2.5: Układ okresowy pierwiastków

Gdy pierwsi chemicy odkryli więcej pierwiastków, zdali sobie sprawę, że różne pierwiastki można pogrupować na podstawie ich podobnych zachowań chemicznych. Jedna z takich grup obejmuje lit (Li), sód (Na) i potas (K). Wszystkie te pierwiastki są błyszczące, dobrze przewodzą ciepło i prąd oraz mają podobne właściwości chemiczne. Druga grupa obejmuje wapń (Ca), stront (Sr) i bar (Ba), które również są błyszczące, dobrze przewodzą ciepło i elektryczność oraz mają wspólne właściwości chemiczne. Jednakże specyficzne właściwości tych dwóch grup znacznie się od siebie różnią. Na przykład Li, Na i K są znacznie bardziej reaktywne niż Ca, Sr i Ba. Dodatkowo Li, Na i K tworzą związki z tlenem w stosunku dwóch atomów do jednego atomu tlenu, podczas gdy Ca, Sr i Ba tworzą związki z jednym z atomów do jednego atomu tlenu. Fluor (F), chlor (Cl), brom (Br) i jod (I) również wykazują podobne właściwości, ale te właściwości drastycznie różnią się od właściwości któregokolwiek z powyższych pierwiastków.

Dimitrij Mendelejew w Rosji (1869) i Lothar Meyer w Niemczech (1870) niezależnie rozpoznali okresową zależność między właściwościami znanych wówczas pierwiastków. Obie opublikowane tabele z pierwiastkami ułożonymi według rosnącej masy atomowej. Mendelejew poszedł jednak o krok dalej niż Meyer; wykorzystał swoją tabelę do przewidzenia istnienia pierwiastków, które miałyby właściwości podobne do aluminium i krzemu, ale nie były jeszcze znane. Odkrycia galu (1875) i germanu (1886) zapewniły znaczące wsparcie dla pracy Mendelejewa. Chociaż Mendelejew i Meyer toczyli długi spór co do priorytetu, wkład Mendelejewa w rozwój układu okresowego jest obecnie szerzej doceniany.

W XX wieku stało się jasne, że zależność okresowa dotyczy raczej liczb atomowych niż mas atomowych. Współczesne stwierdzenie tej zależności, prawo okresowości, stwierdza, że właściwości pierwiastków są okresowymi funkcjami ich liczb atomowych. Nowoczesny układ okresowy porządkuje pierwiastki w kolejności rosnącej liczby atomowej i grupuje atomy o podobnych właściwościach w tej samej pionowej kolumnie. Każde pole reprezentuje pierwiastek i zawiera jego liczbę atomową, symbol, średnią masę atomową i (czasami) nazwę.

Elementy ułożone są w siedmiu poziomych rzędach, zwanych okresami lub seriami, oraz 18 pionowych kolumn, zwanych grupami. Grupy są oznaczone etykietą u góry każdej kolumny. Aby tabela zmieściła się na jednej stronie, części dwóch wierszy, łącznie 14 kolumn, są zwykle zapisywane pod główną częścią tabeli.

Wiele pierwiastków znacznie różni się właściwościami chemicznymi i fizycznymi, ale niektóre pierwiastki mają podobne zachowanie. Na przykład wiele elementów wygląda na błyszczące, są plastyczne i plastyczne oraz dobrze przewodzą ciepło i prąd. Inne pierwiastki nie są błyszczące, plastyczne ani ciągliwe i są słabymi przewodnikami ciepła i elektryczności. Pierwiastki można podzielić na duże klasy o wspólnych właściwościach: metale (elementy błyszczące, plastyczne, dobrze przewodzące ciepło i prąd — zacieniony na żółto); niemetale (pierwiastki wyglądające na matowe, słabo przewodzące ciepło i prąd — zacienione na czerwono); i metaloidy (pierwiastki, które średnio dobrze przewodzą ciepło i prąd elektryczny i mają pewne właściwości metali i pewne właściwości niemetali - zacienione na fioletowo).

Pierwiastki można również podzielić na pierwiastki główne (lub pierwiastki reprezentatywne) w kolumnach oznaczonych 1, 2 i 13–18; metale przejściowe w kolumnach oznaczonych 3–12; i wewnętrzne metale przejściowe w dwóch rzędach na dole tabeli. Pierwiastki w górnym rzędzie na dole układu to lantanowce, a pierwiastki w dolnym rzędzie to aktynowce. Pierwiastki można dalej podzielić według bardziej specyficznych właściwości, takich jak skład związków, które tworzą. Na przykład pierwiastki z grupy 1 (pierwsza kolumna) tworzą związki składające się z jednego atomu pierwiastka i jednego atomu wodoru. Pierwiastki te (z wyjątkiem wodoru) nazywane są metalami alkalicznymi i wszystkie mają podobne właściwości chemiczne. Pierwiastki z grupy 2 (druga kolumna) tworzą związki składające się z jednego atomu pierwiastka i dwóch atomów wodoru. Nazywa się je metalami ziem alkalicznych i mają podobne właściwości wśród członków tej grupy.

