Kimia notesnota, bab 4

Jadual Berkala Unsur

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Kimia Tingkatan 4 (KSSM), pageshalaman 78–107

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh menghuraikan sejarah perkembangan Jadual Berkala Unsur (4.1.1)
Saya boleh mendeduksikan prinsip asas penyusunan unsur dalam Jadual Berkala Unsur (4.1.2)
Saya boleh memerihalkan Jadual Berkala Unsur moden (4.2.1)
Saya boleh merumuskan hubungan di antara nombor proton dengan kedudukan unsur dalam Jadual Berkala Unsur (4.2.2)
Saya boleh menghubungkaitkan sifat lengai unsur Kumpulan 18 dengan kestabilannya (4.3.1)
Saya boleh mengitlak perubahan sifat fizik unsur apabila menuruni Kumpulan 18 (4.3.2)
Saya boleh memerihalkan kegunaan unsur Kumpulan 18 dalam kehidupan harian (4.3.3)
Saya boleh mengitlak perubahan sifat fizik unsur apabila menuruni Kumpulan 1 (4.4.1)
Saya boleh mengkaji sifat kimia unsur Kumpulan 1 melalui tindak balas dengan air, gas oksigen dan klorin (4.4.2)
Saya boleh mengitlak perubahan kereaktifan unsur apabila menuruni Kumpulan 1 (4.4.3)
Saya boleh menaakul sifat fizik dan sifat kimia unsur lain dalam Kumpulan 1 (4.4.4)
Saya boleh mengitlak perubahan sifat fizik unsur apabila menuruni Kumpulan 17 (4.5.1)
Saya boleh merumuskan sifat kimia unsur Kumpulan 17 (4.5.2)
Saya boleh mengitlak perubahan kereaktifan unsur apabila menuruni Kumpulan 17 (4.5.3)
Saya boleh menaakul sifat fizik dan sifat kimia unsur lain dalam Kumpulan 17 (4.5.4)
Saya boleh menghuraikan trend perubahan sifat fizik unsur merentasi Kala 3 (4.6.1)
Saya boleh mengeksperimen untuk melihat perubahan sifat kimia oksida unsur apabila merentasi Kala 3 (4.6.2)
Saya boleh memerihalkan kegunaan unsur separa logam (4.6.3)
Saya boleh mengenal pasti kedudukan unsur peralihan dalam Jadual Berkala Unsur (4.7.1)
Saya boleh menjelaskan dengan contoh ciri istimewa bagi beberapa unsur peralihan (4.7.2)
Saya boleh menyatakan kegunaan unsur peralihan dalam industri (4.7.3)

4.1Perkembangan jadual berkala unsur

Jadual Berkala Unsur mengelaskan unsur kimia yang diketahui dalam bentuk jadual mengikut ciri-ciri tertentu. Unsur kini disusun mengikut tertib nombor proton yang menaik (1 hingga 118), dan unsur yang mempunyai sifat kimia yang serupa diletakkan dalam lajur menegak yang sama.

Ahli sains	Sumbangan	Kelemahan atau kepentingan
Antoine Lavoisier	Mengelaskan unsur kepada kumpulan gas, bukan logam, logam dan oksida logam	Kurang tepat: cahaya, haba dan beberapa sebatian dianggap unsur; ada unsur dalam kumpulan yang sama menunjukkan sifat kimia berbeza
Johann W. Dobereiner	Triad: tiga unsur dengan sifat kimia serupa; jisim atom Sr hampir sama dengan purata jisim atom Ca dan Ba (juga Cl, Br, I)	Terhad kepada beberapa unsur sahaja, tetapi mengaitkan sifat kimia dengan jisim atom
John Newlands	Hukum Oktaf: unsur disusun mengikut pertambahan jisim atom; sifat unsur kelapan berulang daripada unsur pertama	Hanya dipatuhi oleh 17 unsur yang pertama, tetapi menunjukkan corak berkala
Lothar Meyer	Memplot graf isi padu atom melawan jisim atom; unsur pada kedudukan setara pada lengkung mempunyai sifat serupa (logam alkali di puncak)	Membuktikan ulangan sifat unsur seperti Newlands
Dmitri Mendeleev	Pertambahan jisim atom; unsur sifat serupa dalam lajur menegak yang sama; meninggalkan ruang kosong untuk unsur belum ditemui dan meramal sifatnya	Ramalannya menjadikan jadual diyakini
Henry Moseley	Mengkaji frekuensi sinar-X: setiap unsur ada nombor proton tersendiri; menyusun unsur mengikut nombor proton yang menaik	Asas jadual moden; meramal Tc, Pm, Hf dan Re

