بارهای جدول تناوبی – معرفی بارهای عناصر جدول تناوبی به زبان ساده

۲۱۳ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۱۳ بهمن ۱۴۰۳
زمان مطالعه: ۱۸ دقیقه
دانلود PDF مقاله
بارهای جدول تناوبی – معرفی بارهای عناصر جدول تناوبی به زبان سادهبارهای جدول تناوبی – معرفی بارهای عناصر جدول تناوبی به زبان ساده

با توجه به جدول تناوبی و مکان قرار گرفتن هر عنصر در آن می‌توان به اطلاعات بسیاری درباره آن عنصر دست یافت. یکی از این اطلاعات، بار الکتریکی یونی است که عنصر تشکیل می‌دهد. بارهای جدول تناوبی با روند و الگوی خاصی تغییر می‌کنند و می‌توان بارهای عناصر جدول تناوبی را تنها با دانستن مکان آن‌ها پیدا کرد. برای مثال، فلزات گروه اول و دوم جدول تناوبی یون‌های یک و دو بار مثبت تولید می‌کنند. در این مطلب از مجله فرادرس روند تغییر بارهای جدول تناوبی را بررسی کرده و می‌آموزیم چگونه می‌توان بارهای عناصر جدول تناوبی را پیدا کرد.

997696

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم مفهوم بارهای جدول تناوبی چیست و این بارها کدامند. سپس مباحث مربوط به این بارها مانند آرایش الکترونی عناصر و نحوه نوشتن آن را می‌آموزیم و درباره نحوه شمارش الکترون ظرفیت عناصر صحبت می‌کنیم. همچنین بارهای عناصر جدول تناوبی را در گروه‌های مختلف مانند عناصر فلزات قلیایی و هالوژن‌ها بررسی می‌کنیم. درنهایت می‌آموزیم اهمیت بارهای جدول تناوبی چیست. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید با این خاصیت دوره‌ای مهم در جدول تناوبی به شکلی کامل آشنا شوید.

بارهای جدول تناوبی

بارهای عناصر جدول تناوبی بار یون‌هایی است که اتم آن‌ها در صورت از دست دادن یا دریافت الکترون تولید می‌کند. میزان بارهای جدول تناوبی وابسته به آرایش الکترونی عناصر و تعداد الکترون‌های ظرفیت آن‌ها است. در جدول تناوبی، اتم‌های موجود در یک گروه عمودی، تعداد الکترون‌های ظرفیت یکسانی دارند. بنابراین، بار الکتریکی یون‌های آن‌ها نیز برابر می‌شود.

در حالت کلی، اتم‌هایی که یون مثبت (کاتیون) تولید می‌کنند در سمت چپ و مرکز جدول تناوبی و اتم‌هایی که یون منفی (آنیون) تولید می‌کنند در گروه‌های سمت راست جدول تناوبی یافت می‌شوند. میزان بار الکتریکی در گروه‌های ابتدایی و انتهایی جدول تناوبی کمتر است و با حرکت به سمت مرکز جدول تناوبی افزایش می‌یابد.

نمودار درختی از نحوه تغییرات بارهای جدول تناوبی با خانه‌های زرد

در ادامه، روند تغییرات بارهای جدول تناوبی را بررسی می‌کنیم.

  • گروه اول جدول تناوبی (گروه فلزات قلیایی) یون ۱+ تولید می‌کنند.
  • گروه دوم جدول تناوبی (گروه فلزات قلیایی خاکی) یون ۲+ تولید می‌کنند.
  • گروه ۱۵ جدول تناوبی (گروه بور) یون ۳- تولید می‌کنند.
  • گروه ۱۶ جدول تناوبی (گروه اکسیژن) یون ۲- تولید می‌کنند.
  • گروه ۱۷ جدول تناوبی (هالوژن‌ها) یون ۱- تولید می‌کنند.
  • گروه ۱۸ جدول تناوبی (گاز‌های نجیب) یون تولید نمی‌کنند و اغلب به شکل خنثی هستند.

