Name: how valence electrons shape the periodic table
Uploaded: 2020-09-03T13:38:28.000Z
Duration: 4 min
Channel: JoVE

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North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Chemistry

Matter and its Interactions

PS.Chm.2.1

Periodic Classification of the Elements

Gli elettroni che occupano il guscio più esterno di un atomo sono elettroni di valenza, mentre gli elettroni che occupano i livelli energetici principali interni sono gli elettroni centrali. Un atomo di sodio con una configurazione elettronica 3s1 ha tre principali livelli di energia. I livelli completi di energia principale interna con 2s22p6 indicano che ci sono dieci elettroni centrali, seguiti dal terzo livello più esterno contenente il restante elettrone.

Pertanto il sodio ha un elettrone di valenza. Allo stesso modo, il cloro ha dieci elettroni centrali e sette elettroni di valenza. Gli elettroni di valenza sono i più lontani dal nucleo e sono legati più liberamente.

Dunque, sono i più facili da perdere o condividere, e svolgono un ruolo importante nel legame chimico. Gli elementi che hanno lo stesso numero di elettroni di valenza mostrano proprietà chimiche simili, come si può notare nella disposizione della moderna tavola periodica. Per gli elementi del gruppo principale, la lettera del numero del gruppo equivale al numero di elettroni di valenza e il numero di riga è uguale al numero quantico principale più elevato di quell'elemento.

Ogni elemento in un gruppo ha lo stesso numero di elettroni disponibili per il legame. Alla fine del gruppo, il numero quantico principale aumenta di uno, mentre il numero degli elettroni di valenza rimane lo stesso. Le due colonne all'estrema sinistra della tavola periodica costituiscono il blocco s.

Per questi elementi, l'ultimo elettrone entra in un orbitale s. Gli elementi del gruppo uno, ad eccezione dell'idrogeno, sono detti metalli alcalini e sono estremamente reattivi poiché hanno un solo elettrone di valenza. Gli elementi del gruppo due sono i metalli alcalino terrosi con due elettroni nel guscio di valenza.

Le sei colonne all'estrema destra formano il blocco p. Il guscio di valenza di questi elementi ha completamente occupato gli orbitali s e l'ultimo elettrone entra nell'orbitale p. Dal gruppo tre A al gruppo otto A, il numero di elettroni negli orbitali p aumenta di uno.

I gas nobili hanno otto elettroni di valenza a eccezione dell'elio, che appartiene al blocco s, e ha solo due elettroni. Il blocco d è costituito dalle dieci colonne poste fra i blocchi s e p. Questi elementi sono indicati come i metalli di transizione.

L'ultimo elettrone entra nell'orbitale d del guscio principale con numero inferiore di uno rispetto al numero della riga. Nella quarta riga, tre orbitali, nella quinta riga quattro orbitali d, e così via. Gli elementi di transizione interni costituiscono il blocco f e hanno l'ultimo elettrone che entra in un orbitale f.

Il numero quantico principale degli orbitali f che riempiono ogni riga è inferiore di due al numero della riga. Nella sesta riga, si riempiono quattro orbitali f, e nella settima riga si riempiono cinque orbitali f. Gli elementi di transizione interni sono disposti nella serie dei lantanidi e nella serie degli attinidi.

Il numero di colonne in ogni blocco indica quanti elettroni possono essere immessi nel sottolivello del blocco. Due colonne nel blocco s sono correlate ad un orbitale s con due elettroni, e sei colonne nel blocco p rappresentano tre orbitali p con sei elettroni, mentre dieci colonne nel blocco d corrispondono a cinque orbitali d con due elettroni ciascuno. Infine, il blocco f comprende quattordici colonne, che indicano la capacità massima di sette orbitali f.

classificazione periodica degli elementi

La tavola periodica organizza gli atomi in base al numero atomico crescente in modo che gli elementi con le stesse propriet chimiche si ripetano periodicamente. Quando le loro configurazioni elettroniche vengono aggiunte alla tabella, si osserva una ricorrenza periodica di configurazioni elettroniche simili nei gusci esterni di questi elementi. Poich si trovano negli strati esterni di un atomo, gli elettroni di valenza svolgono il ruolo pi importante nelle reazioni chimiche. Gli elettroni esterni hanno l'energia pi alta tra gli elettroni di un atomo e vengono persi o condivisi pi facilmente rispetto agli elettroni del nucleo. Gli elettroni di valenza sono anche il fattore determinante in alcune propriet fisiche degli elementi.