Prinsip asas penyusunan unsur (4.1.2): tertib nombor proton yang menaik, iaitu 1 hingga 118. Unsur yang mempunyai sifat kimia serupa diletakkan dalam lajur menegak yang sama. Unsur baharu seperti nihonium (Nh), moscovium (Mc), tennessine (Ts) dan oganesson (Og) dimasukkan ke dalam Kala 7.

Dobereiner mengumpulkan tiga unsur yang sifatnya serupa. Newlands menyusun semua unsur yang diketahui dalam baris mengikut jisim atom dan mendapati sifat berulang pada setiap unsur kelapan.

Newlands dan Mendeleev menggunakan jisim atom. Hanya Moseley menggunakan nombor proton, iaitu asas Jadual Berkala Unsur moden.

Siapakah yang mencadangkan Hukum Oktaf dan apakah hukum itu?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

John Newlands. Apabila unsur disusun mengikut pertambahan jisim atom, sifat kimia dan fizik unsur pertama berulang pada unsur kelapan.

4.2Susunan unsur dalam jadual berkala moden

Unsur disusun mengikut nombor proton yang menaik dari kiri ke kanan dan dari atas ke bawah. Kumpulan ialah lajur menegak (18 kumpulan); kedudukannya ditentukan oleh bilangan elektron valens. Kala ialah baris mengufuk (7 kala); kedudukannya ditentukan oleh bilangan petala yang berisi elektron.

Elektron valens 1 atau 2: Kumpulan = bilangan elektron valens.
Elektron valens 3 hingga 8: Kumpulan = bilangan elektron valens + 10.
Kala = bilangan petala yang berisi elektron.

Unsur	Nombor proton	Susunan elektron	Elektron valens	Kumpulan	Bilangan petala berisi elektron	Kala
Litium, Li	3	2.1	1	1	2	2
Kalsium, Ca	20	2.8.8.2	2	2	4	4
Aluminium, Al	13	2.8.3	3	3 + 10 = 13	3	3
Silikon, Si	14	2.8.4	4	4 + 10 = 14	3	3
Nitrogen, N	7	2.5	5	5 + 10 = 15	2	2
Oksigen, O	8	2.6	6	6 + 10 = 16	2	2
Bromin, Br	35	2.8.18.7	7	7 + 10 = 17	4	4
Kripton, Kr	36	2.8.18.8	8	8 + 10 = 18	4	4

Jadual disusun semula daripada Jadual 4.1, buku teks Kimia Tingkatan 4 KSSM, m.s. 83.

Contoh

Klorin, Cl, nombor proton 17. Susunan elektron 2.8.7, maka 7 elektron valens: Kumpulan 7 + 10 = 17. Tiga petala berisi elektron: Kala 3.

Helium (susunan duplet, 2) berada dalam Kumpulan 18, bukan Kumpulan 2, kerana petala valensnya penuh. Gunakan Jadual Data Unsur (m.s. 276) untuk mendapatkan nombor proton.

Nyatakan susunan elektron, kumpulan dan kala bagi kalium (nombor proton 19).

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

2.8.8.1. Satu elektron valens, maka Kumpulan 1. Empat petala berisi elektron, maka Kala 4.

4.3Unsur dalam Kumpulan 18

Kumpulan 18: helium (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn) dan oganesson (Og). Unsur ini dikenali sebagai gas adi (juga gas nadir) yang mempunyai sifat lengai.

Gas adi tidak reaktif kerana petala valens telah diisi penuh dengan elektron: duplet (helium, 2) atau oktet (neon, argon dan lain-lain). Susunan elektron ini stabil, maka atom gas adi tidak menderma, menerima atau berkongsi elektron dengan atom unsur lain. Gas adi wujud sebagai monoatom.

