Lotukerfið

Lotukerfið er yfirlit yfir öll þekkt frumefni á töfluformi. Efnunum er raðað í töfluna eftir atómnúmeri og hún sýnir hvernig margir eðliseiginleikar efnanna breytast í gegnum töfluna. Hvert efni er sýnt með sætistölu sinni og efnatákni.

Lotukerfið byggist á lotuvirkni frumefnanna sem fer eftir atómtölu þeirra. Taflan skiptist í fjóra hluta sem eru nokkurn veginn ferkantaðir og nefnast blokkir. Raðirnar nefnast lotur og dálkarnir flokkar. Frumefni í sama flokki hafa svipaða eiginleika. Með lotukerfinu er hægt að sjá mynstur þar sem málmleysi (að halda í sínar gildisrafeindir) er vaxandi frá vinstri til hægri og upp í töflunni, en málmeiginleikar (að láta gildisrafeindir af hendi) fara vaxandi í hina áttina. Þessir eiginleikar frumefnanna ráðast af rafeindahýsingu þeirra.

Fyrsta lotukerfið sem var almennt viðurkennt var lotukerfi Dmitris Mendelejevs frá 1869. Hann setti fram lögmálið um lotuvirkni frumefnanna byggða á atómmassa þeirra. Þar sem frumefnin voru ekki öll þekkt á þeim tíma voru eyður í töflunni og Mendelejev notaði lögmálið um lotuvirkni til að sjá fyrir hverjir eiginleikar efnanna sem vantaði væru. Lotulögmálið var viðurkennt sem eitt af grundvallarlögmálum efnisheimsins seint á 19. öld og á 20. öld urðu uppgötvanir í kjarneðlisfræði og skammtafræði til þess að skýra hana út frá samsetningu atóma. Þegar Glenn T. Seaborg uppgötvaði árið 1945 að aktíníð tilheyrðu f-blokk fremur en d-blokk varð til sú framsetning lotukerfisins sem algengust er í dag. Lotukerfið er ómissandi hluti af nútímaefnafræði.

Taflan sýnir ýmis grundvallareinkenni efnanna. Til eru fleiri kerfi, sem sýna eiginleika frumefnanna, annaðhvort í meiri smáatriðum eða frá öðru sjónarhorni. Lotukerfið hefur haldið áfram að þróast með nýjum uppgötvunum. Í náttúrunni finnast engin frumefni með sætistölu yfir 94, en efni með hærri sætistölu hafa verið búin til í tilraunastofum. Í dag eru fyrstu 118 frumefnin þekkt, sem mynda sjö fyrstu raðir töflunnar, en eftir er að staðfesta að eiginleikar þyngstu efnanna samræmist þeirra stað í kerfinu. Ekki er vitað hvort taflan muni halda áfram að stækka umfram þessar sjö raðir. Annars konar framsetningar lotukerfisins hafa verið búnar til og deilt er um hver sé hentugasta framsetningin.

Yfirlit.

Frumeindir eru minnstu einingar alls venjulegs efnis. Frumeindir eru mjög smáar, um einn tíu milljarðasti af metra í þvermál, svo innri bygging þeirra stýrist af skammtaaflfræði. Frumeindir eru gerðar úr litlum jákvætt hlöðnum kjarna, úr jákvætt hlöðnum róteindum og hlutlausum nifteindum, sem er umkringdur skýi af neikvætt hlöðnum rafeindum. Hleðslurnar jafna hver aðra út svo frumeindin er óhlaðin. Rafeindirnar taka þátt í efnahvörfum en ekki kjarninn. Þegar frumeindir taka þátt í efnahvörfum geta þær misst eða grætt rafeindir og myndað jákvætt eða neikvætt hlaðnar jónir. Þær geta líka deilt rafeindum milli sín.

Frumeindir eru flokkaðar eftir fjölda róteinda (og þannig líka rafeinda) sem þær hafa. Þessi fjöldi ræður sætistölu frumeindarinnar, sem er oft táknuð með "Z" (úr þýsku "Zahl" „tala“). Hver sætistala samsvarar því tegund af frumeind. Þessar tegundir eru kallaðar frumefni. Lotukerfið flokkar frumefnin á skipulegan hátt. Frumefnið vetni hefur sætistöluna 1, helín hefur sætistöluna 2, litín sætistöluna 3, og svo framvegis. Nöfn frumefnanna, eins og þau koma fyrir á latínu, eru stytt í eins eða tveggja stafa efnatákn. Efnatáknin fyrir vetni, helín og litín eru þannig H, He og Li. Nifteindir hafa engin áhrif á stöðu frumefnanna, en hafa áhrif á þyngd þeirra. Frumeindir með jafnmargar róteindir en mismikinn fjölda nifteinda nefnast samsætur (ísótópar) sama frumefnis. Í náttúrunni koma frumefnin fyrir sem blanda ólíkra samsæta. Þar sem fjöldi hverrar samsætu er oftast svipaður hafa frumefni vel skilgreindan atómmassa, sem er meðaltal massa frumeinda þess frumefnis eins og þær koma fyrir í náttúrunni.

Í dag eru 118 þekkt frumefni og þau fyrstu 94 finnast í náttúrunni. Af þessum 94 frumefnum eru 80 stöðug, þrjú (bismút, þórín og úran) eru geislavirk og sundrast, en gera það svo hægt að mikið magn þeirra er enn til frá því jörðin myndaðist. Hin 11 efnin eru líka geislavirk og sundrast svo hratt að eina ástæðan fyrir því að þau finnast í náttúrunni er að þau halda áfram að myndast við sundrun þóríns og úrans. Öftustu 24 frumefnin í lotukerfinu eru svo geislavirk óstöðug efni sem hafa verið búin til á rannsóknarstofum.

Lotukerfið er myndræn framsetning á lotulögmálinu sem kveður á um að eiginleikar og innri gerð frumefnanna eru lotufall sætistölu þeirra. Frumefnunum er raðað í lotukerfið eftir rafeindahýsingu þeirra, sem myndar reglulegt mynstur sem skýrir lotubundna eiginleika frumefnanna í lotukerfinu.

Lotur og flokkar.

Hver lárétt lína í töflunni nefnist lota og er taflan nefnd í samræmi við það. Hver dálkur töflunnar nefnist efnaflokkur eða bara flokkur. Í stöðluðu lotukerfi, eins og því sem sjá má hér á eftir, eru 18 flokkar. Öll efni sem eru saman í flokki hafa svipaða efnaeiginleika, sem byggist á því að gildisrafeindir þeirra eru jafnmargar.

Flokkakerfi.

Til eru um þrjú mismunandi flokkakerfi. Eitt þeirra notast við arabíska tölustafi og það er kerfið sem hér er notað og er einnig alþjóðlegur staðall; annað notar eingöngu rómverska tölustafi ( I, II, III, IV, …) og hið þriðja notar blöndu af rómverskum tölustöfum og latneskum bókstöfum (I, II, IIIb, IVb, …)