شيمي (جدول تناوبي عنصرها)

– ۱ پيشگفتار و مقدمه تاريخي
تا كنون با انواع گوناگوني از عنصرها و تركيبهاي شيميايي آنها كه هر يك ويژگي هاي خاص خود را دارد آشنا شده ايد . براي مثال با عنصر هايي همچون سديم يا كلر برخورد كرديم كه يكي خواص فلزي و ديگري خواص نافلزي دارد . همچنين با تركيبهاي جامدي آشنا شديم

كه ساختار آنها در شرايط معمولي متفاوت و به صورت جامد مولكولي (مانند يد ) جامد كووالانسي (مانند سيليس ) و جامد يوني (مانند كلريد سديم ) هستند هرگاه در صدد باشيم كه عنصرها و تركيبهاي آنها را كه گوناگوني فراوان دارند يك به يك بررسي كنيم در مدت كوتاهي در برابر انبوهي از اطلاعات پراكنده سرگردان خواهيم ماند به اين دليل نياز به سازماندهي اطلاعات به دست آمده از مدتها پيش توسط شيميدانان احساس مي شد .

بيشتر آنان نيز باي كشف روابط ميان خواص گوناگون فيزيكي و شيميايي عنصرها و تنظيم جدولي كه آنها را به صورت دسته ها يا گروههايي با ويژگي هايي مشابه طبقه بندي كند تلاش هاي فراواني كردند گرچه برخي از اين كوشش ها موفقيت آميز بود اما هرگز پاسخگوي بسياري از نيازها و معماها نبود .

جدول تناوبي امروزي ما بيشتر مستند و بر تلاش ها ديميتري مندليف است كه در سال ۱۸۶۹ نخستين طرح جدول تناوبي خود را ارائه داد . اين دانشمند در سال ۱۸۶۷ به منظور تدوين يك كتاب شيمي عمومي به بررسي دقيق تر خواص عنصرها و تركيباهاي آنها اقدام كرد . در آن زمان هنوز ذره ها تشكيل دهنده اتم و ساختار آن

( به ويژه الكترونها و پروتونها ) كشف نشده بودند و مندليف از نقش آنها در پيدايش خواص شيميايي آگاهي نداشت اما در مورد جرم اتمي عنصرها خواص فيزيكي و شيميايي و تركيبهاي آنها آگاهي هاي زيادي گردآوري كرده بود . او يافته هاي خود را براي هر عنصر را در كارتهايي ثبت مرد و با مقايسه و طبقه بندي آنها متوجه بر قراري يك نظام و الگوي مشخص در تكرار تناوبي خواص شد .

اين نظام مبناي اصلي تدوين جدول او بود . كه در آن زمان به قانون تناوبي مندليف براي عنصرها معروف شد . متن قانون تناوبي مندليف كم و بيش به قرار زير بود .
هر گاه عنصرها بر اساس افزايش جرم اتمي تنظيم شوند خواص فيزيكي و شيميايي آنها به طور تناوبي تكرار مي شوند.

ابتكار مهم مندليف در تنظيم جدول خود توجه كامل به دو اصل قرار دادي زير بود :
۱ – عنصرها بر حسب افزيش تدريجي جرم اتمي آنها در رديفهايي كنار يكديگر قرار مي گيرند .
۲ – عنصرهايي كه در يك گروه زير يكديگر قرار مي گيرند بايد خواص نسبتاً مشابه داشته باشند .
براي رعايت اين دو اصل مندليف ناگزير شد كه برخي خانه هاي جدول خود را خالي نگه دارد .