Perubahan sifat fizik menuruni kumpulan

Unsur	Jejari atom (nm)	Takat lebur (°C)	Takat didih (°C)	Ketumpatan (g cm⁻³)
Helium, He	0.050	-270	-269	0.00017
Neon, Ne	0.070	-248	-246	0.00080
Argon, Ar	0.094	-189	-186	0.00170
Kripton, Kr	0.109	-156	-152	0.00350
Xenon, Xe	0.130	-122	-108	0.00550
Radon, Rn	-	-71	-62	-

Menuruni kumpulan, saiz atom bertambah (elektron dan petala berisi elektron bertambah), maka jejari atom, takat lebur, takat didih dan ketumpatan bertambah. Saiz atom yang lebih besar meningkatkan daya tarikan antara atom; daya ini menjadi lebih kuat dan lebih banyak tenaga haba diperlukan untuk mengatasinya.

Unsur	Kegunaan
Helium	Diisi ke dalam belon kaji cuaca; dalam tangki oksigen penyelam
Neon	Lampu papan iklan
Argon	Diisi ke dalam mentol elektrik; atmosfera lengai dalam kerja mengimpal pada suhu tinggi
Kripton	Lampu denyar kilat pada kamera; laser untuk rawatan retina mata
Xenon	Lampu rumah api; ubat bius
Radon	Merawat kanser

Jelaskan mengapa neon tidak bertindak balas dengan unsur lain.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Petala valens neon telah penuh (oktet, 2.8), iaitu susunan elektron yang stabil, maka atomnya tidak menderma, menerima atau berkongsi elektron.

4.4Unsur dalam Kumpulan 1

Kumpulan 1 (logam alkali): litium (Li), natrium (Na), kalium (K), rubidium (Rb), sesium (Cs) dan fransium (Fr). Setiap atom mempunyai satu elektron valens dan menderma elektron itu untuk membentuk ion bercas +1: M → M⁺ + e⁻.

Sifat fizik dan perubahannya menuruni kumpulan

Unsur	Jejari atom (nm)	Takat lebur (°C)	Takat didih (°C)
Litium, Li	0.133	186	1342
Natrium, Na	0.186	98	880
Kalium, K	0.203	64	760

Logam yang lembut, ketumpatan rendah (terapung di atas air) dan berpermukaan kelabu berkilat pada suhu bilik.
Takat lebur dan takat didih rendah berbanding logam lain (ferum: takat lebur 1540 °C, takat didih 2760 °C).
Menuruni kumpulan, jejari atom bertambah; takat lebur dan takat didih berkurang kerana ikatan logam menjadi lemah, maka kurang tenaga haba diperlukan untuk memutuskannya.

Sifat kimia (sama sifat, berbeza kereaktifan)

Bertindak balas dengan	Hasil	Persamaan
Air	Larutan hidroksida yang beralkali dan gas hidrogen	2Li(p) + 2H₂O(ce) → 2LiOH(ak) + H₂(g)
Gas oksigen	Pepejal putih, oksida logam (larut dalam air menghasilkan larutan beralkali)	4Li(p) + O₂(g) → 2Li₂O(p) Li₂O(p) + H₂O(ce) → 2LiOH(ak)
Gas klorin	Pepejal putih, logam klorida	2Na(p) + Cl₂(g) → 2NaCl(p)

Larutan yang terhasil menukar kertas litmus merah kepada biru.

Kereaktifan bertambah menuruni Kumpulan 1. Bilangan petala berisi elektron dan saiz atom bertambah, maka elektron valens terletak lebih jauh daripada nukleus, daya tarikan nukleus terhadap elektron valens lebih lemah dan elektron itu lebih mudah dimenderma.

Rubidium dan sesium sangat aktif dan mudah terbakar; fransium radioaktif, tidak stabil dan berjangka masa hayat pendek. Kegunaan: litium dalam bateri, natrium dalam lampu wap natrium, sebatian kalium dalam baja.

Kaitkan tiga langkah: petala bertambah, maka daya tarikan nukleus terhadap elektron valens lemah, maka elektron mudah dimenderma. Sebut sentiasa nukleus dan elektron valens.

Eksperimen logam alkali dengan air ialah demonstrasi guru. Gunakan hanya sedikit kuantiti dan masukkan perlahan-lahan kerana tindak balasnya cergas.

