ویژگی های عناصر در جدول تناوبی
ضرورت طبقه بندي عنصرها
دانشمندان با مطالعه بر روي عناصر متوجه شده بودند كه با وجود تفاوت بين خواص عنصرهامشابهت فيزيكي و شيمياييبين عناصر وجود دارد. تفاوت ها نيز از نظم و ترتيب خاصي پيروي مي كند.
طبقه بندي عناصر، با توجه به تشابه برخي از عنصرها با يك ديگر، و نظم و ترتيب موجود در تغييراتخواص آنها امكان پذير بود.
سرگذشت جدول عناصر
· اولين دسته بندي توسط لاوازيه صورت گرفت. لاوازيه عناصر را به دو دسته فلز و نافلز تقسيم كرد.
· دوبراينر دانشمند ديگري كه عناصر در دسته هاي سه تايي به جدول زير تقسيم بندي كرد.
نيوزلند براساس قانون اكتاو (گام هاي موسيقي) هفت عنصر را در هفت دسته هفت تايي دسته بندي كرد.در اين دسته بندي خواص فيزيكي و شيميايي در عنصر هشتم تكرار مي شد.
اولين دانشمندي كه عناصر را طبقه بندي كرد مندليف روسي بود.
مندليف به تغييرات خواص عناصر توجه نمود. او با بيان قانون تناوبي جدول خود را عرضه كرد.
مندليف در تنظيم جدول دو اصل را رعايت كرد.
1- اصل تشابه خواص عناصر (قرار گرفتن عناصر با خاصيت هاي مشابه در زير هم در يك ستون)
2- افزايش تدريجي جرم اتمي عناصر در رديف هاي كنار هم (تغيير تدريجي خواص)
مندليف عناصر شناخته شده زمان خود را در چند رديف (دوره ـ تناوب) براساس افزايش جرم اتمي از چپ به راست منظم نمود. به گونه اي كه عناصر با خواص مشابه زير يكديگر در يك ستون قرار بگيرند.
اين كار باعث شد خانه هاي خالي متعددي از عناصر كه در زمان مندليف كشف نشده بود پيش بيني شود در نتيجه قدم بزرگ در راه كشف اين عناصر توسط محققين برداشته شود.
ايراد جدول مندليف: چند مورد بي نظمي ديده مي شد و آن اين بود كه براي رعايت اصول تشابه مجبور شد عناصر سنگين تر را قبل از عناصر سبك تر قرار دهد.
قانون تناوبي مندليف: اگر عنصرها به ترتيب افزايش جرم اتمي در كنار هم در رديف قرار گيرند خواص فيزيكي و شيميايي آنها به طور تناوبي تكرار مي شود.
موزلي با كشف عدد اتمي تعداد پروتون هاي هسته نشان داد كه عدد اتمي معيار مناسب تري براي تنظيم عناصر در جدول تناوبي است.بر همين اساس موزلي معيار تنظيم عناصر در جدول را تغيير داد. به طور كه در
جدول تناوبي امروزي عناصر بر مبناي عدد اتمي (نه جرم اتمي) تنظيم شده اند.
قانون تناوبي جدول امروزي:براساس كار موزلي ـ قانون تناوبي عناصر ـ هر گاه عناصر را براساس افزايش عدد اتمي در كنار يكديگر قرار دهيم خواص فيزيكي و شيميايي آنها به طور تناوبي تكرار مي شود.
سه مورد بي نظمي جدول تناوبي مندليف:
در جدول پيشنهادي مندليف نيكل بعد از كبالت و يد نيز بعد از تلور آمده است. (لازم به ذكر است كه آرگون و پتاسيم هم جزء اين بي نظمي ها قرار مي گيرد اما بايد دانست كه در زمان مندليف هنوز گازهاي نجيب كشف نشده بود.) مندليف نه (9 ) مورد خواص و محل عنصر را پيش بيني كرد كه هشت مورد آن درست بود.سه مورد آن به ترتيب اكا سيلسيم(همان ژرمانيم) ـ اكابور (همان اسكانديم) ـ اكاآلومينيم (همان گاليم ) بودند.
جدول تناوبي عناصر: جدول داراي 18 گروه و 7 دوره مي باشد.
