W 1869 roku rosyjski chemik Dymitr Mendelejew ułożył znane pierwiastki podobnie jak Newlands według wzrastających mas atomowych, a stworzona przez niego tablica zwana układem okresowym jest najlepszym ze sposobów klasyfikacji pierwiastków chemicznych. Mendelejew jest uważany za twórcę prawa okresowości. Sformułowane przez niego prawo mówiło, że właściwości fizyczne i chemiczne pierwiastków uszeregowanych według wzrastających mas atomowych zmieniają się w sposób ciągły i powtarzają się periodycznie. Obecnie prawo okresowości mówi o powtarzających się właściwościach ze wzrostem liczby atomowej. Jednak masa atomowa i liczba atomowa poza paroma wyjątkami rosną równolegle. Wyjaśnienie czysto empirycznego prawa okresowości stało się możliwe dopiero w XX wieku, kiedy poznano strukturę atomu.

Współczesny układ okresowy zbudowany jest z kolumn pionowych, zwanych grupami, oraz szeregów poziomych, tzw. okresów. Każdy z okresów rozpoczyna się bardzo reaktywnym metalem, a zakończony jest niemetalem. Układ okresowy zawiera siedem okresów, ponumerowanych cyframi arabskimi. Najnowsze zalecenia Komisji Nomenklatury IUPAC każą numerować grupy kolejnymi liczbami arabskimi od 1 do 18. sposób ten pozwala uniknąć stosowania liter A oraz B, które dotychczas były używane niekonsekwentnie. Nazwę grupy tworzy się od nazwy pierwiastka, który znajduje się na początku grupy (pierwsza grupa przyjmuje swoją nazwę od litu, a nie od wodoru i zwana jest litowcami, druga grupa tp berylowce itd.).

Ze względu na podobieństwo w strukturach elektronowych pierwiastki zostały podzielone na tzw. bloki. Pierwiastki należące do pierwszej i drugiej grupy układu okresowego mają elektrony walencyjne opisane orbitalami typu s i zaliczane są do bloku s. Pierwiastki, których elektrony walencyjne opisują orbitale typu s i p zaliczamy do bloku p i są nimi pierwiastki 13-18 grupy układu okresowego. Pierwiastki należące do 3-12 grupy tworzą blok d, a ich elektrony walencyjne są opisywane za pomocą orbitali ns i (n-1)d, gdzie n = 1, 2, 3..7 oznacza numer okresu oraz liczbę powłok elektronowych. Aktynowce i lantanowce to blok f. Ich elektrony walencyjne opisują orbitale ns i (n-2)f, a czasami (n-1)d.

Pierwiastek chemiczny to zbiór atomów, które posiadają taką samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze). Pierwiastek chemiczny może zawierać atomy różniące się liczbą neutronów (czyli atomy danego pierwiastka mogą się różnić masami jąder atomowych). Takie atomy nazywane są izotopami. Niektóre pierwiastki chemiczne mogą występować jako różne odmiany alotropowe. Są nimi np. tlen lub węgiel. Przemiany pierwiastków w inne mogą zachodzić samoistnie, jeśli mówimy o pierwiastkach promieniotwórczych (tak zwana promieniotwórczość naturalna), albo w wyniku bombardowania jąder atomowych cząstkami posiadającymi wysokie energie, na przykład protonami, deuteronami bądź powolnymi neutronami.

Wśród pierwiastków chemicznych można wyróżnić niemetale i metale. Metalami nazywamy pierwiastki chemiczne, które dobrze przewodzą elektryczność i ciepło. Są one kowalne i mają charakterystyczny połysk. Metale maja przeważnie małą wartość elektroujemności, a w reakcjach chemicznych, w których biorą udział zwykle oddają elektrony. Wszystkie metale w temperaturze pokojowej występują w stanie stałym (wyjątek stanowi rtęć Hg, która jest cieczą). Osiemdziesiąt osiem pierwiastków chemicznych (znanych jest 118) to metale. Jeśli weźmiemy pod uwagę gęstość w grupie metali można wyróżnić metale lekkie oraz metale ciężkie. Półmetalami nazywamy pierwiastki o właściwościach pośrednich między metalami i niemetalami. Posiadają one własności półprzewodnikowe, a należą do nich krzem, arsen, german, bor, antymon, selen i tellur. Niemetale są przeważnie słabymi przewodnikami ciepła (oprócz diamentu) i prądu elektrycznego (należą do izolatorów albo półprzewodników). Niemetale nie posiadają metalicznego połysku. W reakcjach chemicznych niemetale zwykle pobierają elektrony. Typowymi niemetalami są azot, fosfor, siarka, tlen, fluorowce oraz gazy szlachetne (helowce).