Tulis persamaan kimia bagi tindak balas natrium dengan air.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

2Na(p) + 2H₂O(ce) → 2NaOH(ak) + H₂(g)

4.5Unsur dalam Kumpulan 17

Kumpulan 17 (halogen): fluorin (F), klorin (Cl), bromin (Br), iodin (I), astatin (At) dan tennessine (Ts). Halogen wujud sebagai molekul dwiatom. Setiap atom mempunyai tujuh elektron valens dan menerima satu elektron untuk membentuk ion bercas -1: X + e⁻ → X⁻.

Unsur	Keadaan fizik	Warna	Takat lebur (°C)	Takat didih (°C)	Ketumpatan (g cm⁻³)
Klorin, Cl₂	Gas	Kuning kehijauan	-101	-34	0.00300
Bromin, Br₂	Cecair	Perang kemerahan	-7	59	3.11900
Iodin, I₂	Pepejal	Hitam keunguan	114	184	4.95000

Menuruni kumpulan, saiz molekul bertambah, daya tarikan antara molekul menjadi lebih kuat, maka takat lebur, takat didih dan ketumpatan bertambah; keadaan fizik berubah daripada gas kepada cecair dan pepejal, dan warna menjadi lebih gelap.

Bertindak balas dengan	Hasil	Contoh
Air	Larutan berasid	Cl₂(g) + H₂O(ce) ⇌ HCl(ak) + HOCl(ak)
Logam	Halida logam	2Fe(p) + 3Br₂(ce) → 2FeBr₃(p)
Larutan beralkali	Halida logam, halat logam dan air	I₂(p) + 2NaOH(ak) → NaI(ak) + NaOI(ak) + H₂O(ce)

Kereaktifan berkurang menuruni Kumpulan 17. Saiz atom bertambah, petala valens semakin jauh daripada nukleus, daya tarikan nukleus terhadap elektron menjadi lemah, maka sukar menarik elektron untuk memenuhi petala valens.

Fluorin ialah gas beracun berwarna kuning muda, sangat reaktif dan mengakis; gabungan dengan hidrogen boleh menghasilkan letupan kuat. Astatin radioaktif, sukar dijumpai dan tidak stabil. Kegunaan: klorin dalam peluntur, bromin antara bahan dalam pemadam api, iodin sebagai disinfektan. Semua halogen larut dalam pelarut organik dan tidak mengkonduksikan haba serta elektrik.

Jangan salin corak Kumpulan 1. Kereaktifan bertambah menuruni Kumpulan 1 (logam menderma elektron) tetapi berkurang menuruni Kumpulan 17 (bukan logam menerima elektron).

Mengapakah fluorin lebih reaktif daripada iodin?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Atom fluorin lebih kecil, maka petala valensnya lebih dekat dengan nukleus. Daya tarikan nukleus terhadap elektron yang diterima lebih kuat, maka fluorin lebih mudah menarik elektron.

4.6Unsur dalam Kala 3

Natrium, magnesium, aluminium, silikon, fosforus, sulfur, klorin dan argon mempunyai tiga petala berisi elektron, maka berada dalam kala yang sama.

Unsur	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl	Ar
Jejari atom (nm)	0.186	0.160	0.143	0.118	0.110	0.104	0.100	0.094
Keelektronegatifan	0.9	1.2	1.5	1.8	2.1	2.5	3.0	-
Keadaan fizik	Pepejal						Gas (Cl, Ar)

Data daripada Jadual 4.7, buku teks Kimia Tingkatan 4 KSSM, m.s. 97.

Merentasi kala dari kiri ke kanan, jejari atom berkurang kerana bilangan proton bertambah, maka cas dalam nukleus bertambah dan menarik elektron lebih kuat.
Keelektronegatifan bertambah kerana daya tarikan nukleus terhadap elektron semakin bertambah.
Na, Mg, Al ialah logam; Si ialah separa logam (metaloid); P, S, Cl, Ar ialah bukan logam.

Sifat kimia oksida merentasi Kala 3

Rajah sifat oksida unsur Kala 3: Na2O dan MgO oksida bes, Al2O3 oksida amfoterik, SiO2, P4O10, SO2 dan Cl2O7 oksida asid — Sifat oksida unsur merentasi Kala 3. (Rajah 4.14, m.s. 99)

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 4 KSSM, m.s. 99.