در توجيه اين كار او چنين فرض كرد كه اين خانه ها جاي عنصرهاي نا شناخته اي هستند كه دير يا زود كشف خواهند شد (در آن زمان تنها ۶۳ عنصر شناخته شده بود . )
براي نمونه مندليف خانه زير عناصر سيليسيم را در جدول خود خالي نگه داشت و آن را مربوط به عنصر ناشناخته اي دانست كه موقتاً نام اكاسيليسيم را براي آن در نظر گرفت (براي مربوط به عنصري در گروه چهارم و رديف چهارم جدول است )

نكته جالب توجه اين بود كه وي بر اساس تغيير تدريجي برخي خواص عنصرهاي مجاور كه هم گروه يا هم رديف اين عنصر و تركيبهاي آن را پيش بيني شده در يك معدن نقره كشف كرد و آن را به افتخار كشور خود ژرمانيم نام نهاد به همين ترتيب مندليف وجود ۱۰ عنصر ناشناخته را براي جدول خود پيش بيني كرد كه در زمان حيات او و پس از آن كشف شدند مندليف در برخي موارد براي جلوگيري از فروپاشي جدول خود اصل تنظيم عنصرهاي را بر حسب افزايش تدريجي جرم اتمي ناديده گرفت و اصل تشابه خواص در يك گروه را بر آن برتري داد .

براي نمونه مندليف جاي دو عنصر تلور (Te ) و يد (I) را كه متعلق به گروههاي ششم و هفتم جدول بود پس و پيش كرد (خانه هاي شماره ۵۲ و ۵۳ جدول تناوبي امروزي جدول ۱ – ۲ را نگاه كنيد ) به طوري كه عنصر سنگين تر ، تلور (۶/ ۱۲۷ = Te) را پيش از عنصر سبكتر ، يد (۹/۱۲۶ = I ) قرار داد تا هر يك از اين دو عنصر در گروه ويژۀ خود قرار بگيرند ،

Te در بسياري خواص با عنصرهاي گروه ششم همچون گوگرد و يد با عنصرهاي گروه هفتم همچون برم شباهت دارد . در آن زمان اين دانشمند نمي توانست هيچگونه توجيه علمي براي اين گونه دستكاريها ارائه دهد . زيرا پاسخگويي به اين معما ها نياز انجام پژوهش هاي بيشتري بود .

گرچه جدول تناوبي مندليف در زمان خود يك شاهكار علمي به شمار مي رفت و در طبقه بندي توجيه خواص و پيشگويي آنها كمك شايان كرد . اما چنانچه گفته شد اين جدول محدوديتها و كمبود هاي زيادي داشت بعد ها با پيشرفت علمي شيمي شواهد فراواني به دست آمد كه نشان داد جرم اتمي ملاك مناسبي براي طبقه بندي عنصرها نيست و بايستي از ملاك معتبرتري استفاده كرد . در سال ۱۹۱۳ با كشف عدد اتمي توسط موزلي دانشمندان متوجه شدند

كه بيشتر خواص عنصرها به عدد اتمي (تعداد پروتونها در هسته ) آنها وابسته است نه جرم اتمي آنها عدد اتمي هر عنصر مقدار معين و ثابتي است و بر خلاف جرم اتمي عددي صحيح است

به اين ترتيب قانون تناوبي مندليف اصلاح شد و به صورت زير در آمد :
هر گاه عنصرها بر اساس افزايش عدد اتمي تنظيم شوند خواص فيزيكي و شيميايي آنها به طور تناوبي تكرار مي شود .

با تنظيم عنصرها بر مبناي افزايش عدد اتمي ايرادهاي فراواني كه بر جدول مندليف وارد بود بر طرف شد براي مثال علت جلو افتادن تلور از يد چنين توجيه مي شود كه عدد اتمي تلور كمتر از يد است هر چند جرم اتمي آن بيشتر است .

به هر حال با كشف ساختار اتم توجيه بسياري از معماهاي جدول تناوبي آسانتر و توانايي در پيش گويي خواص فيزيكي و شيمايي عنصرها بيشتر شد .