Le righe orizzontali sono note come periodi. Durante un periodo, ogni elemento consecutivo ha un protone aggiuntivo nel nucleo e un elettrone aggiuntivo nel guscio di valenza. Le colonne verticali sono gruppi. Gli elementi di qualsiasi gruppo (o colonna) hanno lo stesso numero di elettroni di valenza (Figura 1); i metalli alcalini litio e sodio hanno ciascuno un solo elettrone di valenza, i metalli alcalino terrosi berillio e magnesio ne hanno ciascuno due, e gli alogeni fluoro e cloro hanno ciascuno sette elettroni di valenza. la perdita, l’acquisto o la condivisione degli elettroni di valenza che definisce il modo in cui gli elementi reagiscono. La somiglianza nelle propriet chimiche tra gli elementi dello stesso gruppo si verifica perch hanno lo stesso numero di elettroni di valenza.

importante ricordare che la tavola periodica stata sviluppata sulla base del comportamento chimico degli elementi, ben prima che fosse disponibile qualsiasi idea della loro struttura atomica. Ora si comprende la disposizione della tavola periodica; gli elementi i cui gli atomi hanno lo stesso numero di elettroni di valenza appartengono allo stesso gruppo. Le sezioni colorate della Figura 1 mostrano le tre categorie di elementi classificati in base agli orbitali riempiti.

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Figura 1: questa versione della tavola periodica mostra la configurazione di ciascun elemento. Tieni presente che in ciascun gruppo la configurazione spesso simile.

Gli elementi principali del gruppo sono talvolta chiamati elementi rappresentativi. Questi sono gli elementi in cui l'ultimo elettrone aggiunto entra in un orbitale s o p nel guscio pi esterno, mostrato in blu e rosso nella Figura 1. Questa categoria comprende tutti gli elementi non metallici, nonch i metalloidi e molti metalli. Gli elettroni di valenza per gli elementi del gruppo principale sono quelli con il livello n pi alto. Ad esempio, il gallio (Ga, numero atomico 31) ha la configurazione elettronica [Ar]4s^23d^104p1, che contiene tre elettroni di valenza (sottolineati). Gli orbitali d completamente riempiti contano come elettroni di nucleo, non di valenza.

Le due colonne di estrema sinistra costituiscono il blocco s e le sei colonne di estrema destra costituiscono il blocco p. I gas nobili, che fanno parte del blocco p, hanno tutti otto elettroni di valenza tranne l'elio, che ne ha due. Questi elementi sono altamente stabili e non reattivi.

Elementi di transizione o metalli di transizione: sono elementi metallici in cui l'ultimo elettrone aggiunto entra in un orbitale d. Gli elettroni di valenza (quelli aggiunti dopo l'ultima configurazione del gas nobile) in questi elementi includono gli elettroni ns e (n – 1) d. La definizione ufficiale IUPAC degli elementi di transizione specifica quelli con orbitali d parzialmente riempiti. Pertanto, gli elementi con orbitali completamente pieni (Zn, Cd, Hg, nonch Cu, Ag e Au nella Figura 1) non sono tecnicamente elementi di transizione. Tuttavia, il termine viene spesso utilizzato per riferirsi all'intero blocco d (colorato in giallo nella Figura 1).

Il blocco D composto da 10 colonne. Il numero quantico principale degli orbitali d che si riempiono su ciascuna riga uguale al numero di riga meno uno. Nella quarta riga si riempiono gli orbitali 3D, nella quinta riga si riempiono gli orbitali 4D e cos via.

Elementi di transizione interni: sono mostrati in verde nella Figura 1. I gusci di valenza degli elementi di transizione interni sono costituiti dai sottogusci (n – 2)f, (n – 1)d e ns. Gli elementi di transizione interni costituiscono il blocco f quando l'ultimo elettrone entra in un orbitale f. Il numero quantico principale degli orbitali f che si riempiono su ciascuna riga uguale al numero della riga meno due. Nella sesta riga si riempiono gli orbitali 4f e nella settima riga si riempiono gli orbitali 5f. Esistono due serie di transizione interne:

<ol>
	<li>La serie dei lantanidi: dal lantanide (La) al lutezio (Lu)</li>
	<li>La serie degli attinidi: attinidi (Ac) attraverso lawrencium (Lr)</li>
</ol>

Il lantanio e l'attinio, a causa delle loro somiglianze con gli altri membri della serie, sono inclusi e usati per denominare la serie, anche se sono metalli di transizione privi di elettroni f.

Questo testo adattato da <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/6-4-electronic-structure-of-atoms-electron-configurations">OpenStax Chemistry 2e, Section 6.4: Electronic Structure of Atoms.</a>

Classificazione periodica degli elementi

La tavola periodica organizza gli atomi in base all'aumento del numero atomico in modo che gli elementi con le stesse proprietà chimiche si ripresentino periodicamente. Quando il loro ...