ويژگيهاي عناصر
شماره دوره تعداد لايه ها اصلي و شماره گروه تعداد الكترون هاي لايه آخر يا لايه ظرفيت و شماره خانه تعداد كل الكترون ها يا پروتون ها را نشان مي دهد.
جدول داراي 8 گروه اصلي (A) و 10 گروه فرعي (B) مي باشد. (البته 10 گروه،ستون) به 8 گروه فرعي (B) تقسيم شده است.
از يك ديدگاه مي توان عناصر جدول را به دسته هاي فلز و نافلز و شبه فلز و گاز نجيب تقسيم كرد.
فلز: عناصري كه در لايه آخر (لايه ظرفيت) كمتر از سه الكترون دارند. تمايل به از دست دادن الكترون دارند. بيش از 80% عناصر جدول فلز هستند كه به جزء جيوه همگي جامدند و ويژگي هاي مشترك زير دارند.
1- رساناي خوب گرما و برق هستند.
2- سطح براق دارند.
3- قابليت چكش خواري و شكل پذيري دارند.
نافلز: عناصري كه در لايه ظرفيت بيشتر از چهار الكترون (پنج ـ شش ـ هفت) دارند. تمايل به گرفتن الكترون دارند. بيشتر به حالت گاز هستند (بجزء برم) و آن نافلزاتي كه جامدند ويژگي هاي زير را داراست.
1- رساناي خوبي براي گرما و برق نيستند.
2- سطح براق ندارند.
3- شكننده بوده و قابليت چكش خواري و مفتول شدن ندارند.
گاز نجيب:
عناصري هستند كه به دليل آرايش الكتروني خاص (لايه ظرفيت آنها پر و پايدار است.) و واكنش پذيري بسيار كمي دارند.
جدول تناوبي امروزي عنصرها:
متداول ترين شكل جدول تناوبي در حال حاضر توسط شيميدان ها مورد استفاده قرار مي گيرد براساس قانون تناوبي عنصرها استوار است. بر طبق اين قانون هر گاه عنصرها را براساس افزايش عدد اتمي در كنار يك ديگر قرار دهيم خواص فيزيكي و شيميايي آن ها به صورت تناوبي تكرار مي شود.
مهمترين نكته در جدول تناوبي تشابه آرايش الكتروني عنصرهاي يك خانواده در بسياري از گروه هاي اين جدول است. بنابراين با نگاهي به اين جدول تناوبي متوجه مي شويم كه خواص شيميايي عنصرهاي هم گروه به اين دليل مشابهند كه آرايش الكتروني آن ها به يكديگر شبيه است. پس مكان خاصي را در جدول تناوبي به خود اختصاص مي دهد.
معرفي گروههاي جدول تناوبي:
گروه (فلزهاي قليايي) IA
گروه 2 (فلزهاي قليايي خاكي) IIA
گروه هاي 2تا 3 (عناصر واسطه) (I-VIII)B
گروه هاي 13 تا 18 IIIA-VIIIA
هيدروژن خانواده تك عنصري
1ـ ويژگي هاي گروه فلزهاي قليايي: IA
همگي فلزهايي نرم و با چاقو بريده مي شوند (بجزء ليتيم) و بسيار
واكنش پذيرند و به همين علت در طبيعت بصورت آزاد يافت نمي شود.
از بالا به پايين در اين گروه بر شدت واكنش پذيري آنها افزوده مي گردد.
سطح براق آن ها به سرعت با اكسيژن هوا وارد واكنش شده و تيره مي گردد.
همگي با آب سرد واكنش نشان مي دهند.
در زير نفت نگهداري مي شود تا از اكسيژن هوا و رطوبت محافظت شود.
محلول آنها در آب خاصيت قليايي از خود نشان مي دهد بنابراين مي تواند چربي ها
را در خود حل كند.
فرمول اكسيد فلزهاي اين گروه M2O مي باشد.
اين فلزهاي فعال با آب محلول بازي (قليايي) توليد مي كند.
همگي آرايش الكتروني ns1 (گاز نجيب) دارند و لايه ظرفيت آن ها ns1 است و تمايل دارند الكترون لايه آخر خود از دست بدهند تا به آرايش گاز نجيب پيش از خود برسند.
در اين گروه از بالا به پايين چگالي و شعاع اتمي و شعاع يوني افزايش
نقطه ذوب و جوش و انرژي نخستين يونش كاهش مي يابد.