جمع بندي و نتيجه گيري :
از اين مرور تاريخي پي مي بريم كه دانشمندان همواره با انجام دادن مشاهده ها و جمع آوري داده هاي فراوان به طبقه بندي يافته هاي خود مي پردازند و با جستجوي روابط علت و معلولي به كشف نظامها و فرضيه هايي نايل مي آيند كه از آنها براي توجيه خواص و يا پيش بيني پديده هاي جديد استفاده مي كنند در عين حال آنان همواره با محدودبت هايي برخورد مي كنند

كه بدون تعصيب و اصرار بر نظرهاي شخصي وجود آنها را مي پذيرند آنگاه براي تويجه اين محدوديتها به كاوشگري طراحي و اجراي پژوهش ها جديد اقدام مي كنند در اين راه نظامهاي قبلي را اصلاح و تكميل مي كنند و با اينكه به نظامهاي جديدتر و مطمئن تري دست مي يابند و بدنسان كاروان علم پيش مي رود و در خدمت انسان در مي آيد . در آرزوي روزي كه اين خدمت فقط در راه رشد و رفاي بشريت و حفاظت منابع خدادادي براي همۀ دورانها باشد .

۱ – ۲ آرايش الكتروني عنصرها و مفهوم تناوب در خواص
در برنامه شيمي (۲) با يك جدول كوچك و مقدماتي طبقه بندي عنصرها آشنا شديد كه مستند بر رابطۀ ميان خواص فيزيكي – شيميايي عنصرها و آرايش الكتروني آنها بود .

جدول سادشده شامل ۲۰ عنصر است كه به ۸ گروه از عنصرها تقسيم مي شود . از آنجا كه اين جدول تا حدود زيادي ما را با ويژگي هاي كلي جدول تناوبي امروزي عنصرها آشنا مي كند و از طرفي رابطۀ ميان ساختار الكتروني اتم هر يك از عنصرها را با موقعيت عنصر در جدول تناوبي آشكار مي سازد . از اين رو نخست گروههاي اصلي جدول را مطابق جدول ۱ – ۱ بررسي مي كنيم آنگاه به معرفي جدول كامل امروزي مي پردازيم

۱ – هر خانۀ اين جدول شامل نشانه شيمايي عدد جرمي در بالا و عدد اتمي در پاين است . آرايش الكتروني عنصرها نيز به منظور سهولت بررسي جدول و شناخت ويژگي هاي آنها در زير نشانه ها نوشته شده است .

۲ – در گروه اول اين عنصرها فلزهاي فعالي همچون ليتيم ، سديم و پتاسيم قرار دارند كه در لايۀ ظرفيت خود يك الكترون در ترازو انرژي ns دارند n شماره آخرين سطح انرژي اصلي اتم است براي مثال در ليتيم ( ) n و در سديم( ) ؛ n برابر ۳ است .

پرسش ۱ – ۱ پيش از اين با برخي خواص اين فلز ها آشنا شده ايد دو مثال از تشابه خواص اين عنصرها را ياد آور شود
۳ – گروه دوم اين عنصرها شامل فلزهاي Ca , Mg , Be است كه در لايه ظريف خود تنها ۲ الكترون در تراز انرژي ns دارند .

پرسش ۱ – ۲ آرايش الكتروني را رسم كنيد و يك مثال آشنا براي تشابه خواص اين دو فلز بيان كنيد .
۴ – گروههاي ۶ گانه سوم ت هشت جدول اغلب شامل عنصرهاي نافلزي هستند كه افزون بر ۲ الكترون موجود در تراز فرعي ns تعدادي الكترون نيز در تراز فرعي np دارند براي مثال اكسيژن ( ) در سطح انرژي اصلي ۲ n = روي هم ۶ الكترون در تراز هاي فرعيs 2 وp2 دارد.

پرسش ۱ – ۳ آرايش الكتروني فسفر را رسم كنيد و تعداد الكترون هاي موجود در ترازهاي فرعي لايۀ ظريف همچنين شماره گروه اين عنصر را مشخص كنيد .

۵ – بررسي آرايش الكتروني لايۀ ظريف عنصر گروههايي كه تاكنون مطالعه شدند مي رساند كه (در هر گروه تعداد الكترون هاي لايه ظريف عنصرها يكسان و برابر شمارۀ گروه است )
از آنجا كه بسياري از خواص شيميايي عنصر به تعداد الكترونه هاي آخرين لايه اتم (الكترون هاي ظرفيتي ) آن بستگي دارد مي توان تشابه خواص عنصرها را در هر گروه توجيه كرد .

