Block (Periodensystem) - Block (periodic table)

Blöcke s, f, d und p im Periodensystem

Ein Block des Periodensystems ist eine Menge von Elementen, die durch die Atomorbitale vereint sind, in denen ihre Valenzelektronen oder Leerstellen liegen. Der Begriff scheint zuerst von Charles Janet verwendet worden zu sein . Jeder Block ist nach seinem charakteristischen Orbital benannt: S-Block, P-Block, D-Block und F-Block.

Die Blocknamen (s, p, d und f) werden aus der spektroskopischen Notation für den Wert der azimutalen Quantenzahl eines Elektrons abgeleitet : scharf (0), prinzipiell (1), diffus (2) oder fundamental (3). Nachfolgende Notationen erfolgen in alphabetischer Reihenfolge, wie g, h usw.

Eigenschaften

Die Einteilung in Blöcke ist durch ihre Besonderheit begründet: s zeichnet sich, außer bei H und He, durch stark elektropositive Metalle aus; p durch eine Reihe sehr charakteristischer Metalle und Nichtmetalle, von denen viele lebenswichtig sind; d durch Metalle mit mehreren Oxidationsstufen; f durch Metalle, die so ähnlich sind, dass ihre Trennung problematisch ist. Anhand des Blocks, zu dem sie gehören, und ihrer Position darin lassen sich nützliche Aussagen über die Elemente treffen, zB höchste Oxidationsstufe, Dichte, Schmelzpunkt… Elektronegativität wird eher systematisch über und zwischen Blöcken verteilt.

PJ Stewart
in Grundlagen der Chemie, 2017

Es gibt eine ungefähre Übereinstimmung zwischen dieser Nomenklatur von Blöcken, die auf der elektronischen Konfiguration basiert , und Gruppen von Elementen, die auf chemischen Eigenschaften basieren. Der s-Block und der p-Block zusammen werden normalerweise als Hauptgruppenelemente angesehen , der d-Block entspricht den Übergangsmetallen und der f-Block umfasst fast alle Lanthanide (wie Lanthan ) und die Actiniden (wie Actinium ). Nicht alle sind sich über die genaue Zugehörigkeit jedes Satzes von Elementen einig. Zum Beispiel werden die Elemente der Gruppe 12 Zink , Cadmium und Quecksilber oft als Hauptgruppe und nicht als Nebengruppe angesehen, da sie den p-Block-Elementen chemisch und physikalisch ähnlicher sind als die anderen d-Block-Elemente. Die Elemente der Gruppe 3 werden aufgrund ihrer Ähnlichkeiten mit den S-Block-Elementen manchmal als Hauptgruppenelemente angesehen. Gruppen (Spalten) im f-Block (zwischen Gruppen 2 und 3) werden nicht nummeriert.

Helium ist ein s-Block- Element, mit seinen äußeren (und einzigen) Elektronen im 1s -Atomorbital , obwohl seine chemischen Eigenschaften aufgrund seiner vollen Hülle den p-Block- Edelgasen der Gruppe 18 ähnlicher sind .

S-Block

…Na, K, Mg und Ca sind in biologischen Systemen essentiell. Einige…andere S-Block-Elemente werden in der Medizin verwendet (zB Li und Ba) und/oder kommen als geringfügige, aber nützliche Verunreinigungen in Ca-Biomineralien vor, zB Sr…Diese Metalle zeigen nur eine stabile Oxidationsstufe [+1 oder +2]. Dadurch können sich [ihre] ... Ionen in der Zelle bewegen, ohne ... die Gefahr einer Oxidation oder Reduktion.

Wilkins RG und Wilkins PC (2003)
Die Rolle von Kalzium und vergleichbaren Kationen im Tierverhalten, RSC , Cambridge, p. 1

Der s-Block steht auf der linken Seite des konventionellen Periodensystems und besteht aus Elementen der ersten beiden Spalten plus einem Element in der ganz rechten Spalte, den Nichtmetallen Wasserstoff und Helium sowie den Alkalimetallen (in Gruppe 1) und Erdalkalimetallen (Gruppe 2). Ihre allgemeine Valenzkonfiguration ist n s 1–2 . Helium ist ein s-Element, findet aber fast immer seinen Platz ganz rechts in Gruppe 18 über dem p-Element Neon . Jede Zeile der Tabelle hat zwei S-Elemente.

Die Metalle des S-Blocks (ab der zweiten Periode ) sind meist weich und haben im Allgemeinen niedrige Schmelz- und Siedepunkte. Die meisten verleihen einer Flamme Farbe.