اولين جهش بزرگ انرژي اين عناصر در IE2 آن ها اتفاق مي افتد
گروه فلزهاي قليايي خاكي : IIA
a- اين گروه سخت و چگال تر از گروه اول هستند و واكنش پذيري كمتري نسبت به گروه اول دارند. با اين وجود در طبيعت بصورت آزاد يافت نمي شود.
b- با آب محلول قليايي مي دهد. (بجزء برليم)
c- فرمول اكسيد آن ها MO است.
d- از بالا به پايين فعاليت شيميايي آن ها بيشتر مي شود.
e- همگي آرايش الكتروني ns2(گاز نجيب ) دارند و لايه ظرفيت آن ns2 است
f- و تمايل دارند كه اين الكترون هاي ظرفيتي را از دست بدهند تا به آرايش گاز نجيب برسند. (البته تمايل كمتر اين عناصر براي واكنش براي اين است كه براي رسيدن به آرايش گاز نجيب بايد دو الكترون از دست بدهد.)
g- در اين گروه از بالا به پايين چگالي و شعاع اتمي و شعاع يوني افزايش و نقطه ذوب و جوش و انرژي نخستين يونش كاهش مي يابد.
h- اولين جهش بزرگ اين عناصر در IE3 آن ها اتفاق مي افتد.
i- واژه خاكي براي اين مطلب بوده كه بسياري از تركيب هاي اين عناصر در آب حل نمي شوند و در خاك باقي مي مانند.
در توضيح چگال تر بودن گروه دوم مي توان گفت كه جرم اين فلزات بيشتر شده حجم نيز كوچك تر شده (هر چه از سمت چپ جدول به سمت راست برويم شعاع اتم كوچك تر شده در نتيجه حجم اتم كوچك تر مي شود.) بنابراين چگالي زياد مي شود. در گروه اول و دوم جدول نيز هر چه از بالا به پايين بياييم عناصر چگالتر مي شوند زيرا با افزايش حجم اتم جرم اتم نيز زياد مي شود. (اما نه چندان زياد)
در توضيح افزايش شعاع در هر دو گروه (همچنين در هر گروه ديگر از جدول) مي توان گفت شعاع به دو دليل زياد مي شود: 1ـ در هر گروه از بالا به پايين به ازاي هر تناوب يك لايه الكتروني به تعداد لايه الكتروني افزوده مي شود. پس با زياد شدن تعداد لايه شعاع اتم زياد مي شود. 2ـ دليل دوم با افزايش عدد اتمي در يك گروه تعداد اوربيتال هاي پر شده بين هسته و لايه ي الكتروني بيروني اتم افزايش مي يابد وجود الكترون ها در اوربيتال هاي دروني از تأثير نيروي جاذبه ي هسته بر الكترون هاي موجود در لايه بيروني مي كاهند پس شعاع افزايش مي يابد. به اين پديده اثر پوششي الكترون هاي دروني گفته مي شود.
بار مؤثر هسته: به بار الكتريكي مثبتي كه از طرف هسته بر اين الكترون ها وارد مي شود بار مؤثر هسته مي گويند.
گروه هاي سوم تادوازدهم ـ عنصرهاي واسطه: (1-8B)
1. همگي فلز معمولي هستند و در صنعت و زندگي كاربرد دارند. اما واكنش پذيري شيميايي آن ها كمتر از گروه فلزهاي اول و دوم (فلزهاي فعال) است.
2. نسبت به فلزهاي گروه اول و دوم (فلزهاي فعال) چگال تر و دير ذوب تر هستند.
3. آرايش الكتروني آن ها بي نظم است و در لايه ظرفيت اين عناصر تعداد الكترون ها متغير است. پس ظرفيت آن ها گوناگون است. و
نمكهاي اين دسته رنگين است. (برخلاف گروه اول و دوم كه همگي آن ها نمك هاي بيرنگ و سفيد دارند.)
4. در اين عناصر زير لايه d در حال پر شدن است.
5. از چپ به راست روند شعاع آن ها نامنظم است.
6. اين عناصر (عناصر گروههاي B) در بين دو گروه اصلي IIA و IIIA قرار دارد.
7. به دو دسته تقسيم مي شوند:
عناصر واسطه (خارجي) و عناصر واسطه داخلي .