پرسش ۱ – ۵ آرايش الكتروني يك عنصر ( ) است اين عنصر در كدام گروه جدول قرار دارد ؟ دو مورد از تشابه خواص اين عنصر و عنصري كه آرايش الكتروني لايه ظرفيت آن شبيه اين عنصر است را بيان كنيد .

۶ – همان طور كه ديده مي شود عنصرها در هر يك از رديف هاي افقي معروف به تناوب بر حسب افزايش پياپي عدد اتمي كنار يكديگر قرار گرفته اند تناوب اول اين جدول كه وابسته به نخستين لايه الكتروني اتم (۱n= ) و به عبارتي لايه اصلي k است شامل اوربيتال s 1 بوده كه در H به وسيلۀ يك الكترون و در He و به وسيله ۲ الكترون اشغال مي شود

لايه ظرفيت هر يك از عنصرها در تناوبهاي دوم و سوم به ترتيب سطوح انرژي ۲ = n و ۳ = n (لايه هاي الكتروني اصلي L و M ) هستند كه يك اوربيتال S و سه اوربيتال P را در بر دارند .

پرسش ۱ – ۶ حداكثر چند عنصر مي تواند در تناوبهاي دوم و سوم جدول جاي بگيرد ؟ چرا ؟
در گروه يك به جز هيدروژن كه در شرايط معمولي گاز است و از مولكول هاي دو اتمي تشكيل شده است ( اين عنصر در جدول موقعيت و شرايط استثنايي دارد ) ديگر عنصر هاي گروه K , Na , Li , IA كه در زير يكديگر قرار دارند خواص فيزيكي و شيمايي نسبتاً مشابه از خود نشان مي دهند به همين ترتيب در ديگر گروههاي جدول نيز تشابه آرايش الكتروني و تشابه بسياري از خواص را مي بينيم .

پرسش ۱ – ۷ يك وجه تشابه براي دو عنصر كلر و فلوئور بيان كنيد (پيش از اين آموخته ايد كه اين دو عنصر عضو خانواده اي از عنصر ها معروف به هالوژونها هستند )
پرسش ۱ – ۸ فرمول تركيب دو عنصر C و Si را كه در گروه ۴ قرار دارند با هيدروژن بنويسيد .

پرسش ۱ –۹ با استفاده از اطلاعات قبلي بگوييد كه عنصر هاي Ar , Ne , He چه خواصي دارند ؟ آرايش لايۀ ظرفيت اين عنصر ها چگونه است ؟
با توجه به بررسيهاي قبلي به نتيجه گيري مهم نيز مي رسيم .
هرگاه عنصر هاي جدول را بر حسب افزايش تدريجي عدد اتمي آنها كنار يكديگر قرار دهيم ديد كه خواص فيزيكي و شيميايي عنصرها به تناوب تكرار مي شود .

كه هر تناوب در گروه اول با يك فلز قوي قليايي آغاز مي شود و در گروه هفتم به يك نافلز قوي مي رسد آنگاه در گروه هشتم به يك گاز نجيب پايان مي يابد . اين ويژگي ها دوباره در تناوب هاي بعدي تكرار مي شود اين نتيجه گيري را قانون تناوبي عنصرها مي نامند كه اساس و مبناي ساختار جدول تناوبي است و به كمك آن مي توان اغلب خواص عنصرها و تركيب هاي آنها در توجيه كرد يا پيش بيني نمود

پرسش ۱ – ۱۰ از واكنش نيتروژن با هيدروژن تركبي به فرمول ۳ NH پديد مي آيند انتظار داريد كه واكنش فسفر با هيدروژن چه تركيبي به دست آيد ؟
پرسش ۱ – ۱۱ با ساختار مولكول O 2 H آشنا هستيد ساختار مولكول تركيب حاصل از واكنش گوگرد با هيدروژن را پيش بيني كنيد.

