Hoe verhouden de valentie-elektronen van een element zich tot zijn groep in het periodiek systeem?

In 1869 publiceerde Dmitri Mendelejev een artikel met de titel "Over de relatie tussen de eigenschappen van de elementen en hun atoomgewicht". In dat papier heeft hij produceerde een geordende rangschikking van de elementen, somde ze op in volgorde van toenemend gewicht en rangschikte ze in groepen op basis van een vergelijkbare chemische stof eigendommen. Hoewel het nog vele decennia duurde voordat de details van de atomaire structuur zouden worden ontdekt, organiseerde Mendelejevs tabel al elementen in termen van hun valentie.

In de tijd van Mendelejev dacht men dat atomen ondeelbare, unieke entiteiten waren. Sommige waren zwaarder dan andere, en het leek redelijk om de elementen te bestellen door het gewicht te verhogen. Er zijn twee problemen met deze benadering. Ten eerste is het meten van het gewicht een lastige taak, en veel van de geaccepteerde gewichten uit de tijd van Mendelejev waren niet correct. Ten tweede blijkt dat het atoomgewicht niet echt de relevante parameter is. De periodieke tabellen van vandaag plaatsen de elementen in volgorde van hun atoomnummer, dat is het aantal protonen in de kern. In de tijd van Mendelejev waren er nog geen protonen ontdekt.

Mendelejev schreef dat "rangschikking volgens atoomgewicht overeenkomt met de valentie van het element en tot op zekere hoogte het verschil in chemisch gedrag." De valentie, in de opvatting van Mendelejev, was een indicatie van het vermogen van een element om te combineren met andere elementen. Mendelejev combineerde de volgorde van atoomgewicht met gemeenschappelijke valenties om de elementen in een tabel te ordenen. Dat wil zeggen, hij organiseerde de elementen in groepen op basis van hun chemische kenmerken. Omdat die eigenschappen om de zoveel tijd worden herhaald, was het resultaat een periodiek systeem waarin elke verticale kolom, een groep genaamd, elementen bevat met vergelijkbare kenmerken, en elke horizontale rij, een periode genoemd, rangschikt de elementen op gewicht, toenemend van links naar rechts en van boven naar bodem.

Ongeveer 50 jaar na het eerste periodiek systeem van Mendelejev ontdekten wetenschappers dat het atoom was gebouwd rond een kern met positief geladen protonen en neutrale neutronen - die beide relatief zijn zwaar. De positief geladen kern is omgeven door een wolk van negatief geladen elektronen. Het aantal protonen - ook wel het atoomnummer genoemd - komt meestal overeen met het aantal elektronen. Het blijkt dat het aantal elektronen dat een element heeft voor een groot deel de chemische eigenschappen bepaalt. Dus de juiste volgorde in het periodiek systeem wordt bepaald door het aantal elektronen, niet door het gewicht zoals Mendelejev oorspronkelijk voorstelde.

De elektronen in de wolk die de kern van een element omringen, zijn gerangschikt in lagen, schillen genaamd. Elke schil heeft een specifiek aantal elektronen dat het kan bevatten. Wanneer elke schil is gevuld, wordt een nieuwe schil toegevoegd totdat alle elektronen zijn verwerkt. Elektronen in de buitenste schil worden valentie-elektronen genoemd, omdat het hun interacties zijn die de chemische eigenschappen van een element bepalen. De kolommen die waren opgezet om elementen te groeperen met vergelijkbare chemische eigenschappen, blijken exact dezelfde kolommen te zijn die worden gedefinieerd door het aantal valentie-elektronen. Elementen in groep 1A hebben slechts één valentie-elektron en elke kolom van groep A aan de rechterkant voegt nog een valentie-elektron toe. De organisatie wordt een beetje troebel met de Groep B-elementen, maar elk van hen is ook gegroepeerd op basis van hun aantal valentie-elektronen.