گازهای نجیب به علت داشتن آرایش الکترونی هشتایی «اوکتت» و کامل بودن ظرفیت اوربیتال‌ها و زیرلایه‌های الکترونی، تمایلی به از دست دادن یا دریافت الکترون و تشکیل یون ندارند. در واقع، سایر اتم‌ها الکترون از دست داده یا دریافت می‌کنند تا به آرایش الکترونی گاز نجیب (اوکتت) برسند. تنها برخی از ترکیبات تشکیل شده از اتم گاز نجیب زنون هستند که از آرایش الکترونی گاز نجیب پیروی نمی‌کنند.

در تصویر زیر، روند تغییر بار‌های عناصر جدول تناوبی را مشاهده می‌کنید.

یک جدول با ستون های رنگی
بارهای جدول تناوبی

یادگیری شیمی دبیرستان با فرادرس

یادگیری عناصر جدول تناوبی و ویژگی‌های دوره‌ای آن‌ها مانند بارهای جدول تناوبی و یون‌هایی که عناصر تشکیل می‌دهند، قدمی مهم در یادگیری علم شیمی و واکنش‌های شیمیایی است. برای یادگیری بارهای عناصر جدول تناوبی باید با مفاهیمی مانند آرایش الکترونی عناصر، عدد جرمی و عدد اتمی، گروه‌های جدول تناوبی، دسته‌بندی عناصر و .. آشنا شوید. با شناخت عناصر جدول تناوبی و بار‌های عناصر می‌توانید مفاهیمی پیچیده‌تر مانند تشکیل پیوند یونی و ترکیبات یونی را درک کنید. همچنین، شناخت این مفاهیم به درک واکنش‌های اسید و باز و اکسایش-کاهش کمک خواهد کرد. پینشهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مفاهیم به مجموعه فیلم آموزش دروس متوسطه دوم و کنکور مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مسائل و مفاهیم می‌پردازد.

مجموعه آموزش دروس متوسطه و دوم کنکور فرادرس
برای مشاهده مجموعه آموزش دروس متوسطه و دوم کنکور فرادرس، روی عکس کلیک کنید.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه بارهای جدول تناوبی دسترسی داشته باشید.

بار الکتریکی چیست؟

بار الکتریکی یک عنصر یا یون از اختلاف بین الکترون‌ها و پروتون‌های آن به دست می‌آید. یک عنصر یا اتم در حالت خنثی، تعداد برابری الکترون و پروتون دارد. برخی از اتم‌ها بسته به آرایش الکترونی لایه ظرفیت خود می‌توانند الکترون از دست داده و یون مثبت (کاتیون) تولید کنند. برخی دیگر از اتم‌ها می‌توانند با دریافت الکترون، یون منفی (آنیون) تولید کنند.

کاتیون

کاتیون یونی است که تعداد پروتون‌های آن بیشتر از الکترون‌های آن باشد. در نتیجه کاتیون باری مثبت خواهد داشت. برای تشکیل یک کاتیون، باید یک یا تعداد بیشتری الکترون از اتم جدا شود. این فرآیند معمولا با قرار گرفتن اتمی دیگر کنار اتم و کشش الکترون‌ها توسط آن انجام می‌گیرد.

علامت های مثبت و منفی درون دایره های سبز و طوسی
تولید کاتیون

کاتیون را با استفاده از نماد شیمیایی عنصر و قرار دادن بار الکتریکی با علامت مثبت در بالا و سمت راست آن نشان می‌دهند. برای مثال کاتیون‌های تشکیل شده از اتم‌های نقره و روی را به شکل Ag+Ag^+ و Zn2+Zn^{2+} نمایش می‌دهند.