Jenis oksida	Daripada	Sifat
Oksida bes	Kumpulan 1 dan 2 (Na, Mg)	Larut dalam air menghasilkan larutan beralkali; bertindak balas dengan asid membentuk garam dan air
Oksida amfoterik	Aluminium	Berkeupayaan bertindak sebagai asid dan bes; bertindak balas dengan asid dan alkali membentuk garam dan air
Oksida asid	Kumpulan 14, 15, 16, 17 (Si, P, S, Cl)	Larut dalam air menghasilkan larutan berasid; bertindak balas dengan alkali membentuk garam dan air

Contoh (Eksperimen 4.2 B)

MgO tidak larut dalam NaOH tetapi larut dalam HNO₃ (bes): MgO + 2HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + H₂O. Al₂O₃ larut dalam kedua-duanya (amfoterik). SiO₂ larut dalam NaOH sahaja (asid).

Kegunaan unsur separa logam (4.6.3)

Separa logam (metaloid) mempunyai sifat logam dan bukan logam. Metaloid ialah konduktor elektrik yang lemah, tetapi konduktor yang baik pada suhu tinggi. Maka silikon digunakan sebagai semikonduktor dalam pembuatan mikrocip elektronik untuk komputer dan telefon bimbit. Germanium juga digunakan dalam industri mikroelektronik.

Oksida logam bersifat bes, oksida bukan logam bersifat asid dan oksida aluminium bersifat amfoterik. Perubahan merentasi Kala 3: bes, kemudian amfoterik, kemudian asid.

Selain argon, unsur Kala 3 yang manakah mempunyai jejari atom paling kecil? Mengapakah jejari berkurang merentasi kala?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Klorin (0.100 nm). Merentasi kala, bilangan proton bertambah, maka cas dalam nukleus bertambah dan menarik elektron dalam tiga petala yang sama lebih dekat kepada nukleus.

4.7Unsur peralihan

Unsur peralihan terletak di antara Kumpulan 2 dan 13 (lajur 3 hingga 12), contohnya kromium (Cr), mangan (Mn), ferum (Fe) dan kuprum (Cu). Skandium dan zink tidak dianggap sebagai unsur peralihan kerana kedua-duanya tidak menunjukkan ciri-ciri logam peralihan.

Jadual Berkala Unsur dengan unsur peralihan lajur 3 hingga 12 berlatar kuning — Kedudukan unsur peralihan dalam Jadual Berkala Unsur. (Rajah 4.16, m.s. 101)

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 4 KSSM, m.s. 101.

Semua unsur peralihan ialah logam: pepejal berpermukaan berkilat, sangat keras berbanding logam Kumpulan 1 dan 2, ketumpatan tinggi, takat lebur dan takat didih tinggi, mulur dan boleh ditempa.

Ciri istimewa	Contoh
Bertindak sebagai mangkin	Serbuk besi (Fe) dalam Proses Haber
Membentuk ion berwarna	Cr³⁺ hijau, Cr₂O₇²⁻ jingga, Mn²⁺ merah jambu, MnO₄⁻ ungu, Fe²⁺ hijau, Fe³⁺ perang, Cu²⁺ biru
Lebih daripada satu nombor pengoksidaan	Cr: +3, +6; Mn: +2, +4, +7; Fe: +2, +3; Cu: +1, +2
Membentuk ion kompleks	[Cu(NH₃)₄]²⁺, [Fe(CN)₆]³⁻, [Fe(CN)₆]⁴⁻, [Fe(H₂O)₆]²⁺

Kegunaan dalam industri (4.7.3)

Mangkin	Proses industri
Ferum, Fe	Proses Haber: menghasilkan ammonia, NH₃
Vanadium(V) oksida, V₂O₅	Proses Sentuh: menghasilkan asid sulfurik, H₂SO₄
Platinum, Pt	Proses Ostwald: menghasilkan asid nitrik, HNO₃
Nikel, Ni (atau platinum)	Penghidrogenan minyak sayuran untuk membuat marjerin

Kegunaan lain: mangan untuk kaca tingkap berwarna, ferum untuk jambatan, titanium untuk membuat cat.

Namakan dua ciri istimewa unsur peralihan yang tidak ada pada logam biasa seperti natrium.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Mana-mana dua: bertindak sebagai mangkin; membentuk ion atau sebatian berwarna; mempunyai lebih daripada satu nombor pengoksidaan; membentuk ion kompleks.