Chemisch sind alle s-Elemente außer Helium hochreaktiv. Metalle des s-Blocks sind stark elektropositiv und bilden oft im Wesentlichen ionische Verbindungen mit Nichtmetallen, insbesondere mit den stark elektronegativen Halogen-Nichtmetallen.

p-Block

Der p-Block steht auf der rechten Seite des Standard-Periodensystems und umfasst Elemente der Gruppen 13 bis 18. Ihre allgemeine elektronische Konfiguration ist n s 2 n p 1–6 . Helium ist zwar das erste Element der Gruppe 18, aber nicht im p-Block enthalten. Jede Zeile der Tabelle hat Platz für sechs p-Elemente mit Ausnahme der ersten Zeile (die keine hat).

Aluminium (Metall), Ordnungszahl 13
Silizium (Metalloid), Ordnungszahl 14
Phosphor (Nichtmetall), Ordnungszahl 15

Dieser Block ist der einzige, der alle drei Arten von Elementen enthält: Metalle , Nichtmetalle und Halbmetalle . Die p-Block-Elemente können gruppenweise beschrieben werden als: Gruppe 13, die icosagens ; 14, die Kristallogene ; 15, die Pniktogene ; 16, die Chalkogene ; 17, die Halogene ; und 18, die Heliumgruppe , bestehend aus den Edelgasen ( mit Ausnahme von Helium) und oganesson . Alternativ kann der p-Block als Post-Übergangsmetalle enthaltend beschrieben werden ; Metalloide; reaktive Nichtmetalle einschließlich der Halogene ; und Edelgase (ohne Helium).

Die p-Block-Elemente sind durch die Tatsache vereint, dass sich ihre Valenzelektronen (äußersten) im p-Orbital befinden. Das p-Orbital besteht aus sechs gelappten Formen, die von einem zentralen Punkt in gleichmäßigen Winkeln ausgehen. Das p-Orbital kann maximal sechs Elektronen aufnehmen, daher gibt es sechs Spalten im p-Block. Elemente in Spalte 13, der ersten Spalte des p-Blocks, haben ein p-Orbitalelektron. Elemente in Spalte 14, der zweiten Spalte des p-Blocks, haben zwei p-Orbitalelektronen. Der Trend setzt sich auf diese Weise bis Spalte 18 fort, die sechs p-Orbitalelektronen hat.

Der Block ist in seiner ersten Zeile eine Hochburg der Oktettregel , aber Elemente in nachfolgenden Zeilen zeigen oft Hypervalenz . Die p-Block-Elemente weisen variable Oxidationsstufen auf, die sich normalerweise um ein Vielfaches von zwei unterscheiden. Die Reaktivität von Elementen einer Gruppe nimmt im Allgemeinen nach unten ab. Dies ist in Gruppe 18 nicht der Fall, wo die Reaktivität in der folgenden Reihenfolge zunimmt: Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn < Og (obwohl Helium, das den Trend bricht, kein Teil des p-Blocks ist; daher p-Block-Teil der Gruppe 18 entspricht dem Trend).

Sauerstoff und Halogene neigen dazu, mit Metallen mehr ionische Verbindungen zu bilden; die verbleibenden reaktiven Nichtmetalle neigen dazu, kovalentere Verbindungen zu bilden, obwohl Ionizität möglich ist, wenn die Elektronegativitätsdifferenz hoch genug ist (zB Li 3 N ). Die Metalloide neigen dazu, entweder kovalente Verbindungen oder Legierungen mit Metallen zu bilden.

D-Block

Die  ... Elemente weisen eine horizontale Ähnlichkeit in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie die übliche vertikale Beziehung auf. Diese horizontale Ähnlichkeit ist so ausgeprägt, dass die Chemie der ersten  ... Reihe  ... oft getrennt von der zweiten und dritten Reihe diskutiert wird, die einander ähnlicher sind als der ersten Reihe.

Kneen WR, Rogers MJW und Simpson P 1972
Chemistry: Facts, Patterns, and Principles, Addison-Wesley, London, S. 487-489 

Der d-Block steht in der Mitte des Periodensystems und umfasst Elemente der Gruppen 3 bis 12; es beginnt in der 4. Periode . Die meisten oder alle dieser Elemente werden auch als Übergangsmetalle bezeichnet, weil sie in ihren Eigenschaften eine Übergangszone zwischen den stark elektropositiven Metallen der Gruppen 1 und 2 und den schwach elektropositiven Metallen der Gruppen 13 bis 16 einnehmen. Gruppe 3 oder Gruppe 12, während die immer noch als d-Block-Metalle gezählt werden, werden manchmal nicht zu den Übergangsmetallen gezählt, weil sie nicht die für Übergangsmetalle charakteristischen chemischen Eigenschaften aufweisen, zum Beispiel mehrere Oxidationsstufen und farbige Verbindungen.

