1. jakson alkuaineet: vety ja helium — miksi niitä on vain kaksi?
Tutustu 1. jakson alkuaineisiin: miksi vety ja helium ovat ainoat? Selkeä selitys 1s-orbitaalista, duettosäännöstä ja kvanttifysiikasta.
Jakson 1 alkuaine on jaksollisen järjestelmän ensimmäisen jakson (rivin) alkuaine. Jaksollinen järjestelmä on järjestetty riveihin siten, että alkuaineiden toistuvat ominaisuudet tulevat esiin: samaan ryhmään kuuluvilla alkuaineilla on yleensä samanlaisia kemiallisia ominaisuuksia. Ensimmäisessä jaksossa on kuitenkin vähemmän alkuaineita kuin muissa jaksoissa — siellä on vain kaksi alkuainetta: vety ja helium. Tämä voidaan ymmärtää nykyaikaisten atomirakenneteorioiden ja kvanttifysiikan avulla.
Miksi ensimmäisellä jaksolla on vain kaksi alkuainetta?
Vastaus liittyy siihen, miten elektronit sijoittuvat atomin orbitaaleihin. Jakson 1 alkuaineet täyttävät 1s-orbitaalin, joka on kaikkien atomiorbitaalien yksinkertaisin energiataso. 1s-orbitaaliin mahtuu enintään kaksi elektronia, koska elektronit ovat fermioneja ja niiden tulee noudattaa Paulin kieltosääntöä: kahdella samassa orbitaalissa olevalla elektronilla on oltava eri spin-arvot. Tästä syystä nämä alkuaineet noudattavat niin kutsuttua duettosääntöä — ensimmäisen elektronikuoren täydentämiseksi tarvitaan vain kaksi elektronia, jotka täyttävät valenssikuoren (tässä tapauksessa 1s-kuoren) kokonaan.
Miten kvanttiluvut selittävät rajan?
Orbitaalien tilaa kuvataan kvanttiluvuilla: pääkvanttiluku n = 1 määrittää ensimmäisen tason, kulmaluku l = 0 (s-orbitaali) ja magneettinen kvanttiluku ml = 0. Jokaisella elektronilla on lisäksi spin-kvanttiluku ms, jonka arvot ovat +1/2 tai −1/2. Näin 1s-orbitaalissa on vain kaksi erilaista elektronitilaa — siksi vain kaksi elektronia voi mahtua siihen ja siksi ensimmäisellä jaksolla on korkeintaan kaksi eri alkuaineen elektronikonfiguraatiota (1 elektronin ja 2 elektronin tapaukset), eli vety ja helium.
Mitä seuraavissa jaksoissa tapahtuu?
Myöhemmillä jaksoilla (esim. jakso 2) käytettävissä on lisää orbitaaleja: 2s ja 2p (jossa on kolme 2p-orbitaalia). Näihin orbitaaleihin mahtuu yhteensä kahdeksan elektronia (2s: 2 ja 2p: 6), minkä vuoksi toinen jakso sisältää kahdeksan alkuainetta. Orbitaalien lukumäärän kasvu ja erilaisten energiatasojen järjestys selittävät, miksi pidemmät jaksot voivat sisältää enemmän alkuaineita.
Lisätieto ja mielenkiintoiset seikat
- Vety on erikoinen: vaikka sen elektronikonfiguraatio on 1s1, sen kemialliset ominaisuudet tekevät siitä välillä samanlaisen kuin alkalimetallit ja välillä kuin halogeenit — siksi vetyä voidaan sijoittaa jaksollisessa järjestelmässä eri paikkoihin riippuen käytetystä esitystavasta.
- Helium kuuluu käytännössä jalokaasuihin, koska sen 1s2-konfiguraatio on stabiili ja kemiallisesti inertti, vaikka sen sijoitus jaksollisessa järjestelmässä näkyy yleensä palkkina ryhmän yläreunassa.
- Atomin elektronirakenteen periaatteet — kuten Paulin kieltosääntö, Aufbau-periaate ja Hundin sääntö — yhdessä kvanttilukujen kanssa määräävät sen, kuinka monta alkuaineen muotoa mahtuu kuhunkin jaksoon.
Yhteenvetona: ensimmäisen jakson rajoittuu vain kahteen alkuaineeseen, koska siellä käytettävissä on ainoastaan yksi orbitaali (1s), ja siihen orbitaaliin mahtuu enintään kaksi elektronia. Tästä seuraa, että jakson 1 alkuaineet ovat vety ja helium.
Jaksoittaiset suuntaukset
Koska jaksossa 1 on vain kaksi alkuainetta, ei ole havaittavissa merkittäviä jaksollisia suuntauksia.