سولفات سديم جامدي يوني سفيد رنگ و محلول در آب است آيا مي توان اين گونه ويژگيها را براي سولفات پتاسيم نيز پيش بيني كرد چرا؟
جدول تناوبي امروزي
جدول ۱ – ۲ شماي كلي جدول تناوبي عنصرها را آن طور كه هم اكنون متداول است نشان مي دهد اين جدول ۷ رديف افقي(تناوب ) و ۱۸ گروه (۱۸ ستون ) دارد گروههاي جدول به دو دسته عنصرهاي اصلي (۵۸ گروه اصلي A ) و عنصرهاي واسطه (۱۰ گروه فرعي B ) تقسيم مي شود.

همان طور كه در جدول ۱ – ۲ ديده مي شود عنصرهاي فلزي با رنگ آبي و نافلزها با رنگ زرد نشان داده شده اند تعدادي عنصر نيز به رنگ سبز مشخص شده اند كه شبه فلز ناميده مي شوند اين عنصرها به طور محسوس هم شامل برخي خواص فلزي و هم بعضي خواص نافلزي اند.

الف – مروري بر گروهخهاي جدول: ۸ گروه اصلي اين جدول صورت تكميل شده همان گروههاي ۸ گانه جدول قبلي ۱ – ۱ هستند كه گروههاي اول و دوم آنها معروف به فلزهاي قليايي (گروه IA) و فلزهاي خاكي (گروه IIA) بوده و در سمت چپ جدول قرار دارند درلايه ظرفيت اين دو گروه از عنصرها اوربيتال ns در حال پر شدن است

گروههاي شش گانه IIIA تا VIIIA كه اغلب نافلز هستند در سمت راست جدول قرار دارند و در آنها اوربيتالهاي np لايه ظرفيت در حال پر شدن است براي مثال آرايش الكتروني لايه ظرفيت اتمهاي O و F كه از گروههاي VIA و VIIA هستند به ترتيب ۲P S 2 و است با اين شرح متوجه مي شويم كه همه ويژگيهاي گفته شده در مورد جدول ۱ – ۲ در اين مورد نيز صادق است.

۱۰ ستون كوتاه موجود در وسط جدول ۱۰ گروه ديگر از فلزها را نشان مي دهد كه چون در بين فلزهاي دو گروه اصلي IIA و IIIA قرار دارد فلزهاي وسطه نام گرفته اند با دقت در نوع عنصرهاي واسطه مي بينيد كه بسياري از آنها فلزهاي صنعتي و ساختماني معروفي همچون Fe ،‌Cr ،‌Zn ، Cu هستند.

پرسش ۱ – ۱۳ چهار فلز ديگر از عنصرهاي واسطه را نام ببريد كه در زندگي روزانه كم و بيش با آنها سر و كار داريد.
در عنصرهاي واسطه اوربيتالهاي d در حال پر شدن است مي دانيد كه نوبت پر شدن اوربيتالهاي نخستين تراز فرعي d پس از پر شدن اوبيتال s4 فرا مي رسد بنابراين نخستين رديف از عنصرهاي واسطه در تناوب چهارم ظاهر مي شود كه طي آن ۵ اوربيتال d3 به وسيله ۱۰ الكترون اشغال مي شود و ۱۰ عنصر پي در پي را در ۱۰ ستون به وجود مي آورد.

ب – مروري بر تناوبهاي جدول : همان طور كه ديده مي شود جدول روي هم ۷ تناوب دارد. در هر تناوب تعداد ترازهاي اصلي انرژي اتم عنصرهاي موجود يكسان است تعداد اين ترازها از بالا به پايين از ۱ تا ۷ افزايش مي يابد.
پرسش ۱ – ۱۴ ستونهاي جدول ۱ – ۳ برخي ويژگيهاي عنصرهاي وابسته به تناوبهاي اول تا پنجم جدول تناوبي را نشان مي دهد با استفاده از جدول تناوبي ۱ – ۲ خانه هاي خالي جدول را پر كنيد.