آنیون

در یون آنیون، تعداد الکترون‌ها بیشتر از تعداد پروتون‌ها است. برای تولید یک آنیون، اتم باید الکترون دریافت کند. معمولا الکترون دریافت شده توسط آنیون از یک اتم دیگر جدا می‌شود. آنیون را با نوشتن نماد شیمیایی عنصر و قرار دادن بار منفی در سمت راست و بالای نماد عنصر نشان می‌دهند. برای مثال، آنیون‌های کلر و اکسیژن ClCl^{-} و O2O^{2-} هستند.

علامت های مثبت و منفی درون دایره های سبز و طوسی
تولید آنیون

تولید کاتیون یا آنیون به آرایش الکترونی لایه ظرفیت اتم‌ها بستگی دارد. در ادامه نحوه نوشتن آرایش الکترونی و نحوه تعیین الکترون‌های لایه ظرفیت آن‌ها را بررسی می‌کنیم. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بیشتر مبحث کاتیون و آنیون، فیلم آموزش یون‌ های مثبت و منفی (کاتیون و آنیون) فرادرس را که لینک آن در ادامه آمده است را مشاهده کنید.

بارهای عناصر جدول تناوبی

تا اینجا آموختیم که بارهای عناصر جدول تناوبی طبق الگوی خاصی و با توجه به تعداد الکترون‌های لایه ظرفیت و آرایش الکترونی آن‌ها، تغییر می‌کند. در واقع با دانستن مکان یک عنصر می‌توان بار‌های آن را حدس زد. برای مثال فلزات و فلزات قلیایی و قلیایی خاکی بار مثبت دارند و نافلزات معمولا آنیون می‌سازند.

در ادامه، آرایش الکترونی لایه ظرفیت هریک از گروه‌های جدول تتناوبی را بررسی کرده و توضیح می‌دهیم بارهای این عناصر در جدول تناوبی چگونه تغییر می‌کند.

گروه اول جدول تناوبی

بارهای گروه اول جدول تناوبی یا گروه فلزات قلیایی از چند فلز تشکیل شده است که همگی در آرایش الکترونی لایه ظرفیت خود، یک الکترون دارند که در زیرلایه s قرار دارد. آرایش الکترونی لایه ظرفیت این عناصر از فرمول زیر پیروی می‌کند.

ns1\text{ns}^1

در این فرمول، n شماره ردیف عنصر است. پس تنها با دانستن مکان عنصر می‌توانیم بفهمیم، کدام الکترون عنصر در صورت تشکیل یون از دست می‌رود. تمامی عناصر فلزات قلیایی با از دست دادن این تک الکترون در زیر لایه s به آرایش الکترونی عنصر گاز نجیب دوره قبل خود می‌رسند و کاتیون ۱+ تولید می‌کنند.

در تصویر زیر، نحوه تشکیل کاتیون لیتیوم مشخص شده است. این اتم با از دست دادن یک الکترون، به آرایش الکترونی اتم هلیوم می‌رسد.

دایره های سبز با دایره هایی کوچکتر با علامت منفی اطراف آن‌ها - بارهای عناصر جدول تناوبی

در این گروه تنها عنصر هیدروژن به آرایش گاز نجیب نمی‌رسد. این عنصر که تنها از یک پروتون و الکترون تشکیل شده است، با از دست دادن تک الکترون خود یون پایدار H+\text{H}^+ تولید می‌کند. این یون در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی و همچنین در تشخیص اسید و باز نقشی مهم دارد. در ادامه آرایش الکترونی بارهای عناصر گروه اول جدول تناوبی را به همراه گاز نجیبی که آرایشی مشابه یون‌های آن‌ها را دارد، مشخص شده است.