Vety
Helium
Jakson 1 alkuaineiden sijainti jaksollisessa järjestelmässä
Vaikka sekä vety että helium kuuluvat s-lohkoon, ne eivät käyttäydy samalla tavalla kuin muut s-lohkon alkuaineet. On kiistelty siitä, mihin nämä kaksi alkuaineita pitäisi sijoittaa jaksollisessa järjestelmässä.
Vety
Vety on joskus litiumin yläpuolella, joskus hiilen yläpuolella, joskus fluorin yläpuolella, joskus sekä litiumin että fluorin yläpuolella (esiintyy kaksi kertaa) tai kelluu muiden alkuaineiden yläpuolella eikä kuulu mihinkään jaksollisen järjestelmän ryhmään.
Helium
Helium on jaksollisessa järjestelmässä lähes aina p-lohkossa olevan neonin yläpuolella, koska se on jalokaasu. Joskus se on kuitenkin berylliumin yläpuolella, koska niillä on samanlainen elektronikonfiguraatio.
Jakson 1 elementit
| Kemiallinen sarja | ||||
| 1 | H | Muut kuin metallit | 1s1 | |
| 2 | Hän | 1s2 | ||
Vety
Vety (symboli: H) on kemiallinen alkuaine. Sen järjestysluku on 1. Vety on vakiolämpötilassa ja -paineessa väritön, hajuton ja mauton. Se kuuluu epämetalleihin, ja se on helposti syttyvää. Se on kaksiatominen kaasu, jonka molekyylikaava on H2 . Sen atomimassa on 1,00794 amu, mikä tekee vedystä kevyimmän alkuaineen.
Vety on kemiallisista alkuaineista runsain. Vedyn runsaus on noin 75 prosenttia. Pääjaksossa olevat tähdet koostuvat pääasiassa vedystä plasmatilassaan. Maassa vetyä on kuitenkin vähemmän. Siksi vetyä tuotetaan teollisesti hiilivedyistä (esim. metaanista). Me käytämme alkuainevetyä paikallisesti tuotantopaikalla. Suurimmat markkinat jakautuvat lähes tasan fossiilisten polttoaineiden jalostukseen, kuten hydrokrackingiin, ja ammoniakin tuotantoon, lähinnä lannoitemarkkinoille. Vetyä voidaan tuottaa vedestä elektrolyysin avulla, mutta tämä prosessi on kaupallisesti huomattavasti kalliimpi kuin vedyn tuotanto maakaasusta.
Yleisimmällä luonnossa esiintyvällä vedyn isotoopilla, protiumilla, on yksi protoni eikä yhtään neutronia. Ioniyhdisteissä se voi saada joko positiivisen varauksen, jolloin siitä tulee kationi, joka koostuu pelkästä protonista, tai negatiivisen varauksen, jolloin siitä tulee anioni, joka tunnetaan nimellä hydridi. Vety voi muodostaa yhdisteitä useimpien alkuaineiden kanssa, ja sitä on vedessä ja useimmissa orgaanisissa yhdisteissä. Sillä on erityisen tärkeä rooli happo-emäskemiassa, jossa moniin reaktioihin liittyy protonien vaihtoa liukoisten molekyylien välillä. Koska vetyatomi on ainoa neutraali atomi, jonka Schrödingerin yhtälö voidaan ratkaista analyyttisesti, vetyatomin energetiikan ja spektrin tutkiminen on ollut avainasemassa kvanttimekaniikan kehityksessä.
Vedyn ja eri metallien vuorovaikutukset ovat erittäin tärkeitä metallurgiassa, koska monet metallit voivat haurastua vedyn vaikutuksesta, sekä kehitettäessä turvallisia tapoja varastoida vetyä polttoaineena käytettäväksi. Vety liukenee hyvin moniin harvinaisten maametallien ja siirtymämetallien yhdisteisiin, ja se voi liueta sekä kiteisiin että amorfisiin metalleihin. Metallien vetyliukoisuuteen vaikuttavat paikalliset vääristymät tai epäpuhtaudet metallin kideristikossa.
Helium
Helium (He) on väritön, hajuton, mauton, myrkytön, inertti yksiatominen kemiallinen alkuaine, joka johtaa jaksollisen järjestelmän jalokaasusarjaa ja jonka järjestysluku on 2. Sen kiehumis- ja sulamispisteet ovat alkuaineista alhaisimmat, ja se on olemassa vain kaasuna, paitsi äärimmäisissä olosuhteissa.