كه خود اين عناصر به دو دسته لانتانيدها و اکتينيدهاتقسيم مي شوند.
لانتانيدها:
همه فلزهايي براق هستند و واكنش پذيري قابل توجهي دارند. و شبيه به عنصر لانتان La57 مي باشد. و متعلق به خانه ي 57 جدول
مي باشد لانتانيدها عنصرهاي 57 تا 71 را تشكيل مي دهند. جزء بلوك (دسته f )مي باشد. و f4 آن ها در حال پر شدن است و در يك
رديف 14 تايي قرار دارند و متعلق به دوره ششم جدول مي باشد. اين فلزهاي طبيعي كمياب هستند.
اكتينيدها:
همه فلز پرتوزا (هسته ناپايدار) مي باشند. و شبيه به عنصر اكتينيم Ac 89 است. و متعلق به خانه 89 مي باشد. در اين گروه نيز
همانند گروه لانتانيدها زير لايه f در حال پر شدن است. در اين عنصرها ساختار هسته نسبت به آرايش الكتروني از اهميت بيشتري
برخوردار است. اوربيتال f5 آنها در حال پر شدن است و در يك رديف 14 تايي در بيرون جدول قرار دارند (اين دو سري چهارده تاي به علت اين كه اوربيتال داخلي f در حال پر شدن است كه مربوط به تراز انرژي داخلي تر مي باشد. واسطه داخلي گفته مي شود.)
عنصرهاي گروه هاي 13 تا 18 جدول تناوبي:
اين گروه ها دسته ي P جدول هستند زيرا در آنها اوربيتال هاي زير لايه P در حال پر شدن است .
در اين دسته عنصرهاي فلزي ـ نافلزي ـ شبه فلزي و گاز نجيب ديده مي شود. دو گروه مهم در اين دسته گروه 17 يا گروه هفتم اصلي
يا گروه هالوژن مي باشد. و گروه مهم ديگر گروه 18 يا هشتم اصلي يا گاز نجيب مي باشد.
ويژگي هالوژن ها:
1- با فلزها به آساني واكنش مي دهند و نمك ها را مي سازند (هالوژن در زبان لاتين به معني نمك ساز است.)
2- نافلزترين گروه جدول است. از بالا به پايين از ميزان فعاليت آنها كاسته مي شود.
3- آرايش لايه آخر آن ها با گرفتن يك الكترون به آرايش گاز نجيب پس از خود
مي رسند.
4- از بالا به پايين در اين گروه نقطه ذوب و جوش افزايش مي يابد.
5- در طبيعت به صورت آزاد يافت نمي شود (به علت واكنش پذيري زياد) و ملكول هاي آن دو اتمي است.
ويژگي هاي گازهاي نجيب يا بي اثر: گروه 18
1- لايه آخر آن ها پر است.
2- واكنش پذيري بسيبار كم اين گازها نتيجه ي پايداري به خاطرآرايش ويژه مي باشد.
3- تك اتمي هستند. و نادر و كمياب در طبيعت مي باشند.
4- از بالا به پايين در اين گروه واكنش پذيري بيشتر مي شود. امروزه بي اثر بودن گازهاي نجيب ديگر مطرح نيست چون از كريپتون و زنون و رادون با واكنش پذيري كم چند تركيب ساخته اند. اما هنوز از هليم و نئون و آرگون هيچ تركيبي نساخته اند.
هيدروژن ـ يك خانواده تك عضوي:
1- اين عنصر فراوان ترين در جهان است ولي در روي كره زمين نهمين عنصر فراوان است.
2- تنهاست چون به هيچ عنصري شباهت ندارد.
3- با فلزهاي فعال (گروه 1 و 2) واكنش مي دهد (نقش يون منفي (آنيون) مي گيرد و تشكيل هيدريد مي دهد مثل (NaH)
4- با نافلزها نيز واكنش مي دهد (مثل HcL)
5- آرايش الكتروني لايه ظرفيت آن s1 است.
6- بيشتر پيوند كووالانس تشكيل مي دهد (آب فراوان ترين ملكول از هيدروژن با پيوند كووالانس مي باشد.)
7- آن را در طبيعت آزاد نمي توان يافت. اما تركيبات فراواني از آن مانند چربي ها و پروتئين ها و هيدرات كربن مثل قند و نشاسته را مي توان يافت.