عنصریون تولید شدهآرایش الکترونی گاز نجیب
هیدروژنH+\text{H}^+---
لیتیمLi+\text{Li}^+He:1s2\text{He}: 1s^2
سدیمNa+\text{Na}^+Ne:1s22s22p6\text{Ne}: 1s^2 2s^2 2p^6
پتاسیمK+\text{K}^+Ar:1s22s22p63s23p6\text{Ar}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6
روبیدیمRb+\text{Rb}^+Kr:1s22s22p63s23p64s23d104p6\text{Kr}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6
سزیمCs+\text{Cs}^+Xe:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6\text{Xe}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 5s^2 4d^{10} 5p^6
فرانسیمFr+\text{Fr}^+Rn:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p6\text{Rn}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 5s^2 4d^{10} 5p^6 6s^2 4f^{14} 5d^{10} 6p^6

گروه دوم جدول تناوبی

گروه دوم جدول تناوبی یا گروه فلزات قلیایی خاکی از چند فلز تشکیل شده است که همگی در آرایش الکترونی لایه ظرفیت خود، دو الکترون دارند که در زیرلایه s قرار دارد. آرایش الکترونی لایه ظرفیت این عناصر از فرمول زیر پیروی می‌کند.

ns2\text{ns}^2

در این فرمول، n شماره ردیف عنصر است. تمامی عناصر فلزات قلیایی خاکی با از دست دادن این دو الکترون در زیر لایه s به آرایش الکترونی عنصر گاز نجیب دوره قبل خود می‌رسند و کاتیون ۲+ تولید می کنند. در جدول زیر، آرایش الکترونی بارهای عناصر گروه دوم جدول تناوبی را به همراه گاز نجیبی که آرایشی مشابه یون‌های آن‌ها را دارد، مشخص شده است.

عنصریون تولید شدهآرایش الکترونی گاز نجیب
برلیمBe2+\text{Be}^{2+}He:1s2\text{He}: 1s^2
منیزیمMg2+\text{Mg}^{2+}Ne:1s22s22p6\text{Ne}: 1s^2 2s^2 2p^6
کلسیمCa2+\text{Ca}^{2+}Ar:1s22s22p63s23p6\text{Ar}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6
استرانسیمSr2+\text{Sr}^{2+}Kr:1s22s22p63s23p64s23d104p6\text{Kr}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6
باریمBa2+\text{Ba}^{2+}Xe:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6\text{Xe}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 5s^2 4d^{10} 5p^6
رادیمRa2+\text{Ra}^{2+}Rn:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p6\text{Rn}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 5s^2 4d^{10} 5p^6 6s^2 4f^{14} 5d^{10} 6p^6

گروه سیزدهم جدول تناوبی

گروه سیزدهم جدول تناوبی شامل چند اتم با ۳ الکترون ظرفیت است. این اتم‌ها با دو الکترون در زیرلایه اوربیتال s و یک الکترون در زیرلایه اوربیتال p می‌توانند با ۳ اتم دیگر پیوند برقرار کنند. آرایش الکترونی لایه ظرفیت این اتم‌ها به شکل زیر است.

ns2np1ns^2np^1

به دلیل وجود این آرایش الکترونی، این اتم‌ها می‌توانند با از دست دادن ۱ یا ۳ الکترون به آرایش الکترونی پایدارتری برسند. برای مثال، اتم آلومینیوم با از دست دادن ۳ الکترون به آرایش الکترونی پایدار نئون می‌رسد. تصویر زیر این شباهت آرایش الکترونی را نشان می‌دهد.

یک جدول زرد و سبز و چند دایره و حلقه - بارهای جدول تناوبی

از بین اتم‌های این گروه از جدول تناوبی، اتم‌های بور و آلومینیوم به دلیل اینکه در آرایش الکترونی آن ها زیرلایه d وجود ندارد، راحت تر می‌توانند به آرایش الکترونی گاز نجیب برسند. از عنصر آلومینیوم به بعد، آرایش الکترونی اتم‌ها شامل زیرلایه d است و این پدیده، از دست دادن الکترون و تولید یون را برای این عناصر مشکل می‌کند.