Właściwościami, które ulegają prawu okresowości są na przykład powinowactwo elektronowe, elektroujemność, stopień utlenienia, energia jonizacji, gęstość, promień jonowy i atomowy, temperatura wrzenia, temperatura topnienia, właściwości niemetaliczne, własności metaliczne aktywność.

Nazwa każdej z grup jest utworzona od nazwy pierwiastka chemicznego, który znajduje się na początku danej grupy. Pierwsza grupa stanowi jednak wyjątek i jej nazwa jest utworzona od litu, a nie od wodoru, który w bardzo wielu wersjach układu okresowego znajduje się na początku pierwszej grupy.

  • Litowce

Do pierwszej grupy układu okresowego, tzw. litowców, zaliczane są następujące pierwiastki: lit(Li), sód(Na), potas(K), rubid(Rb), cez(Cs) oraz nietrwały promieniotwórczy frans(Fr).

Atomy wszystkich wymienionych pierwiastków mają w zewnętrznej powłoce elektronowej jeden elektron walencyjny zajmujący w stanie podstawowym orbital ns1 (dla litu n=2, dla sodu n=3,...dla fransu n=7); elektron ten łatwo jest oddawany przez pierwiastki a atomy przechodzą w jony jednododatnie.

Litowce występują w przyrodzie jedynie w stanie związanym. Wszystkie litowce są metalami.

Sód i potas są dość powszechnymi składnikami litosfery, ale ze względu na dużą reaktywność chemiczną pierwiastki tej grupy nie występują w przyrodzie w stanie wolnym lecz wyłącznie w postaci związków najczęściej jako chlorki, siarczany, węglany, rzadziej azotany i fosforany. Z powodu bardzo dużej reaktywności chemicznej, czysty sód i potas otrzymuje się na drodze elektrolizy ich stopionych chlorków lub wodorotlenków. Litowce, jak również ich tlenki, łatwo reagują z wodą tworząc mocne zasady. Podczas spalania litowców w powietrzu lub tlenie tylko lit tworzy zwykły tlenek Li2O, pozostałe tworzą nadtlenki Na2O2, K2O2, a potas i cez także ponadtlenki KO2, RbO2, CsO2. Litowce reagują bezpośrednio z fosforem, arsenem i antymonem, tworząc związki typu M3X. W podwyższonych temperaturach łączą się bezpośrednio z wodorem tworząc wodorki MH; reagują również z chlorowcami z utworzeniem halogenków.

Do metali drugiej grupy układu okresowego berylowców należą: beryl (Be), magnez (Mg), wapń (Ca), stront (Sr), bar (Ba) i promieniotwórczy rad (Ra). W stanie podstawowym wykazują konfigurację elektronów walencyjnych ns2, przy czym n=2 dla Be, 3 dla Mg,.....itd. Z powodu mniejszych promieni od litowców, berylowce posiadają nieco większą gęstość, twardość, mniejszą lotność i wyższe potencjały jonizacyjne. Metale 2 grupy spotykane są w przyrodzie wyłącznie w związkach, w których występują tylko w stopniu utlenienia II, głównie jako dwudodatnie jony. Rozpuszczalność w wodzie maleje ze wzrostem masy atomowej. Berylowce spalone w powietrzu lub w tlenie tworzą odpowiednie tlenki.

  • Borowce

Do grupy borowców zalicza się następujące pierwiastki: glin (Al), gal(Ga), ind(In), tal(Tl). Do grupy 13 należy również bor, który jest niemetalem, a ściślej mówiąc półmetalem. Pierwiastki 13 grupy mają trzy elektrony na powłoce walencyjnej, dwa sparowane na orbitalu s i jeden niesparowany znajdujący się na orbitalu p. Poza pierwszym borem są to elektrododatnie metale amfoteryczne. Ich właściwości metaliczne rosną wraz z ciężarem atomowym. Poza borem i glinem nie mają większego znaczenia praktycznego. W przyrodzie w stanie wolnym nie występują. W związkach występują głównie na +3 stopniu utlenienia, lecz ze wzrostem liczby atomowej coraz większe znaczenie wykazuje wartościowość +1 (tal tworzy obok Tl(OH)3 również TlOH).

