Blokken van het periodiek systeem
De s-, p-, d- en f-blokken geven aan welk type atomaire subschil wordt gevuld wanneer je door het periodiek systeem gaat. Hun breedte en plaats zijn niet decoratief: ze volgen uit de capaciteit van orbitalen en uit de energievolgorde waarin subschillen beschikbaar komen.
Definitie van een blok en capaciteit van subschillen
Het s-blok hoort vooral bij het vullen van ns-orbitalen; het p-blok bij np, het d-blok bij (n−1)d en het f-blok bij (n−2)f. Een s-subschil kan 2 elektronen bevatten, p 6, d 10 en f 14. Die aantallen zijn precies de kenmerkende breedtes van de vier blokken.
s-blok
Groepen 1–2 plus helium wanneer je strikt naar de elektronenconfiguratie kijkt. Het typische buitenste patroon is ns¹–². Een s-subschil bevat één ruimtelijk orbitaal en kan volgens het uitsluitingsprincipe van Pauli twee elektronen met tegengestelde spin bevatten.
p-blok
Groepen 13–18, behalve He in de strikte subschilclassificatie. Het algemene buitenpatroon is ns²np¹–⁶. Drie p-orbitalen leveren zes elektronenplaatsen en verklaren zo de zes kolommen.
d-blok
Overgangselementen. De (n−1)d-orbitalen worden geleidelijk gevuld; in de werkelijke chemie spelen vaak zowel ns- als d-elektronen mee omdat deze subschillen dicht bij elkaar in energie kunnen liggen.
f-blok
Lanthaniden en actiniden. Daar worden (n−2)f-orbitalen gevuld. De twee reeksen staan meestal onder de hoofdtafel om ruimte te besparen, maar elektronisch horen ze tussen de s- en d-gebieden van periode 6 en 7.
Hoe de vorm van het periodiek systeem ontstaat
Een periode kan subschillen met verschillende hoofdkwantumgetallen vullen. Periode 4 begint met 4s, loopt door 3d en eindigt met 4p. De rij is dus niet simpelweg een reeks subschillen met hetzelfde n-getal.
Periode 1 bevat alleen 1s en telt 2 elementen. Perioden 2 en 3 vullen ns en np en tellen elk 8 elementen. Perioden 4 en 5 voegen een d-blok van tien elementen tussen s en p in en komen op 18. Perioden 6 en 7 bevatten bovendien het f-blok met veertien plaatsen en kunnen 32 elementen omvatten.
De losgetekende f-rijen zijn een typografische keuze. In een lange vorm staan lanthaniden en actiniden werkelijk binnen periode 6 en 7 tussen s en d; ze naar beneden verplaatsen voorkomt een extreem brede tabel.
Configuraties aflezen uit de positie
De plaats binnen een blok geeft snel het patroon van de laatste subschil. In de tweede kolom van het p-blok eindigt een configuratie bijvoorbeeld op np²; in de vijfde op np⁵, samen met het voorafgaande ns² bij hoofdgroepelementen.
Zwavel staat in periode 3 en in de vierde kolom van het p-blok: [Ne]3s²3p⁴. Calcium staat in periode 4, tweede kolom van s: [Ar]4s². Scandium begint de 3d-reeks na 4s²: [Ar]3d¹4s². Positie is dus een krachtige snelmethode, maar bij dicht bij elkaar liggende d- en f-subschillen moet de gemeten grondtoestand altijd worden gecontroleerd.
Kies s, p, d of f om het patroon te bekijken.
De blokindeling is nuttig, maar niet onfeilbaar
De blokclassificatie volgt de elektronenstructuur, maar afzonderlijke grondtoestanden vertonen uitzonderingen. Cr en Cu volgen niet de eenvoudigste voorspelling 4s²3dⁿ; bij zwaardere d- en f-elementen zijn er meer onregelmatigheden omdat naburige subschillen dicht bij elkaar in energie liggen.
Helium is instructief: de configuratie 1s² is elektronisch een s-blokpatroon, maar He staat in groep 18 omdat zijn gesloten schil en chemisch gedrag bij de edelgassen horen. Het periodiek systeem codeert dus zowel orbitaalvulling als terugkerende chemische overeenkomst.