گروه چهارده و پانزده جدول تناوبی

نافلزات گروه ۱۴ جدول تناوبی معمولا یون تشکیل نمی‌دهند. هرچند موادی مانند سرب و سلنیم می‌توانند یون مثبت تشیل دهند. به همین شکل نافلزات گروه ۱۵ نیز معمولا یون تشکیل نمی‌دهند اما اتم‌هایی مانند نیتروژن می‌توانند با جذب ۳ الکترون یون‌هایی با آرایش الگترونی گاز نجیب تشکیل دهند.

فسفر بیشتر به فرم یون سه بار مثبت و در ترکیب با اتم اکسیژن یافت می‌شود. اتم‌های کربن و سیلیسیم بیشتر ترکیبات کووالانسی تشکیل می‌دهند اما در موارد دیده شده که این اتم‌ها در ترکیباتی یون ۴ بار منفی یا ۴ بار مثبت تشکیل داده‌اند.

گروه شانزدهم جدول تناوبی

در گروه شانزده جدول تناوبی یا گروه اکسیژن، عناصری وجود دارند که در آن‌ها ۴ الکترون ظرفیت در زیرلایه p قرار دارد. فرمول عمومی آرایش الکترونی این عناصر به شکل زیر است.

(n)s2(n)p4(n)s^2 (n)p^4

عناصر موجود در این گروه که عمدتا نافلز هستند، تمایل به جذب الکترون و رسیدن به آرایش الکترونی گاز نجیب انتهایی دوره خود را دارند. هریک از این عناصر با دریافت ۲ الکترون و تولید آنیون دو بار منفی می‌تواند به آرایش گاز نجیب هم دوره‌ای خود برسد. در جدول زیر، یون‌هایی که این عناصر تشکیل می‌دهند را به همراه آرایش الکترونی گاز نجیب دوره آن‌ها مشاهده می‌کنید.

عنصریون تولید شدهآرایش گاز نجیب
اکسیژنO2\text{O}^{2-}Ne:1s22s22p6\text{Ne}: 1s^2 2s^2 2p^6
گوگردS2\text{S}^{2-}Ar:1s22s22p63s23p6\text{Ar}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6
سلنیمSe2\text{Se}^{2-}Kr:1s22s22p63s23p64s23d104p6\text{Kr}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6
تلوریمTe2\text{Te}^{2-}Xe:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6\text{Xe}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 5s^2 4d^{10} 5p^6
پولونیمPo2\text{Po}^{2-}Rn:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p6\text{Rn}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 5s^2 4d^{10} 5p^6 6s^2 4f^{14} 5d^{10} 6p^6

 گروه هفدهم جدول تناوبی

گروه هدهم جدول تناوبی عناصر یا گروه‌ هالوژن‌ها شامل نافلزهایی است که در لایه ظرفیت الکترونی خود دارای ۷ الکترون هستند. این اتم‌ها می‌توانند با دریافت یک الکترون به آرایش الکترونی گاز نجیب برسند. به همین علت، این اتم‌ها همگی آنیون یک بار منفی تولید می‌کنند. این اتم‌ها به شدت واکنش‌پذیر هستند. هالوژن‌ها که یون یک بار منفی تولید می‌کنند می‌توانن با کاتیون‌های تولید شده توسط فلزات قلیایی و قلیایی خاکی نمک هالید تولید کنند. آرایش الکترونی لایه آخر این اتم‌ها به شکل زیر است.

ns2np5ns^2np^5

در جدول زیر یون‌های تولید شده توسط هالوژن‌ها و آرایش الکترونی این یون‌ها (آرایش الکترونی گاز نجیب هم ردیف آن‌ها) را مشاهده می‌کنید.