شعاع اتمي:
چون الكترون ها در محدوده هايي حركت مي كنند كه شبيه به ابر به نظر مي رسند. با اين تشبيه مي توان تصور كرد كه تا چه اندازه اندازه گيري ابعاد اتم ها دشوار است. زيرا مرزهاي يك توده ابر مانند نامشخص و متغير است.
اندازه يك اتم به وسيله ي شعاع آن تعيين مي شود.
شيميدان ها شعاع اتم را با روش هاي گوناگون اندازه مي گيرند.
1- نصف فاصله ي بين هسته اي دو اتم مشابه در يك ملكول دو اتمي ،جور هسته با پيوند يگانه (ساده) به اين كميت اندازه گيري شده شعاع كووالانسي گويند.
براي اين كه طول پيوند شعاع اتمي محسوب شود بايستي پيوند ساده و اتم جور هسته باشد.
2- در اين روش از طول پيوند به هنگامي كه دو اتم (گاز نجيب) و دو ملكول مجاور را كه نسبت به هم به حالت مماس قرار گرفته اند استفاده مي شود. به نصف اين فاصله شعاع و اندر والسي مي گويند.
از روش هاي ديگر نيز مي توان به دست آورد به طور مثال براي به دست آوردن شعاع اتمي (كووالانسي) گازهاي نجيب از برون يابي از روي نمودار از منحني شعاع به شماره گروه بدست آورد چون گازهاي نجيب پيوند انجام نمي دهند معمولاً شعاع و اندر والسي در نظر مي گيرند.
نكته: هميشه شعاع و اندروالسي از شعاع كووالانسي بزرگتر است. به دليل تنوع در روش هاي اندازه گيري شعاع جدول مربوط به اين مقادير معمولاً با هم متفاوت است.
الكترونگاتيوي: ميزان تمايل نسبي يك اتم براي كشيدن الكترون هاي يك پيوند كووالانسي به سمت هسته خود را گويند. قويترين الكترونگاتيوي جدول فلوئور (F) مي باشد كه عدد 4 را به آن نسبت مي دهند. و ضعيف ترين الكترونگاتيو جدول (قويترين الكتروپوزتيو) نيز عنصر سزيم (Cs)است.
دو عامل در الكتونگاتيوي مؤثر است: 1ـ بار مؤثر هسته 2ـ شعاع اتمي
نكته: دو عامل در انرژي يونش مؤثر است: 1ـ شعاع 2ـ پايداري آرايش الكتروني
روندها و نظام هاي حاكم بر جدول:
لازم به ذكر است تمام نظام ها و قاعده ها و روندهاتقريبي است.
نكات:
1- در هر گروه: از بالا به پايين شعاع افزايش مي يابد.
2- در هر گروه: از بالا به پايين خاصيت فلزي افزايش مي يابد.
3- در هر گروه: از بالا به پايين الكترونگاتيوي كاهش مي يابد.
4- در هر گروه: از بالا به پايين نافلزي كاهش مي يابد.
5- در هر گروه: از بالا به پايين انرژي يونش كاهش مي يابد.
6- در هر تناوب: از چپ به راست شعاع كاهش مي يابد.
7- هر تناوب: از چپ به راست خاصيت فلزي كاهش مي يابد.
8- در هر تناوب: از چپ به راست الكترونگاتيوي افزايش مي يابد.
9- در هر تناوب: از چپ به راست نافلزي افزايش مي يابد.
10- در هر تناوب: از چپ به راست انرژي يونش افزايش مي يابد.
نكات: 91 عنصر در جدول در طبيعت وجود دارد.
از عنصر 92 به بعد به طور ساختگي مي باشد.
دو عنصر مايع جدول به ترتيب جيوه (فلز) و برم (نافلز)
عنصر ها يا يک حرفي يا دو حرفي ياسه حرفي هستند.
1- دريك گروه با افزايش عدد اتمي شعاع اتمي افزايش مي يابد. و در هر دوره با افزايش عدد اتمي
(به طور كلي و بدون در نظر گرفتن استثنائات) شعاع اتمي كاهش مي يابد.
2-اگر نمودار شعاع اتمي بر حسب عدد اتمي را بررسي كنيم نشان مي دهد, ماكزيمم شعاع اتمي متعلق به فلزات قليايي و مينيمم شعاع اتمي متعلق به هالوژن ها است.