  • Węglowce

Do pierwiastków czternastej grupy układu okresowego należą: węgiel (C), krzem (Si), german (Ge), cyna (sn), ołów (Pb).W stanie podstawowym mają konfigurację s2p2. Wykazują tendencje zarówno do oddania jak i pobrania elektronów. Wszystkie węglowce mogą tworzyć wiązania kowalencyjne. W grupie ze wzrostem masy atomowej zmienia się charakter pierwiastków.

Węgiel jest typowym niemetalem, natomiast cyna i ołów są typowymi metalami. W przyrodzie w stanie wolnym występuje tylko węgiel. Węgiel występuje w czterech odmianach alotropowych: diament (sp3), grafit (sp2 - przewodzi prąd ze względu na dużą ilość elektronów π), fulereny i nanorurki. Ma dwa trwałe izotopy: 12C, 13C. W niewielkich ilościach występuje także izotop radioaktywny 14C. Dwa pierwiastki grupy 14 - węgiel i krzem oraz ich związki, odgrywają istotną rolę w przyrodzie. Węgiel jest nieodzownym składnikiem przyrody ożywionej, a krzem przyrody martwej. Krzem ma duży udział w budowie skorupy ziemskiej (glinokrzemiany): rozpowszechnienie wag. 27%. W stanie wolnym nie występuje. Najbardziej znane postaci występowania krzemu to piasek i kwarc (krzemionka, SiO2) oraz różne glinokrzemiany. Krzem i jego związki są na ogół mało reaktywne. German natomiast ma pięć trwałych izotopów. Jest to szarobiały półmetal (półprzewodnik), rozpowszechnienie około 0,01% wag., Dobrze rozpuszcza się w wodzie królewskiej. Z tlenem reaguje trudno, dopiero w temp. powyżej 500°C tworząc tlenek GeO2. Charakterem chemicznym przypomina krzem. German jest stosowany w elektronice, jako doskonały półprzewodnik. Cyna jest metalem znanym od bardzo dawna. Najważniejszym minerałem cyny występującym w przyrodzie jest tlenek cyny(IV), zwany kasyterytem. Z niego po usunięciu siarki i arsenu (drogą prażenia) otrzymuje się cynę metaliczną. Ołów występuje w przyrodzie głównie jako minerał zwany galeną PbS oraz jako cerusyt PbCO3. Ołów i związki ołowiu są trujące. W organizmie ołów gromadzi się w rdzeniu kręgowym, wypierając wapń z jego związków. Praca przy produkcji lub przetwarzaniu ołowiu może być przyczyną choroby zawodowej zwanej ołowicą.

Do 15 grupy układu okresowego, tzw. azotowców należą: azot (N), fosfor (P), arsen (As), antymon (Sb) i bizmut (Bi). Wraz ze wzrostem masy atomowej spada gwałtownie ich elektroujemność i coraz silniej zaznacza się ich charakter metaliczny (w przypadku bizmutu już dominuje). Azot i bizmut tworzą wiązania poprzez trzy elektrony, dwa pozostałe tworzą tzw. "wolną parę elektronową". W przyrodzie występują w stanie wolnym (oprócz fosforu). W związkach występują głównie na -3, +3 i +5 stopniu utlenienia. Tworzą kwasy tlenowe. Azot i fosfor są typowymi niemetalami, gdyż tworzą tylko tlenki kwasowe. Arsen i antymon są pierwiastkami półmetalicznymi, natomiast bizmut jest typowym metalem i tworzy tylko tlenki zasadowe.

Do 16 grupy układu okresowego tzw. grupy tlenowców należą:tlen (O), siarka (S), selen (Se), tellur (Te) oraz polon (Po). Atomy pierwiastków tej grupy mają na zewnętrznej powłoce 6 elektronów o konfiguracji s2p4. W reakcjach chemicznych tlenowce uzupełniają zatem walencyjną powłokę elektronową do oktetu przyjmując dwa elektrony "uwspólniają" z atomami innych pierwiastków własne elektrony, tworząc spolaryzowane wiązania atomowe. Wszystkie występują w przyrodzie w stanie wolnym i w związkach, w ilościach malejących wraz ze wzrostem masy atomowej. Są dość silnymi utleniaczami, najsilniejszym jest oczywiście tlen, który ze względu na swą elektroujemność tworzy tlenki z pozostałymi pierwiastkami tej grupy. Tworzą kwasy tlenowe H2XO3 i H2XO4 oraz wodorki o charakterze kwaśnym H2X. Tlen jest to najbardziej rozpowszechniony pierwiastek (ponad 50%). Występuje on w dwóch odmianach alotropowych: jako O2, O3 (ozon). Ma trzy trwałe izotopy: 16O, 17O i 18O. Z węglem, azotem i fosforem stanowi podstawy materii ożywionej. Jego niezwykle wysoka elektroujemność powoduje, że łączy się ze wszystkimi pierwiastkami, tworząc odpowiednie tlenki, zarówno zasadowe jak i kwasowe. Jedynie z bardziej od siebie ujemnym fluorem tworzy nie tlenek fluoru a fluorek tlenu (O2+). W wodzie tlen rozpuszcza się w niewielkich ilościach. Ciekły tlen jest barwy niebieskiej. Siarka jest ciałem stałym, barwy żółtej, kruchym. W wodzie praktycznie nie rozpuszcza się, dobrze natomiast rozpuszcza się w niektórych rozpuszczalnikach niewodnych, np. w dwusiarczku węgla CS2.