عنصریون تولید شدهآرایش الکترونی گاز نجیب
فلوئورF\text{F}^-Ne:1s22s22p6\text{Ne}: 1s^2 2s^2 2p^6
کلرCl\text{Cl}^-Ar:1s22s22p63s23p6\text{Ar}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6
برمBr\text{Br}^-Kr:1s22s22p63s23p64s23d104p6\text{Kr}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6
یدI\text{I}^-Xe:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6\text{Xe}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 5s^2 4d^{10} 5p^6

گروه هجدهم جدول تناوبی

عناصر گروه هجدهم جدول تناوبی با نام گروه گازهای نجیب شناخته می‌شود. این عناصر بسیار پایدار هستند و یون تشکیل نمی‌دهند. این پدیده به این علت است که این عناصر لایه ظرفیتی پر دارند که در آن تمامی لایه‌ها و زیرلایه‌های لایه آخر الکترونی اتم‌ها با الکترون پر شده‌اند. قاعده اکتت بیان می‌کند که صرف نظر از اینکه لایه الکترونی چند الکترون می‌تواند بپذیرد،‌ لایه ظرفیت اتم تنها ۸ الکترون خواهد داشت. گاز های نجیب ۸ الکترون در لایه ظرفیت خود دارند. سایر اتم‌ها الکترون می‌گیرند یا از دست می‌دهند تا تا بتواند به ۸ الکترون لایه ظرفیت رسیده و پایدار شوند.

برای مثال، اتم اکسیژن با دریافت ۲ الکترون به آرایش الکترونی هشتایی رسیده و پایدار می‌شود. به همین شکل اتم سدیم با از دست دادن یک الکترون به آرایش هشتایی رسیده و پایدار می‌شود. در جدول زیر می‌توانید آرایش الکترونی گاز‌های نجیب را مشاهده کنید. لایه الکترونی آخر این اتم‌ها شامل یک اوربیتال s و سه اوربیتال p است و جمعا ۸ الکترون ظرفیت دارند.

اتمآرایش الکترونی
هلیمHe: 1s2\text{He: } 1s^2
نئونNe: 1s22s22p6\text{Ne: } 1s^2 2s^2 2p^6
آرگونAr: 1s22s22p63s23p6\text{Ar: } 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6
کریپتونKr: 1s22s22p63s23p64s23d104p6\text{Kr: } 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6
زنونXe: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6\text{Xe: } 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 5s^2 4d^{10} 5p^6
رادونRn: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p6\text{Rn: } 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 5s^2 4d^{10} 5p^6 6s^2 4f^{14} 5d^{10} 6p^6

شناخت ویژگی‌های عناصر گروه گاز‌های نجیب جدول تناوبی در درک آرایش الکترونی و رفتار سایر اتم‌های جدول تناوبی بسیار حائز اهمیت است. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این گروه و ویژگی‌های آن، مطلب گاز نجیب مجله فرادرس که لینک آن در ادامه آمده است را مطالعه کنید.

فلزات واسطه جدول تناوبی

فلزات واسطه گروهی جالب و چالش بر انگیز در جدول تناوبی هستند. تعیین بارهای این عناصر جدول تناوبی راحت نیست زیرا بسیاری از این عناصر از قوانین آرایش الکترونی پیروی نمی‌کنند. این فلزات به قطعه d جدول تناوبی تعلق دارند. این فلزات نمی‌توانند به راحتی با از دست دادن الکترون به آرایش الکترونی گاز نجیب برسند. همچنین، بسیاری از فلزات واسطه می‌توانند بیش از یک یون و با بار‌های متفاوت داشته باشند. بای مثال، فلز آهن می‌تواند دو یون ۲+ و ۳+ تشکیل دهد. آرایش الکترونی این یون‌ها به شکل زیر است.

FeFe2++2e[Ar]3d64s2[Ar]3d6\begin{array}{lcl}{Fe} & \rightarrow &{Fe^{2+}} + 2 {e^-} \\ \left[{Ar} \right] \: 3d^6 \: 4s^2 & & \left[{Ar} \right] \: 3d^6 \end{array}\nonumber

FeFe3++3e[Ar]3d64s2[Ar]3d5\begin{array}{lcl}{Fe} & \rightarrow & {Fe^{3+}} + 3{e^-} \\ \left[{Ar} \right] \: 3d^6 \: 4s^2 & & \left[{Ar} \right] \: 3d^5 \end{array}\nonumber

بدین ترتیب این یون با از دست دادن دو یا سه الکترون می‌تواند به دو حالت پایدار برسد.

