu jsou 4ml He) a některých zemních plynech v USA
• Je zcela nereaktivní, neexistuje žádná jeho sloučenina
• Helium má ze všech známých plynů nejnižší teplotu tání a varu → používá se k dosažení velmi nízkých teplot, až 0,003 K (pod -270°C)
  V kapalném stavu má překvapivé fyzikální vlastnosti – je vynikajícím vodičem elektrického proudu a má velmi malou viskozitu (jde o tzv. supravodivost a supratekutost)
• Využívá se k přípravě dýchací směsi při hloubkovém potápění, neboť zabraňuje tzv. kesonové nemoci
• Používá se také jako ochranný plyn ve speciálním hutnictví, např. při výrobě titanu
• Helium je osmkrát lehčí než vzduch a nehořlavé → plnění balónů a vzducholodí, kde nahradilo lehčí, ale hořlavý vodík
• Někdy se používá k plnění osvětlovacích trubic

Neon (Ne)

• Nachází se v atmosféře
• Zcela nereaktivní, nejsou známy žádné sloučeniny
• Používá se v reklamních výbojkách (neonová světla), při průchodu elektrického výboje za nízkého tlaku trubicí naplněnou neonem vysílá neon oranžově červené světlo

Argon (Ar)

• Nejrozšířenější prvek VIII. skupiny periodické tabulky
• Ve vzduchu ho je asi 0,9 %
• Je zcela nereaktivní, žádná jeho sloučenina není známa
• Využívá se k plnění žárovek a fluorescenčních trubic (osvětlení, reklamy)
• Používá se k vytvoření inertní atmosféry při svařování hliníku, hořčíku, případně jejich slitin, a při práci s hořlavinami

Krypton (Kr)

• Ve vzduchu je ho velmi málo (1díl v 670 000 dílech vzduchu)
• Je nereaktivní, jedinou známou sloučeninou je fluorid kryptonu (KrF₂)
• Krypton se používá do laserů a fluorescenčních trubic (osvětlení)

Xenon (Xe)

• Nachází se v atmosféře (0,006 dílu v miliónu dílů vzduchu)
• Xenon tvoří ze vzácných plynů nejvíce sloučenin
• Chemie xenonu je zatím nejlépe prostudována.
• Oxid xenonový, v pevném stavu velmi explozivní (jeho účinnost je srovnatelná s trinitrotoluenem) – jeho vodný roztok je velmi silným oxidačním činidlem.
• Reakcí vodného roztoku XeO₃ se zásadami vznikají soli kyseliny xenonové – hydrogenxenonany:

XeO₃ + OH^– ® HXeO₄^–

• Některé xenonany se podařilo izolovat i navzdory tomu, že jejich alkalické roztoky nejsou stálé a zvolna disproporcionují na xenoničelany a plynný xenon

2 HXeO₄^– + 2 OH^– ® XeO₆^4- + Xe + O₂ + 2H₂O

• Ke známým sloučeninám xenonu patří také plynný a nestabilní oxid xenoničelý XeO₄, tetrafluorid xenonu XeF₄ a další fluoridy, jako XeF₂ nebo XeF₆
• Další sloučeninou, se kterou se můžeme setkat je Na₄XeO₆.
• Xenon má ve sloučeninách oxidační čísla: II, IV, VI, VIII
• Používá se k plnění žárovek a fluorescenčních trubic (osvětlení a reklamy)

Radon (Rn)

• Radioaktivní plyn vznikající radioaktivní přeměnou radia, obsažen ve vývěrech minerálních vod z podloží obsahujícího Ra, Th, U
• Radioaktivní radon se používal při léčbě rakoviny a radonová voda v lázeňství (Jáchymov)
• Dlouhodobé vystavení lidského organizmu radonu je škodlivé – měření v lokalitách se zvýšeným výskytem, nutné odvětrávání

Porovnání vlastností prvků v 1. a 17. skupině

• Do 1. skupiny řadíme lithium ₃Li, sodík ₁₁Na, draslík ₁₉K, rubidium ₃₇Rb, cesium ₅₅Cs a francium ₈₇Fr (alkalické kovy)
• Všechny tyto prvky mají ve své valenční vrstvě pouze jeden elektron
• Jejich společné vlastnosti jsou například:
  • Měkké (lze je krájet nožem), stříbrolesklé 
  • Vysoká reaktivita, bouřlivé reakce například s halogeny
  • Snadná oxidace na běžném vzduchu (uchovávají se například pod petrolejem)
  • Bouřlivá reakce s vodou (za vzniku hydroxidu a vodíku)
  • Zásadotvornost
• Jednotlivé vlastnosti chemických prvků se projevují různě intenzivně dle rostoucího či klesajícího protonového čísla (např. reaktivita alkalických kovů roste od lithia k franciu, zatímco v opačném směru roste jejich elektronová afinita)
• Členy 17. skupiny periodické tabulky jsou halogeny (neboli halové prvky)
• Mezi halogeny patří fluor, chlor, brom, jód a astat
• Jejich společné vlastnosti jsou například:
  • Vysoká elektronegativita (nejvíce F)
  • Iontová vazba (přijetím e^–)
  • Kovalentní vazba (sdílením e^–)
  • Slučivé s většinou kovů
  • Tvoří dvouatomární molekuly X₂
  • Jedovaté: leptají sliznici
  • Oxidační účinky
  • Typické nekovy
  • 1e^– pro získání stabilní konfigurace

