Í lotukerfinu (periodic system) er öllum frumeindum eða atómum sem til eru skipað í kerfi sem hægt er að sýna í töflu. Taflan sýnir innbyrðis skyldleika frumeindanna eftir massa þeirra, sætistölu og rafeindaskipan. Lotukerfið sýnir um leið efnafræðilegan skyldleika frumefna (elements), það er efna sem samsett eru úr einni gerð frumeinda hvert um sig.
Frumeindir eru samsettar úr kjarna (nucleus) í miðju og neikvætt hlöðnum rafeindum (electrons) umhverfis hann. Frumeindarkjarni inniheldur meðal annars jákvætt hlaðnar agnir sem nefnast róteindir (protons). Fjöldi rafeinda og róteinda í frumeind er jafn og nefnist sætistala (atomic number). Rafeindir eru dreifðar umhverfis kjarna á svæðum sem nefnast líkindasvæði eða svigrúm (orbital). Svigrúm eru auðkennd með þremur tölum, það er skammtatölunum n (meginskammtatala), l (hverfiþungatala) og m (ofanvarpstala).
Gerð svigrúma er flokkuð eftir gildi tölunnar l og þau nefnd s-svigrúm (l = 0), p-svigrúm (l = 1), d-svigrúm (l =2) eða f-svigrúm (l = 3). Orka rafeinda í viðkomandi svigrúmum vex með n og l, eins og sýnt er á mynd 1.
Mynd 1. Orka viðbótarrafeindar í atómi eftir því í hvaða svigrúm hún sest. Myndin skýrir í hvaða röð rafeindirnar raðast í svigrúmin. Pílurnar sýna röðun rafeindanna í atómum frumefnisins kísils (Si) sem hefur sætistöluna 14.
Ekki geta fleiri en tvær rafeindir verið í sama svigrúmi og rafeindir frumeinda raðast við eðlilegar aðstæður í orkulægstu svigrúmin. Niðurröðun rafeinda í svigrúm kísilatómsins (silicium, Si; sætistala = fjöldi rafeinda = Z = 14) er sýnd með pílunum á mynd 1. Lotukerfið endurspeglar skipan rafeinda í svigrúm.
Rússneski efnafræðingurinn D. Mendelejev (1834-1907) setti fram fyrsta vísinn að lotukerfinu í núverandi mynd árið 1869. Einföld framsetning á lotukerfi í núverandi mynd er sýnd á mynd 2, þar sem frumefni eru auðkennd með bókstafstáknum og sætistölur eru einnig tilgreindar.
Mynd 2. Tafla um lotukerfið með efnatáknum frumefnanna og sætistölum þeirra. Efni sem hafa sama lit á myndinni hegða sér svipað í efnahvörfum og efnasamböndum.
Lárétt lína í lotukerfinu nefnist lota (period). Frumefnum er raðað með vaxandi sætistölu frá vinstri til hægri, það er út eftir lotu, sem og niður töfluna. Jafnframt eru hópar frumeinda flokkaðir saman eftir svigrúmaskipan orkuríkustu rafeinda í frumeindunum, svokallaðra gildisrafeinda (valence electrons) sem eru yst í atómi og ráða mestu um hegðun þess gagnvart öðrum atómum í kring. Frumeindir í ákveðnum lóðréttum dálki lotukerfisins hafa sama fjölda gildisrafeinda og þær eru um leið oftast í svigrúmum sömu gerðar (s, p, d eða f). Einungis meginskammtatalan n breytist þegar farið er niður eftir dálki og fer þá vaxandi. Þannig hafa frumefnin, C, Si, Ge, Sn og Pb öll tvær gildisrafeindir í p-svigrúmum, en n hækkar frá n = 2 (C) í n = 6 (Pb). Á mynd 3 eru sýnd vensl milli frumeinda og svigrúma gildisrafeinda og meginskammtatölur tilgreindar fyrir frumeindir með gildisrafeindir í s og p svigrúmum.
Mynd 3. Lotukerfið og skammtatölur svigrúma.
Í ljós kemur að ólík frumefni sem tilheyra sama dálki í lotukerfinu hafa svipaða efnafræðieiginleika, sem helgast af því að skipan gildisrafeinda frumeindanna ræður miklu um eiginleika viðkomandi efna. Þannig er til dæmis sammerkt frumefnum með gildisrafeindir í d-svigrúmum frumeindanna (og í s-svigrúmum að hluta; merkt d(s) á mynd 3) að þau eru málmar (metals); hafa málmeiginleika.
Umrædd frumefni nefnast hliðarmálmar (transition metals). Frumefni í dálki lengst til vinstri í lotukerfinu (auðkennd með rauðum ferningum á mynd 3) með eina gildisrafeind í s-svigrúmum frumeindanna, eru hvarfgjarnir málmar, svokallaðir alkalímálmar (alkaline metals). Þá má nefna að frumefni í dálki lengst til hægri í lotukerfinu (gulir ferningar á mynd 3) með fyllt p-svigrúm eru allt lofttegundir, svo að nokkur dæmi séu nefnd.
Í lotukerfið er oft bætt við ýmsum upplýsingum um viðkomandi frumeindir og/eða frumefni. Dæmi um það má finna víða á Veraldarvefnum (sjá lista hér á eftir).
Frekara lesefni á Vísindavefnum:
Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.
Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar
um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að
svara öllum spurningum.
Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að
svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki
nægileg deili á sér.
Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.
Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!
Sólin
Rís 05:22 • sest 21:31
Tunglið
Rís 23:11 • Sest 05:11
Flóð
Árdegis: 06:38 • Síðdegis: 18:56
Fjara
Árdegis: 00:39 • Síðdegis: 12:46