بارهای عناصر فلزات واسطه جدول تناوبی، می‌توانند نسبت به آرایش الکترونی‌شان بار‌های متفاوتی داشته باشند اما تمامی این بار‌ها صرف نظر از مقدارشان، مثبت خواهند بود. برای بسیاری از فلزات واسطه، بار تولید شده به وسیله یک عدد یونانی جلوی علامت شیمیایی عنصر قرار می‌گیرد. برای مثال، به جدول زیر توجه کنید.

یون فلزیعلامت
نقره (I)Ag+Ag^{+}
مس (II)Cu2+Cu^{2+}
سرب (II)Pb2+Pb^{2+}
آهن (II)Fe2+Fe^{2+}
آهن (III)Fe3+Fe^{3+}

مقدار باری که یون فلزات واسطه می‌تواند تولید کند، به آرایش الکترونی آن بستگی دارد. در فلزات واسطه، اوربیتال d در حال پر شدن است. این اوربیتال که ظرفیت پذیرش ۱۰ الکترون در ۵ زیرلایه را دارد، در حالات d5d^{5} (نیمه‌پر) و d10d^{10} (پر)، پایدارترین حالات خود را دارد. بنابراین، فلزات واسطه با از دست دادن الکترون و رسیدن به این آرایش‌ها می‌توانند به حالتی پایدار برسند. برای این اوربیتال و آرایش الکترونی آن چند حالت می‌تواند پیش بیاید که در ادامه توضیح داده خواهند شد.

در ردیف چهارم جدول تناوبی شامل فلزات واسطه، بنابر اصل آفبا، الکترون‌ها زیرلایه 4s را قبل از زیرلایه 3d پر می‌کنند. هرچند، الکترون‌های خارجی زیرلایه s در فرآیند تولید یون این فلزات ابتدا از اتم جدا می‌شوند. به دلیل اینکه بیشتر فلزات واسطه دو الکترون در اوربیتال s خود دارند، یون با بار ۲+ یک یون رایج بین فلزات واسطه است.

برخی از فلزات واسطه با تعداد الکترون‌های کم در زیرلایه d ممکن است بتوانند با از دست دادن الکترون به آرایش الکترونی گاز نجیب برسند. برای مثال، اتم اسکاندیم با ۱ الکترون در اوربیتال d و دو الکترون در اوربیتال s از این دسته عناصر است. این اتم با از دست دادن ۳ الکترون خود می‌تواند به آرایش الکترونی آرگون برسد.

ScSc3++3e[Ar]3d14s2[Ar]\begin{array}{lcl} {Sc} & \rightarrow & {Sc^{3+}} + 3 {e^-} \\ \left[ {Ar} \right] \: 3d^1 \: 4s^2 & & \left[ {Ar} \right] \end{array}\nonumber

برخی دیگر از فلزات واسطه با تشکیل یون و رسیدن به آرایش الکترونی لایه d پر یا نیمه‌پر یون تشکیل می‌دهند. برای مثال اتم‌های روی و مس با از دست دادن ۲ و ۱ الکترون، به آرایش پایدار زیر می‌رسند.

ZnZn2++2e[Ar]3d104s2[Ar]3d10\begin{array}{lcl} Zn & \rightarrow & Zn^{2+} + 2 e^- \\ \left[ Ar \right] \: 3d^{10} \: 4s^2 & & \left[ Ar \right] \: 3d^{10} \end{array}

CuCu++e[Ar]3d104s1[Ar]3d10\begin{array}{lcl} Cu & \rightarrow & Cu^+ + e^- \\ \left[ Ar \right] \: 3d^{10} \: 4s^1 & & \left[ Ar \right] \: 3d^{10} \end{array}

در جدول زیر، بارهای رایج عناصر فلزات واسطه جدول تناوبی ارائه شده است.