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Periodic Properties of the Elements

Proprietà periodiche degli elementi

KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMINI E CONCETTI CHIAVE

how valence electrons shape the periodic table

The periodic table organizes elements by increasing atomic number, and it also shows why elements in the same group behave alike. As the electron configurations are placed into the table, a repeating pattern appears in the outer shells of atoms. These outer electrons are called valence electrons, and they play the biggest role in chemical reactions. They are the highest-energy electrons in an atom, so they are easier to lose or share than core electrons. Valence electrons also help determine some physical properties of elements.

The horizontal rows on the periodic table are periods. Moving across a period, each next element has one more proton in the nucleus and one more electron in the valence shell. The vertical columns are groups. Elements in the same group have the same number of valence electrons, which is why they often show similar chemical behavior. For example, lithium and sodium each have one valence electron, beryllium and magnesium each have two, and fluorine and chlorine each have seven. Because elements react by losing, gaining, or sharing valence electrons, their group placement helps predict how they will behave.

It is important to remember that the periodic table was built from chemical behavior before atomic structure was understood. Today, the pattern makes sense because elements with the same number of valence electrons are placed in the same group. The colored regions of the table also show three categories based on which orbitals are being filled. Main group elements, also called representative elements, are the elements whose last added electron enters an s or p orbital in the outermost shell. This category includes all nonmetals, the metalloids, and many metals. For main group elements, the valence electrons are the electrons with the highest n level. Gallium, for example, has the electron configuration [Ar] 4s2 3d10 4p1, so it has three valence electrons. The filled d orbitals are counted as core electrons, not valence electrons.

The two far-left columns form the s-block, and the six far-right columns form the p-block. The noble gases are part of the p-block. They usually have eight valence electrons, except helium, which has two. This helps explain why noble gases are highly stable and unreactive. Transition elements, or transition metals, are metallic elements whose last added electron enters a d orbital. Their valence electrons include the ns and (n - 1)d electrons added after the last noble gas configuration. By the official IUPAC definition, transition elements have partially filled d orbitals, so Zn, Cd, Hg, and also Cu, Ag, and Au are not technically transition elements, even though the term is often used for the whole d-block.

The d-block has 10 columns. As you move across each row, the d orbitals that fill have a principal quantum number that is one less than the row number. In the fourth row, 3d orbitals fill; in the fifth row, 4d orbitals fill; and so on. Inner transition elements form the f-block, where the last electron added enters an f orbital. Their valence shells include the (n - 2)f, the (n - 1)d, and the ns subshells. The f orbitals that fill across each row have a principal quantum number that is two less than the row number. In the sixth row, 4f orbitals fill, and in the seventh row, 5f orbitals fill. The two inner transition series are the lanthanides, from lanthanum through lutetium, and the actinides, from actinium through lawrencium. Lanthanum and actinium are included in those series because they are similar to the other members, even though they are transition metals with no f electrons.

How Valence Electrons Shape the Periodic Table

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periodic classification of the elements

The periodic table organizes elements by increasing atomic number, and it also shows why elements in the same group behave alike. As the electron configurations are placed into the table, a repeating pattern appears in the outer shells of atoms. These outer electrons are called valence electrons, and they play the biggest role in chemical reactions. They are the highest-energy electrons in an atom, so they are easier to lose or share than core electrons. Valence electrons also help determine...

ionization energy

Ionization Energy Trends in the Periodic Table

Ionization energy is the energy needed to remove an electron from a gaseous atom or ion in its ground state. The first ionization energy, or IE1, removes the most loosely bound electron and forms a 1+ cation. The second ionization energy, IE2, removes the next electron, and each later ionization energy removes another electron from the atom or ion. Ionization always requires energy, so these processes are endothermic. That means ionization energy values are always positive. In general, larger...

atomic radii and effective nuclear charge

atomic-radii-and-effective-nuclear-charge

Periodic Trends in Atomic Size

Periodic trends in atomic size help explain why atoms get larger or smaller across the periodic table. Elements in the same group show similar chemical behavior because they have the same number and arrangement of valence electrons. Across a period, each new element adds one proton to the nucleus and one electron to the valence shell. Down a group, the number of valence electrons stays the same, but the principal quantum number increases by one. Atomic radius is not easy to define with perfect...

ionic radii

How Ionic Charge Changes Ion Size

Ionic radius describes the size of an ion. It changes when an atom gains or loses electrons. Cations are positive ions with fewer electrons than the parent atom, and they are smaller than the atoms they come from. Aluminum shows this pattern clearly. A neutral aluminum atom has a covalent radius of 118 pm, while Al3+ has an ionic radius of 68 pm. When electrons are removed from the outer valence shell, the remaining core electrons feel a stronger effective nuclear charge, or Zeff. That pull...