Inne grupy o specyficznych nazwach to pniktogeny (grupa 15), chalkogeny (grupa 16), halogeny (grupa 17) i gazy szlachetne (grupa 18, znane również jako gazy obojętne). Do grup można również odnosić się za pomocą pierwszego elementu grupy: na przykład chalkogeny można nazwać grupą tlenową lub rodziną tlenową. Wodór jest unikalnym, niemetalicznym pierwiastkiem o właściwościach podobnych do pierwiastków z grupy 1 i grupy 17. Z tego powodu wodór może być pokazany na górze obu grup lub sam.

Pierwiastek 43 (technet), pierwiastek 61 (promet) i większość pierwiastków o liczbie atomowej 84 (polon) i wyższej ma masę atomową podaną w nawiasach kwadratowych. Odbywa się to w przypadku pierwiastków składających się wyłącznie z niestabilnych, radioaktywnych izotopów (promieniotwórczość została omówiona bardziej szczegółowo w rozdziale o chemii jądrowej). Dla tych pierwiastków nie można określić średniej masy atomowej, ponieważ ich względna liczebność może znacznie różnić się w zależności od źródła lub może nawet nie występować w przyrodzie. Liczba w nawiasach kwadratowych to liczba masowa atomowa, która jest przybliżoną masą atomową najbardziej stabilnego izotopu tego pierwiastka.

Układ okresowy pierwiastków jest ważnym odniesieniem w chemii do organizowania pierwiastków. Tabela zawiera siedem wierszy lub okresów ponumerowanych od góry do dołu oraz osiemnaście kolumn nazywanych grupami lub rodzinami.

Podczas gdy nowoczesny system numeracji zalecany przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) numeruje grupy od 1 do 18, Chemical Abstracts Services używa cyfr i liter rzymskich do oznaczania grup. Tutaj główne elementy grupy są oznaczone literą A, a elementy przejściowe są oznaczone literą B. 

Pierwiastki w układzie okresowym pierwiastków są uporządkowane od lewej do prawej i od góry do dołu poprzez zwiększenie liczby atomowej. Te o podobnych właściwościach należą do tej samej grupy.    

Niektóre z grup mają nazwy zwyczajowe. Pierwiastki z grupy 1, z wyjątkiem wodoru, są znane jako metale alkaliczne, a pierwiastki z grupy 2 jako metale ziem alkalicznych. Wszystkie te metale są bardzo reaktywne i występują w przyrodzie w połączeniu z innymi pierwiastkami.

Wysoce reaktywne pierwiastki niemetaliczne z grupy 17 są znane jako halogeny. Niereaktywne, niemetaliczne pierwiastki z grupy 18 określa się mianem gazów szlachetnych lub obojętnych. 

Pierwiastki można podzielić na trzy szerokie klasy: metale, niemetale i metaloidy. 

Metale są zgrupowane po lewej i środkowej stronie układu okresowego pierwiastków i stanowią zdecydowaną większość pierwiastków. Są dobrymi przewodnikami elektryczności i ciepła. Wszystkie są stałe w temperaturze pokojowej, z wyjątkiem rtęci, która jest płynna. 

Metale są błyszczące i można je wbijać w arkusze i wciągać w druty. Metale, takie jak potas, mają tendencję do utraty elektronów w celu utworzenia kationów, dodatnio naładowanych jonów, gdy reagują z innymi pierwiastkami. 

Niemetale są zgrupowane po prawej stronie układu okresowego pierwiastków i zwykle są słabymi przewodnikami ciepła i elektryczności. W temperaturze pokojowej niektóre są stałe, podczas gdy inne są cieczami lub gazami. Niemetale mają tendencję do pozyskiwania elektronów i tworzenia anionów, ujemnie naładowanych jonów, gdy reagują z innymi pierwiastkami.

Metaloidy to pierwiastki, które znajdują się wzdłuż granicy między metalami i niemetalami. Są najmniejszą klasą pierwiastków i wykazują właściwości mieszane. 

Wszystkie metaloidy występują w postaci ciał stałych w temperaturze pokojowej. Niektóre z nich, na przykład krzem i german, działają jak półprzewodniki, co oznacza, że w przeciwieństwie do metali lepiej przewodzą prąd elektryczny wraz ze wzrostem temperatury.

Pierwiastki w układzie okresowym są  również podzielone na trzy kategorie w zależności od ich lokalizacji: pierwiastki z grupy głównej, metale przejściowe i wewnętrzne metale przejściowe, znane również jako lantanowce i aktynowce dla pierwszego pierwiastka w serii w każdym rzędzie.