Czysta siarka w stanie stałym występuje w kilku odmianach alotropowych. Do najważniejszych odmian należą: siarka rombowa, jednoskośna i plastyczna. Najtrwalsza jest odmiana rombowa, wszystkie inne przechodzą w nią pod wpływem temperatury albo na skutek starzenia się. Selen, tellur stanowią najczęściej domieszkę rud siarczkowych. Otrzymywane są w postaci koncentratów ze szlamu anodowego powstającego przy elektrolitycznym oczyszczaniu miedzi oraz z pyłu powstającego przy prażeniu FeS2.

Selen znany jest w postaci niemetalicznej o barwie czerwonej oraz metalicznej o barwie szarej. W przypadku telluru odmiana metaliczna jest znacznie trwalsza od odmiany niemetalicznej. Polon istnieje jedynie w dwóch odmianach metalicznych (alfa) i (beta).

  • Fluorowce (halogeny)

Żaden z fluorowców nie występuje w stanie wolnym. Do najważniejszych związków spotykanych w przyrodzie należą: wśród związków fluoru CaF2 (fluoryt) i Na3AlF6 fluoroglinian sodu (kriolit), wśród związków chloru NaCl (sól kamienna) i KCl (sylwin). Brom i jod towarzyszą pokładą soli kamiennej w postaci NaBr, KBr, NaI, KI. Ponadto wody mórz i oceanów zawierają brom i jod w postaci jonów bromkowych i jodkowych. Fluorowce są grupą typowych, bardzo reaktywnych niemetali o dużej elektroujemności.

Wszystkie fluorowce są niemetalami. Fluor i chlor są w zwykłych warunkach żółto zielonymi gazami o charakterystycznej, ostrej woni; brom jest ciemnobrunatną lotną cieczą, a jod ciałem stałym o metalicznym połysku. Astat nie występuje w przyrodzie; jest pierwiastkiem promieniotwórczym o krótkim okresie półtrwania.

  • Helowce (gazy szlachetne)

Gazy szlachetne (helowce) leżą w 18 grupie układu okresowego pierwiastków. Należą do niej: hel (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), ksenon (Xe), oraz radon (Ra). Helowce są bezbarwnymi, bezwonnymi i biernymi chemicznie gazami. W odróżnieniu od innych pierwiastków gazowych występują w cząsteczkach jednoatomowych (ich atomy nie łączą się w cząsteczki). Do roku 1962 nie udało się otrzymać żadnego związku chemicznego helowca. Atomy wszystkich helowców mają po 8 elektronów walencyjnych (hel tylko 2, bo jego liczba atomowa wynosi 2). Jest to układ bardzo trwały. Gazy szlachetne znajdują szerokie zastosowanie praktyczne. Między innymi stosowane są do chłodzenia urządzeń nadprzewodnikowych i do prac w temperaturach bliskich zeru absolutnemu, do utrzymywania obojętnej atmosfery, np. beztlenowej oraz do napełniania wnętrz żarówek o dużej mocy.

  • Miedziowce

Grupę 11 układu okresowego pierwiastków stanowią trzy metale: miedź (Cu), srebro (Ag) i złoto (Au). Konfigurację elektronową dwóch pierwszych powłok atomów tych pierwiastków można przedstawić w sposób następujący: (n-1)d10ns1 gdzie n wynosi: dla Cu - 4, dla Ag - 5 a dla Au - 6. Obecność tylko jednego elektronu w najbardziej zewnętrznej powłoce elektronowej jest przyczyną, że pierwiastki te występują w związkach głównie na I stopniu utlenienia i tworzą jony M+. Zatem istnieją jony Ag+, Cu+ i Au+, jednak utleniają się do jonu Cu2+ i Au3+. Jon srebra Ag+ jest w roztworze wodnym trwały.