Heliumin löysi vuonna 1868 ranskalainen tähtitieteilijä Pierre Janssen, joka havaitsi aineen ensimmäisenä tuntemattomana keltaisena spektriviivana auringonpimennyksen valossa. Vuonna 1903 Yhdysvaltojen maakaasukentiltä löydettiin suuria heliumvarantoja, ja Yhdysvallat on ylivoimaisesti suurin kaasun toimittaja. Ainetta käytetään kryogeniikassa, syvänmeren hengitysjärjestelmissä, suprajohtavien magneettien jäähdyttämiseen, heliumdeittailussa, ilmapallojen täyttämiseen, ilmalaivojen nosteeseen ja suojakaasuna teollisuudessa, kuten kaarihitsauksessa ja piikiekkojen kasvatuksessa. Pieni määrä kaasua hengitettynä muuttaa tilapäisesti ihmisen äänen sävyä ja laatua. Nestemäisen helium-4:n kahden nestemäisen faasin, helium I:n ja helium II:n, käyttäytyminen on tärkeää tutkijoille, jotka tutkivat kvanttimekaniikkaa ja erityisesti suprajuoksevuuden ilmiötä, sekä tutkijoille, jotka tutkivat lähellä absoluuttista nollapistettä olevien lämpötilojen vaikutuksia aineeseen, kuten suprajohtavuutta.
Helium on toiseksi kevyin alkuaine ja toiseksi yleisin havaittavissa olevassa maailmankaikkeudessa. Suurin osa heliumista muodostui alkuräjähdyksen aikana, mutta uutta heliumia syntyy tähdissä tapahtuvan vedyn ydinfuusion tuloksena. Maapallolla helium on suhteellisen harvinaista, ja sitä syntyy joidenkin radioaktiivisten alkuaineiden luonnollisessa hajoamisessa, koska emittoituvat alfahiukkaset koostuvat heliumytimistä. Tätä radiogeenistä heliumia on maakaasun mukana jopa seitsemän tilavuusprosentin pitoisuuksina, joista se erotetaan kaupallisesti matalassa lämpötilassa tapahtuvalla jakotislausprosessilla.
Helium-purkausputki
Deuterium-purkausputki
Vetypurkausputki
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on jakson 1 alkuaine?
A: Jakson 1 alkuaine on jaksollisen järjestelmän ensimmäisellä rivillä oleva alkuaine.
K: Miten alkuaineet on järjestetty jaksollisessa järjestelmässä?
V: Jaksollisen järjestelmän alkuaineet on järjestetty riveihin, jotta voidaan osoittaa alkuaineiden toistuvat ominaisuudet. Atomiluvun kasvaessa tulevat esiin erilaiset ominaisuudet. Uusi rivi alkaa, kun kemialliset ominaisuudet toistuvat ja alkuaineilla on ryhmän sisällä samanlaisia ominaisuuksia.
K: Kuinka monta alkua on jaksossa 1?
V: Jaksossa 1 on vain kaksi alkuainetta - vety ja helium.
K: Miksi jaksossa 1 on vähemmän alkuaineita kuin muissa jaksoissa?
V: Tämä voidaan selittää nykyaikaisilla atomirakennetta koskevilla teorioilla, joiden mukaan tämä jakso täyttää 1s-orbitaalin ja noudattaa duettosääntöä, mikä tarkoittaa, että se tarvitsee vain kaksi elektronia täydentääkseen valenssikuorensa, joten se voi pitää vain kaksi elektronia 1s-orbitaalissa. Siksi siinä voi olla vain kaksi alkua.
Kysymys: Mitä kvanttifysiikka selittää jaksosta 1?
V: Kvanttifysiikka selittää, miksi jaksossa 1 on vähemmän alkuaineita kuin muissa jaksoissa - tämä johtuu siitä, että se täyttää 1s:n orbitaalin ja noudattaa duettosääntöä, mikä tarkoittaa, että se tarvitsee vain kaksi elektronia täydentääkseen valenssikuorensa, joten sillä voi olla vain kaksi elektronia molemmilla 1s:n orbitaaleilla.
Kysymys: Mitä duettisääntö tarkoittaa?
V: "Duettisääntö" tarkoittaa, että ensimmäisen jakson alkuaine tarvitsee vain kaksi elektronia täydentääkseen valenssikuorensa, joten se voi pitää vain kaksi elektronia 1s-orbitaalissa.
K: Mitä tapahtuu, kun kemialliset ominaisuudet toistuvat? V: Kun kemialliset ominaisuudet toistuvat, jaksollisessa järjestelmässä alkaa uusi rivi, koska atomiluvun kasvaessa syntyy erilaisia ominaisuuksia.
Etsiä