Opbouw per periode
| Periode | Subschillen die worden gevuld | Maximum aantal elementen |
|---|---|---|
| 1 | 1s | 2 |
| 2 | 2s, 2p | 8 |
| 3 | 3s, 3p | 8 |
| 4 | 4s, 3d, 4p | 18 |
| 5 | 5s, 4d, 5p | 18 |
| 6 | 6s, 4f, 5d, 6p | 32 |
De volgorde per periode laat zien waarom het periodenummer en het n-getal van de subschil die wordt gevuld niet altijd gelijk zijn. In periode 4 wordt 3d gevuld en in periode 6 wordt 4f gevuld.
Blokken verbinden positie met chemie
s-blokmetalen hebben doorgaans één of twee ns-elektronen die relatief gemakkelijk kunnen worden verwijderd. In het p-blok loopt de chemie van metalen via metalloïden naar sterk elektronegatieve niet-metalen. d-blokelementen vertonen vaak meerdere oxidatietoestanden en coördinatiechemie doordat verschillende s- en d-toestanden dicht bij elkaar liggen.
In het f-blok schermen 4f-elektronen de stijgende kernlading slecht af terwijl ze relatief sterk gecontraheerd blijven. Daardoor ontstaat de lanthanidecontractie, die ook de atoomgrootte en chemie van latere overgangsmetalen beïnvloedt.
Helium en de grenzen van één classificatie
Elektronisch is He 1s² en zou het onder een strikte definitie in het s-blok vallen. Chemisch maakt de volledig gevulde eerste schil helium onmiskenbaar een edelgas, zodat het boven Ne in groep 18 staat. Eén label kan dus niet alle informatie van de tabel samenvatten.
Vergelijkbare discussies over de precieze eindpunten van het f-blok hebben dezelfde oorzaak: bloknamen zijn verklarende hulpmiddelen, terwijl echte elektronische structuren dicht bij classificatiegrenzen kunnen liggen.
Groepsnummers en positie binnen een blok
Voor het p-blok komen de groepen 13–18 grofweg overeen met ns²np¹ tot ns²np⁶. Daarom hebben C en Si, beide in groep 14, hetzelfde valentiepatroon ns²np² hoewel hun hoofdkwantumgetal verschilt.
In het d-blok is de relatie minder direct omdat bezettingen van ns en (n−1)d kunnen herschikken. Het groepsnummer blijft een nuttige aanwijzing voor elektronental en chemie, maar oxidatietoestanden en werkelijke configuraties moeten per element worden nagegaan.
De vertraagde d-blokreeks
De eerste d-subschil is 3d, maar die begint pas in periode 4 te vullen omdat 4s eerst energetisch toegankelijk wordt. Evenzo hoort 4d bij periode 5 en 5d bij periode 6. Het periodenummer noemt de hoogste hoofdschil die aan begin en eind van de rij bezet is, niet iedere subschil die tussendoor wordt gevuld.
Het f-blok en de lanthanidecontractie
Door de 4f-reeks schermen toegevoegde f-elektronen de toenemende kernlading slecht af. De buitenste elektronenwolk trekt geleidelijk samen: de lanthanidecontractie. Het effect reikt voorbij het f-blok; Hf wordt daardoor bijna even groot als Zr en beïnvloedt de chemie van de 5d-reeks.
Het f-blok is dus geen los aanhangsel. De elektronenstructuur ervan verandert de afmetingen en de chemie van elementen die erna in het hoofdgedeelte van de tabel komen.
Oefeningen
Lengte van periode 4
Waarom bevat periode 4 precies 18 elementen?
Oplossing
Er worden 4s² + 3d¹⁰ + 4p⁶ gevuld. Dat zijn samen 18 toegevoegde elektronen en dus 18 plaatsen in de periode.
Seleen
Se staat in periode 4 en in de vierde kolom van het p-blok. Wat is de buitenste configuratie?
Oplossing
4s²4p⁴, voorafgegaan door een volledig 3d¹⁰ en de [Ar]-kern. Na [Ar] luidt de volledige buitenreeks 3d¹⁰4s²4p⁴.
f-blok
Waarom is het f-blok 14 elementen breed?
Oplossing
Voor f is ℓ = 3, zodat 2ℓ + 1 = 7 orbitalen bestaan. Elk orbitaal kan twee elektronen bevatten: 7 × 2 = 14.