Cynkowce charakteryzuje konfiguracja elektronowa (n-1)d10 ns2. Ze względu na obecność wypełnionej podpowłoki d, co jest układem bardzo stabilnym, w pierwiastkach tej grupy elektronami walencyjnymi są praktycznie tylko dwa elektrony podpowłoki s. Powoduje to, że pierwiastki te występują w związkach na +2 stopniu utlenienia (podobnie jak berylowce).

  • Skandowce

Skand (Sc), itr (Y), lantan (La), aktyn (Ac) mają konfigurację elektronową (n-1)d1ns2 posiadają zatem trzy elektrony walencyjne, z których dwa znajdują się na orbitalu s ostatniej powłoki elektronowej, a jeden na orbitalu d powłoki przedostatniej. Pierwsze trzy skandowce, występują w przyrodzie w postaci związków na III stopniu utlenienia. Tworzą one tlenki o wzorze ogólnym M2O3, z których wywodzą się wodorotlenki Sc(OH)3, Y(OH)3, La(OH)3. Zarówno skandowce, jak ich związki są bardzo rzadko spotykane w przyrodzie i w postaci bardzo rozproszonej.

  • Tytanowce

W zewnętrznej powłoce elektronowej tytanowców znajdują się po 2 elektrony. Tytanowce tworzą związki, w których są czterododatnie; oznacza to, że jako pierwiastki rodziny dodatkowej mogą uruchamiać w reakcjach chemicznych 2 elektrony z niższej powłoki elektronowej.

Tytanowce są metalami trudno topliwymi. Odznaczają się dużą aktywnością chemiczną. Są silnymi reduktorami, ale utleniając się w pierwszej chwili tworzą przylegającą warstwę tlenku, która zapobiega dalszemu utlenianiu. Dlatego też są odporne na korodujące działanie tlenu.

  • Wanadowce

Wanad, niob i tantal są to metale, topiące się w bardzo wysokich temperaturach, dość trudne do otrzymania w stanie czystym. Pod względem chemicznym są dość mało reaktywne a ich reaktywność maleje wraz ze wzrostem liczby atomowej. Nie ulegają działaniu wody królewskiej (za wyjątkiem wanadu), opornie reagują z kwasem fluorowodorowym. Nie ulegają działaniu stężonych wodorotlenków, stapiane zaś z wodorotlenkami litowców przechodzą w wanadany, niobany bądź tantalany. W powietrzu spalają się dając pięciotlenki. W wysokich temperaturach reagują też bezpośrednio z węglem, wodorem i azotem.

Chrom (Cr), molibden (Mo) i wolfram (W) stanowią 6 grupę w układzie okresowym zwaną podgrupą chromowców. Największe rozpowszechnienie spośród pierwiastków chromowców wykazuje chrom; występuje w przyrodzie głównie w postaci minerału chromitu.

  • Manganowce

Elektrony walencyjne manganowców znajdują się w dwóch zewnętrznych powłokach elektronowych. Dlatego w związkach mogą być +2, +4, +7 dodatnie. Do 7 grupy układu okresowego należą; mangan (Mn), otrzymywany sztucznie technet (Tc) i ren (Re). Jedynie mangan występuje w przyrodzie w większych ilościach i w związku z tym jest lepiej poznany oraz znajduje szersze zastosowanie.

  • Żelazowce

Żelazowce czyli ósma grupa układu okresowego to pierwiastki nie występujące w przyrodzie w stanie wolnym. Należą do niej żelazo, ruten i osm. Pierwiastki te występują w różnych odmianach alotropowych i są to ciężkie, trudno topliwe metale. Ruten oraz osm zaliczane są do metali szlachetnych.

  • Kobaltowce

Kobalt, rod i iryd tworzą dziewiątą grupę układu okresowego. Pierwiastki te są trudno topliwymi metalami. Kobaltowce przyjmują stopnie utlenienia od -I do IV, a nawet +VI. Rod oraz iryd zaliczane są do metali szlachetnych.

  • Niklowce

Są pierwiastkami chemicznymi stanowiącymi 10 grupę układu okresowego pierwiastków. Zaliczamy do niej: nikiel, pallad i platyna. Są to metale ciężkie, trudno topliwe. Pallad i platyna mają bardzo zbliżone właściwości chemiczne - należą do metali szlachetnych.