Významné prvky živých soustav

• V živých soustavách nacházíme tzv. prvky biogenní
• Patří sem asi 2/3 prvků periodické soustavy s převážně nízkou molekulovou hmotností
• Procento radioaktivních izotopů je zde také poměrně nízké
• Podle podílu výskytu a důležitosti pro živý organismus se dělí na makroprvky a mikroprvky (makroelementy a mikroelementy)
• Mezi makroelementy patří 11 prvků, které však tvoří až 99.9% hmotnosti živých těl.
• Dělí se na dvě skupiny: do první náležejí tzv. makrobiogenní – plastické – C, O, H, N – tyto čtyři prvky tvoří až 95% živé hmoty; jako ostatní makroelementy označujeme S, P, Mg, Ca, Na, K, Cl – 7 prvků, které tvoří asi 4.9% živé hmoty

Makroelementy

–          Uhlík

• Tvoří asi 19.4% živé hmoty, je to základní prvek
• Nachází se ve všech organických sloučeninách, kde tvoří uhlíkové řetězce
• Koloběh uhlíku v přírodě: v neživé přírodě se nachází v uhličitanových horninách (např. v CaCO₃), v mořské vodě jako H₂CO₃ a v atmosféře jako CO₂, ve formě chemicky stálých organických látek je obsažen v uhlí, v živé přírodě je obsažen ve všech organismech vázaný v organických i minerálních látkách

–          Kyslík a vodík

• Jsou součástí téměř všech organických sloučenin tvořících živé organismy
• Kyslík tvoří asi 62,8% hmotnosti živých systémů, vodík asi 9,3%
• Zdrojem vodíku pro organismy je voda, zdrojem kyslíku voda a atmosféra

–          Dusík

• Je vázán především v aminokyselinách a bílkovinách, v jejich aminových skupinách a v nukleových kyselinách
• U živočichů se nachází také v aminocukrech
• Tvoří asi 5,1% hmotnosti buněk

–          Síra

• Je obsažena v některých aminokyselinách (cysteinu, cystinu a methioninu) – ty jsou součástí mnoha druhů bílkovin a některých látek s katalytickými účinky (vitamín B₁, biotin, kyselina lipoová)
• Síra je také obsažena v anorganických solích
• Tvoří asi 0,63 % hmotnosti živočišného těla

–          Fosfor

• V organismech se vyskytuje hlavně v pětimocné formě, a to především jako součást kyseliny trihydrogenfosforečné (H₃PO₄) a jejích minerálních solí
• Zbytek kyseliny trihydrogenfosforečné je často obsažen jako funkční skupina v molekulách důležitých organických sloučenin (nukleových kyselin, fosfolipidů, fosfoproteinů aj.)
• Celkový obsah fosforu v živých systémech závisí mimo jiné na typu oporné soustavy
• Lidské tělo obsahuje průměrně asi 700 g fosforu, z čehož však 600 g připadá na tvorbu kostí

–          Hořčík

• Vyskytuje se hlavně jako jednoduché nebo komplexně vázané ionty
• Tvoří také, podobně jako vápník, anorganické matrice zvířecích koster
• Je i aktivátorem některých enzymů
• Tvoří průměrně 0,04 % hmotnosti buněk

–          Vápník

• Je hojný v nerozpustných solích tvořících oporné soustavy
• Vyskytuje se i v podobě jednoduchých nebo komplexně vázaných iontů
• Buňky ho obsahují průměrně 1,3 %

–          Sodík

• Vyskytuje se nejčastěji v podobě iontů
• Tvoří asi 0,22 % hmotnosti živočišného těla

–          Draslík

• Také se vyskytuje hlavně v podobě iontů
• Živočišná těla ho obsahují asi 0,26 %

–          Chlór

• Také se vyskytuje v podobě iontů
• Jeho obsah v živočišném těle je kolem 0,08 %

Mikroelementy

• Mikroelementy neboli prvky stopové mají katalytickou úlohu
• Slouží jako biokatalyzátory
• Většina mikroelementů se vyskytuje jen v některých buňkách a jen u některých organismů
• Mnohé z nich mohou být jedovaté, dostanou-li se do těl jiných organismů s potravou

–          Železo

• Nacházíme jako součást krevních barviv (hemoglobinu, hemerytrinu, chlorokruorinu a některých buněčných barviv, tzv. cytochromů)
• Lidské tělo jej obsahuje asi 4 – 5 g

–          Měď

• Součást krevního barviva hemocyaninu některých bezobratlých (např. mlžů a korýšů)
• U obratlovců působí jako katalytický prvek při syntéze hemoglobinu

–          Kobalt

• Je součástí vitamínu B₁₂

–          Mangan

• Je obsažen hlavně v játrech a ledvinách obratlovců

–          Vanad

• Nachází se jako součást krevního barviva u sumek

–          Zinek

• Zvyšuje účinek pohlavních hormonů u savců

–          Jód

• Je obsažen v hormonu štítné žlázy thyroxinu.
• Také mořské chaluhy obsahují značné množství jódu

• Ke katalytickým prvkům dále řadíme bór (B), fluor (F), křemík (Si), hliník (Al), titan (Ti), niob (ni) a molybden (Mo)