نکته: انرژي يونش گروه دوم به علت پر بودن اوربيتال s از گروه سوم و گروه پنجم به علت نيمه پر بودن اوربيتال هاي p آن از گروه ششم بيشتر است.
3-در هر گروه از بالا به پايين با افزايش شعاع اتمي الكترونگاتيوي كاهش از چپ به راست با كاهش شعاع اتمي الكترونگاتيوي افزايش مي يابد به طوري كه در هر دوره كمترين الكترونگاتيوي مربوط به فلز قليايي و بيشترين الكترونگاتيوي مربوط به هالوژن است.
4. تعيين دوره و گروه عناصر:
آخر عنصري به ns1 ختم شود. متعلق به گروه اول اصلي (IA) مي باشد. اين گروه فقط كاتيون يك بار مثبت توليد مي كند.
اگر آرايش لايه آخر عنصري به ns2ختم شود. متعلق به گروه دوم اصلي (IIA)مي باشد. اين گروه فقط كاتيون دو بار مثبت ايجاد مي كند.
اگر به ns2npx ختم شود 2+x گروه محسوب مي شود.
مثال:ns2np3 در گروه پنجم اصلي (VIIB) مي باشد.
اگر در عناصر واسطه لايه آخر به nsx(n-1)dyختم شود جمعx+y گروه مربوطه خواهد شد .
مثال :4s23d5گروه ((VII B) مي باشد .
نكته: طبق ايوپاك شماره گروه مجموعه الكترون هاي تراز s+p+(n-1)d مي باشد.
مثال: (براي عناصر دسته (P
5s25p54d10گروه 17 ايوپاك يا گروه هفت اصلي VIIA
5. هنگام رسم آرايش الكتروني يون ها ابتدا آرايش الكتروني اتم را در حالت خنثي رسم كنيد. به اندازه بار مثبت از تعداد الكترون ها كم كنيد و به اندازه بار منفي بر تعداد الكترون ها بيافزايد.توجه داشته باشيد كه درعناصر واسطه ابتدا nsخالي مي شودو بعدd (n-1)
چرا اتم ها با هم پيوند انجام مي دهند؟
چرا در طبيعت مواد بيشتر به صورت تركيب يافت مي شود
چرا گازهاي نجيب در طبيعت به صورت اتمي وجود دارند.
اين ها سؤال هايي كه به دنبال پاسخ آن هستيم. حال به دنبال پاسخ خود جواب اين سؤال را در ويژگي اتم ها بايد يافت.
گازهاي نجيب در لايه اخر (لايه ظرفيت) خود همگي داراي هشت الكترون مي باشند (به جزء هليم) يعني لايه آخر آن ها پر و تكميل است پس ميلي به انجام واكنش ندارند اما اتم هاي ديگر به علت نقص درآرايش لايه آخرخود ميل به انجام واكنش دارند تا لايه آخر خود را پر و تكميل نمايند و پايدار شوند (يعني شبيه گازهاي نجيب شوند)
قاعده اكتت: عناصر تمايل دارند لايه آخر آن ها هشتايي شود. به نظر مي رسد اين حالت عناصر را به پايداري مي رساند. فلزها و نافلزها هر كدام به روش اين كار انجام مي دهند فلزها با از دست دادن و نافلزها با كسب الكترون به آرايش پايدار گاز نجيب مي رسند و اين امكان ندارد مگر بين فلز و نافلز با رد و بدل كردن الكترون پيوند انجام دهند و اين نوعي پيوند به نام پيوند يوني است.
اما آيا تمامي اتم ها فقط به اين طريق مي توانند اكتت شوند و به آرايش دلخواه خود برسند؟ پاسخ منفي است پس راه هاي ديگري نيز وجود دارد. پس انواع مختلف پيوندهايي كه اتم ها مي توانند انجام دهند آن ها را مي توانند به پايداري برساند. پس تشكيل پيوند راهي است براي رسيدن اتم ها به پايداري.
پيوند: يعني اتصال اتم ها
دو نوع پيوند اتم ها براي رسيدن به پايداري:
1. پيوند يوني
2. پيوند كووالانسي
ویژگی های عناصر در جدول تناوبی