Block i periodiska systemet

Definition av block och underskalens kapacitet

s-blocket motsvarar främst fyllning av ns-orbitaler; p-blocket np, d-blocket (n−1)d och f-blocket (n−2)f. Ett s-underskal rymmer 2 elektroner, p 6, d 10 och f 14. Dessa tal är exakt de karakteristiska bredderna hos de fyra blocken.

s-blocket

Grupperna 1–2 samt helium om man klassificerar strikt efter elektronkonfiguration. Det typiska yttersta mönstret är ns¹–². Ett s-underskal har en rumslig orbital och kan enligt Paulis uteslutningsprincip innehålla två elektroner med motsatt spinn.

p-blocket

Grupperna 13–18, utom He i strikt underskalsklassifikation. Det allmänna yttre mönstret är ns²np¹–⁶. Tre p-orbitaler ger sex elektronplatser och förklarar därmed blockets sex kolumner.

d-blocket

Övergångselementen. (n−1)d-orbitalerna fylls successivt; den verkliga kemin omfattar ofta både ns- och d-elektroner eftersom dessa underskal kan ligga nära varandra i energi.

f-blocket

Lantanoider och aktinoider. Här fylls (n−2)f-orbitaler. De två serierna ritas oftast under huvudtabellen för att spara bredd, men elektroniskt hör de mellan s- och d-områdena i period 6 respektive 7.

Så byggs periodiska systemets form

En period kan fylla underskal med olika huvudkvanttal. Period 4 börjar i 4s, fortsätter genom 3d och avslutas i 4p. Raden är alltså inte bara en följd av underskal med samma n-värde.

Period 1 innehåller bara 1s och har 2 grundämnen. Perioderna 2 och 3 fyller ns och np och har 8 vardera. Perioderna 4 och 5 lägger in ett tio platser brett d-block mellan s och p och når 18. Perioderna 6 och 7 omfattar också f-blocket med fjorton platser och kan rymma 32 grundämnen.

De fristående f-raderna är ett typografiskt val. I en lång form ligger lantanoiderna och aktinoiderna faktiskt inne i perioderna 6 och 7 mellan s och d; att flytta ner dem gör tabellen hanterligt bred.

Läs konfigurationer från positionen

Positionen i ett block ger snabbt mönstret för det sista underskalet. I andra kolumnen av p-blocket slutar konfigurationen exempelvis på np²; i femte på np⁵, tillsammans med föregående ns² för huvudgruppselement.

Svavel ligger i period 3 och i fjärde kolumnen av p-blocket: [Ne]3s²3p⁴. Kalcium ligger i period 4, andra kolumnen av s: [Ar]4s². Skandium öppnar 3d-serien efter 4s²: [Ar]3d¹4s². Positionen är en kraftfull genväg, men när d- och f-underskal ligger nära i energi måste den uppmätta grundtillståndskonfigurationen kontrolleras.

Blockkartan är användbar men inte ofelbar

Blockklassifikationen följer elektronstrukturen, men enskilda grundtillstånd har undantag. Cr och Cu följer inte den enklaste förutsägelsen 4s²3dⁿ, och tyngre d- och f-element visar fler oregelbundenheter eftersom närliggande underskal ligger nära varandra i energi.

Helium är ett lärorikt fall: konfigurationen 1s² är elektroniskt ett s-blocksmönster, men He placeras i grupp 18 eftersom det slutna skalet och den kemiska reaktiviteten passar ädelgaserna. Periodiska systemet kodar alltså både orbitalfyllning och återkommande kemisk likhet.

Uppbyggnad period för period

Mönstret period för period visar varför periodnumret och n-värdet för underskalet som fylls inte alltid är samma. I period 4 fylls 3d; i period 6 fylls 4f.

Block kopplar position till kemi

s-blocksmetaller har vanligen en eller två ns-elektroner som är relativt lätta att avlägsna. p-blockets kemi sträcker sig från metaller via halvmetaller till starkt elektronegativa icke-metaller. d-blockselement uppvisar ofta flera oxidationstal och koordinationskemi eftersom flera s- och d-tillstånd ligger nära i energi.

I f-blocket skärmar 4f-elektroner den ökande kärnladdningen dåligt samtidigt som de är relativt kontraherade. Den svaga skärmningen ger lantanidkontraktionen, som också påverkar storleken och kemin hos senare övergångsmetaller.

Helium och gränsen för en enda klassifikation

Elektroniskt är He 1s² och skulle passa i en strikt s-blocksdefinition. Kemiskt gör det helt fyllda första skalet helium till en tydlig ädelgas, så det står över Ne i grupp 18. Ett enda klassifikationsnamn kan alltså inte sammanfatta all information i tabellen.

Liknande diskussioner om de exakta ändpunkterna för f-blocket har samma bakgrund: blocknamn är förklaringsverktyg, medan verkliga elektronstrukturer kan ligga nära gränsen mellan klassifikationer.

Gruppnummer och position i blocket

I p-blocket motsvarar grupperna 13–18 i stora drag ns²np¹ till ns²np⁶. Därför delar C och Si, båda i grupp 14, valensmönstret ns²np² trots att deras huvudkvanttal skiljer sig.

I d-blocket är sambandet mindre direkt eftersom besättningarna av ns och (n−1)d kan omordnas. Gruppnumret ger fortfarande viktig information om elektrontal och kemi, men oxidationstal och verkliga konfigurationer måste kontrolleras för varje grundämne.

Den fördröjda d-blockssekvensen

Det första d-underskalet är 3d, men det börjar inte fyllas förrän i period 4 eftersom 4s blir energetiskt tillgängligt först. På samma sätt hör 4d till period 5 och 5d till period 6. Periodnumret anger den högsta huvudskal som är besatt vid radens början och slut, inte varje underskal som fylls däremellan.

f-blocket och lantanidkontraktionen

Genom 4f-serien skärmar tillagda f-elektroner den ökande kärnladdningen dåligt. Det yttre elektronmolnet dras gradvis samman: lantanidkontraktionen. Effekten når bortom f-blocket; Hf blir nästan lika stort som Zr och det påverkar kemin genom 5d-serien.

f-blocket är alltså inte ett frikopplat bihang. Dess elektronstruktur förändrar dimensioner och kemi hos grundämnen som följer efter det i huvudtabellen.

Övningar

Period 4:s längd

Varför innehåller period 4 exakt 18 grundämnen?

Selen

Se ligger i period 4 och i fjärde kolumnen av p-blocket. Vilken är dess yttre konfiguration?

f-blocket

Varför är f-blocket 14 grundämnen brett?