تناوب ششم : شامل ۳۲ عنصر است از اين ميان ۸ عنصر در گروههاي اصلي تا ۱۰ عنصر در گروه عنصرهاي واسطه (گروههاي ) قرار دارند ۱۴ عنصر ديگر نيز كه لانتانيدها ناميده شده اند در يك رديف زير جدول جاي دارند بايد همگي پشت سر هم در خانه ۵۷ جدول جاي داده شوند و چون چنين امري ناممكن است آنها را در پايين جدول قرار مي دهند لانتانيدها فلزهاي كميابي هستند كه به ندرت در خاك ديده مي شوند به همين دليل نيز گاهي آنها را (خاكهاي كمياب ) مي نامند.

تناوب هفتم : اين تناوب تنها تناوب جدول است كه ناقص است در صورتي كه عنصرهاي تازه اي به طور مصنوهي و از طريق واكنشهاي هسته اي ساخته شوند در اين تناوب قرار مي گيرند.
جدول ۱ – ۲ نشان مي دهد

كه تناوب هفتم در زمان تنظيم آن ۱۹ عنصر داشته است عنصرهاي تناوب هفتم همگي پرتوزا (راديو اكتيو) هستند اين تناوب با فلز قليايي فرانسيم ( ) آغاز مي شود و عنصر دوم آن نيز فلز قليايي خاكي راديم است عنصر سوم اين تناوب كه در خانه ۸۹ و درست زير لانتان قرار دارد آكتينيم است ۱۴ عنصر بعدي كه در رديف دوم زير لانتايدها قرار دارند

به علت تشابه كم و بيش خواص آنها با آكتينيم آكتيندها ناميده شده اند و جاي واقعي آنها همان خانه ۸۹ جدول است درپايان يادآور مي شويم كه عنصرهاي پرتوزا و كوته عمر تازه اي كه گهگاه با دشواري زياد و به كمك امكانات عظيم آزمايشگاهي از واكنشهاي هسته اي ساخته مي شوند به تدريج خانه هاي ۱۰۴ به بعد را در تناوب هفتم جدول اشغال مي كنند.

تعداد عنصرهاي هر تناوب نوع اوربيتاهاي در حال پر شدن لايه ظرفيت عنصر پاياني هر تناوب عنصر آغازگر هر تناوب شماره تناوب
۱
۲
۳
۱۸ P4،d3،s4 گاز كريپتون (Kr ) فلز پتاسيم(K) 4
5

بررسي گروهي عنصرها
۳ – ۱ گروه اصلي IA (فلزهاي قليايي)
۳ – ۱ – ۱ بررسي كلي و جدول ويژگيهاي فيزيكي:‌
فلزهاي قليايي نخستين گروه از عنصرهاي اصلي جدول تناوبي هستند كه شامل ليتيم،سديم،پتاسيم،روبيديم، سزيم، و فرانسيم است.

اين فلزها در لايه ظرفيت خود يك الكترون در اوربيتال S دارند و واكنش پذيري آنها از همه فلزها بيشتر است اتمهاي اين عنصرها به آساني الكترون ظرفيت خود را از دست مي دهند و در نتيج يونهاي يك بار مثبت مانند را پديد مي آورند به همين دليل گاهي اين عنصرها را فلزهاي الكتروپوزيتيو قوي مي گويند هيچ يك از اين فلزها در طبيعت به حالت آزاد

وجود ندارند (چرا) ولي تركيبهاي آنها به فراواني يافت مي شوند از اين ميان سديم هفتمين و پتاسيم هشتيمين عنصر فراوان در پوسته زمين است در حالي كه بقيه فلزهاي اين گروه كميابند فرانسيم كه در پايين اين گروه و در آغاز تناوب هفتم جدول قرار دارد عنصري است

پرتوزا كه از برخي واكنشهاي هسته اي طبيعي پديد مي آيد كوته عمر و بسيار كمياب است به همين دليل شيمي آن در اين برنامه مورد توجه قرار نمي گيرد فلزهاي قليايي نرم هستند و همه آنها به جز ليتيم به آساني بريده مي شوند و سطح تازه بريده شده فلز جلاي فلزي دارد ولي در معرض هوا خيلي زود تيره و كدر مي شود.