Die d-Block-Elemente sind alle Metalle und die meisten haben ein oder mehrere chemisch aktive d-Orbital-Elektronen. Da es einen relativ kleinen Unterschied in der Energie der verschiedenen d-Orbitalelektronen gibt, kann die Anzahl der an der chemischen Bindung beteiligten Elektronen variieren. Die d-Block-Elemente haben die Tendenz, zwei oder mehr Oxidationsstufen aufzuweisen, die sich um ein Vielfaches von eins unterscheiden. Die häufigsten Oxidationsstufen sind +2 und +3. Chrom , Eisen , Molybdän , Ruthenium , Wolfram und Osmium können so niedrige Oxidationszahlen wie –4 aufweisen; Iridium besitzt die einzigartige Eigenschaft, eine Oxidationsstufe von +9 zu erreichen.

Die d-Orbitale (vier als vierblättrige Kleeblätter geformt und das fünfte als Hantel mit einem Ring darum) können bis zu fünf Elektronenpaare enthalten.

f-block

Aufgrund ihrer komplexen elektronischen Struktur, der signifikanten Elektronenkorrelationseffekte und der großen relativistischen Beiträge sind die f-Block-Elemente wahrscheinlich die anspruchsvollste Gruppe von Elementen für die Theorie der elektronischen Struktur. 

Dolg M 2015 (Hrsg.)
Computational method in lanthanide and actinide chemistry, John Wiley & Sons, Chichester, p. xvii

Der f-Block erscheint als Fußnote in einer Standardtabelle mit 18 Spalten, befindet sich jedoch in der Mitte links in einer Tabelle mit 32 Spalten in voller Breite. Während diese Elemente im Allgemeinen nicht als Teil einer Gruppe angesehen werden , betrachten einige Autoren sie als Teil der Gruppe 3. Sie werden manchmal als innere Übergangsmetalle bezeichnet, weil sie in der 6. und 7. Reihe einen Übergang zwischen dem s-Block und dem d-Block bilden (Periode), in der gleichen Weise wie die d-Block- Übergangsmetalle eine Übergangsbrücke zwischen dem s-Block und dem p-Block in der 4. und 5. Reihe bilden.

Die f-Block-Elemente kommen in zwei Serien, in den Perioden 6 und 7. Alle sind Metalle. Die f-Orbitalelektronen sind in der Chemie der f-Blockelemente der Periode 6 weniger aktiv, obwohl sie einen gewissen Beitrag leisten: Diese sind einander ziemlich ähnlich. Sie sind in den frühen 7-f-Block-Elementen aktiver, wo die Energien der 5f-, 7s- und 6d-Schalen ziemlich ähnlich sind; folglich neigen diese Elemente dazu, eine ebenso große chemische Variabilität zu zeigen wie ihre Übergangsmetallanaloga. Die späteren f-Block-Elemente verhalten sich eher wie ihre Gegenstücke der Periode 6.

Die f-Block-Elemente werden dadurch vereinheitlicht, dass sie meistens ein oder mehrere Elektronen in einem inneren f-Orbital haben. Von den f-Orbitalen haben sechs jeweils sechs Lappen, und das siebte sieht aus wie eine Hantel mit einem Donut mit zwei Ringen. Sie können bis zu sieben Elektronenpaare enthalten, daher belegt der Block vierzehn Spalten im Periodensystem. Ihnen werden keine Gruppennummern zugewiesen, da in einer "Gruppe" von zwei Elementen keine vertikalen periodischen Trends erkennbar sind.

Die beiden 14-gliedrigen Reihen der f-Block-Elemente werden manchmal mit den Lanthaniden und den Aktiniden verwechselt , die Namen für Gruppen von Elementen sind, die mehr auf chemischen Eigenschaften als auf Elektronenkonfigurationen basieren. Die Lanthanoide sind die 15 Elemente, die von Lanthan (La) bis Lutetium (Lu) reichen ; die Actiniden sind die 15 Elemente, die von Actinium (Ac) bis Lawrencium (Lr) reichen.

g-block

Es wird vorhergesagt, dass ein g-Block in der Nähe des Elements 121 beginnt . Obwohl die g-Orbitale voraussichtlich erst bei den Elementen 124–126 beginnen, sich im Grundzustand zu füllen (siehe erweitertes Periodensystem ), sind ihre Energie wahrscheinlich bereits niedrig genug, um chemisch am Element 121 teilzunehmen, ähnlich wie beim 4f und 5f-Orbitale.

Symmetrie

Die vier Blöcke können so umgeordnet werden, dass sie mit gleichem Abstand in ein regelmäßiges Tetraeder passen .

Siehe auch

Verweise

Externe Links

Das tetraedrische Periodensystem der Elemente . Animation, die einen Übergang vom herkömmlichen Tisch in einen Tetraeder zeigt.