electron affinity

Electron Affinity Trends on the Periodic Table

Electron affinity is the energy change that happens when a gaseous atom gains an electron and becomes a negative ion, or anion. For many elements, this process releases energy, so the electron affinity value is negative. For some elements, energy must be added instead, so the value is positive. Electron affinity also applies when more than one electron is added. The second electron affinity is the energy change for adding an electron to an anion to make a 2− ion. Later electron affinities...

alkali metals

Alkali Metals: Reactivity Trends

Alkali metals are Group 1 elements with one valence electron. They are soft, shiny metallic solids that are malleable, ductile, and good conductors of heat and electricity. Their melting points are unusually low for metals and drop as you move down the group. Density generally increases down the group, except for potassium. The trend in atomic size helps explain their behavior. Moving from lithium to cesium, each element has a higher principal quantum number, so the outer electron is farther...

halogens

Halogens: Trends and Reactions

Halogens are Group 17 nonmetals that show clear trends in structure and reactivity. At room temperature, fluorine and chlorine are gases, bromine is a liquid, and iodine is a solid. Astatine is highly unstable and radioactive, so most of its properties are still unknown because it has a very short half-life. Tennessine is a synthetic element that is also predicted to belong to this group. These elements do not usually exist as single atoms. Instead, they form diatomic molecules, which means...

noble gases

Noble Gases: Sources, Uses, and Reactions

Noble gases are the group 18 elements helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon. They were called “noble” because they were once thought to be nonreactive. That idea changed in 1962, when Dr. Neil Bartlett at the University of British Columbia showed that this assumption was not fully correct. These gases occur in very small amounts in the atmosphere. Some natural gas contains 1–2% helium by mass. Helium is separated from natural gas by removing the condensable components, which leaves...

key terms and concepts

Learn how valence electrons explain periodic table groups, blocks, and element behavior, including main group, transition, lanthanide, and actinide elements.

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JoVE Core: Chimica illustra concetti chiave di chimica attraverso video animazioni concise e di immediata comprensione. Inoltre, i video della sezione "scienziati in azione" mostrano procedure metodologiche realizzate da ricercatori provenienti dai migliori laboratori internazionali.

Physical Science

PS.PSc.1.6

Pennsylvania State Academic Standards

Chemical Reactions

3.2.9-12.C

Structure and Properties of Matter

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Louisiana Student Standards for Science

High School

Matter And Its Interactions

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Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

Study Of Matter

Periodic trends of the elements

Structure And Properties Of Matter

Periodic Table

Tennessee Academic Standards

Matter and Its Interactions

CHEM1.PS1.12

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

CH.2

CH.2.b

CH.2.c

PS.2

PS.2.b

PS.4

PS.4.a

PS.4.b

Minnesota Academic Standards in Science

3.1.1 9C.2.1.1.1

9C.3.1.1.1

Arizona Science Standards

HS.P1

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New Jersey Student Learning Standards for Science

Texas Essential Knowledge and Skills

CHEM.5

CHEM.5.A

Alabama Course of Study Science

9-12.C.1.1

9-12.C.1.1.e

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Motion and Stability: Forces and Interactions

9-12.C.2.2.f

9-12.PS.3.4.b

Next Generation Science Standards

Florida Department of Education

SC.912.P.8

SC.912.P.8.5

Chemistry and Physics

IPC.7

IPC.7.A

IPC.7.B

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South Carolina College and Career Ready Science Standards

C-PS1-2

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New York State Science Learning Standards

HS. Structure and Properties of Matter

HS-PS1-1.

Georgia Standards of Excellence

SPS1.

Periodic Table Trends

SC1.

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Classifying Matter by Composition

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Protons and neutrons, collectively called nucleons, are packed together tightly in a nucleus. With a radius of about 10&#8722;15 meters, a nucleus is ...

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The Periodic Table

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Ionization Energy

The amount of energy required to remove the most loosely bound electron from a gaseous atom in its ground state is called its first ionization energy ...

Electron Affinity

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This process can be either ...

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PS.Chm.2.2

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Lewis Symbols and the Octet Rule

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Ionic Bonding and Electron Transfer

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An ionic compound is stable because of the electrostatic attraction between its positive and negative ions. The lattice energy of a ...

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Trends in Lattice Energy: Ion Size and Charge

An ionic compound is stable because of the electrostatic attraction between its positive and negative ions. The lattice energy of a compound is a measure ...

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PS.Chm.3.1

Analyze the structure of atoms and isotopes.

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