مقدار باریون‌ها
۱+Cu+,Au+,Hg+,Ag+Cu^+, Au^+, Hg^+, Ag^+
۲+Cd2+,Cr2+,Co2+,Cu2+,Fe2+,Pb2+,Mn2+,Hg2+,Ni2+,Pt2+,Sn2+,Zn2+Cd^{2+}, Cr^{2+}, Co^{2+}, Cu^{2+}, Fe^{2+}, Pb^{2+}, Mn^{2+}, Hg^{2+}, Ni^{2+}, Pt^{2+}, Sn^{2+}, Zn^{2+}
۳+Cr3+,Co3+,Au3+,Fe3+Cr^{3+}, Co^{3+}, Au^{3+}, Fe^{3+}
۴+Pb4+,Sn4+Pb^{4+}, Sn^{4+}

سایر عناصر جدول تناوبی

اتم هیدروژن می‌تواند هم آنیون تشکیل دهد و هم کاتیون تشکیل دهد. فرم رایج‌تر بار اتم هیدروژن بار ۱+ است. این عنصر می‌تواند بار ۱- را نیز داشته باشد. برای مثال در ترکیب ZnH2ZnH_{2} بار هیدروژن برابر ۱- است.

تشخیص بار اتم‌ها از روی جدول تناوبی

با استفاده از اطلاعاتی که در قسمت‌های قبل آموختیم، حال به راحتی می‌توانیم با یافتن مکان یک عنصر در جدول تناوبی، میزان و علامت بار یون آن را حدس بزنیم. نکاتی را که تا به اینجا آموختیم در ادامه خلاصه کرده ایم.

  • فلزات یون مثبت و نافلزات یون منفی تولید می‌کنند.
  • فلزات گروه اول و دوم جدول تناوبی به ترتیب یون ۱+ و ۲+ تولید می‌کنند.
  • نافلزات گروه‌های ۱۳ و ۱۶ و ۱۷ جدول تناوبی به ترتیب یون‌های ۳+ و ۲- و ۱- تولید می‌کنند.
  • فلزات واسطه با توجه به آرایش الکترونی لایه ظرفیتشان می‌توانند یون‌های مثبت متفاوتی تولید کنند.
  • گاز‌های نجیب (بجز زنون در ترکیباتی خاص) یون تولید نمی‌کنند.

در ادامه برای درک بهتر این قوانین و روش استفاده از آرایش الکترونی عناصر، به مثال‌های زیر دقت کنید.

مثال ۱

یونی در برخی از ترکیبات یافت شده است که شامل ۱۳ پروتون و ۱۰ الکترون است. علامت این یون چیست؟

پاسخ

با توجه به اینکه در هر عنصر خنثی تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها برابر ایت، می‌توانیم بفهمیم که تعداد پروتون ۱۳ برابر با عدد اتمی ۱۳ است. عنصری که عدد اتمی برابر ۱۳ داشته باشد، عنصر آلومینیوم است. با توجه به اینکه این عنصر ۳ الکترون از دست داده است، می‌توان گفت که این یون کاتیون ۳ بار مثبت آلومینیوم با علامت Al3+Al^{3+} است.

مثال ۲

علامت یونی با ۳۴ عدد پروتون و ۳۶ الکترون چیست؟

پاسخ

مانند سوال قبل، عنصری با عدد اتمی ۳۴ را از روی جدول تناوبی پیدا می‌کنیم. این عنصر باید در گروه ۱۶ و پس از گاز نجیب آرگون با عدد اتمی ۱۸ باشد. یعنی ردیف چهارم جدول تناوبی. این اطلاعات نشان‌دهنده عنصر سلنیوم است. با توجه به اینکه این یون دو الکترون بیشتر از تعداد پروتون‌ها دارد به این معنی است که یون تولید شده، یک آنیون ۲ بار منفی است. پس اطلاعات داده شده نشان‌دهنده یون سلنیوم ۲ بار منفی با علامت Se2Se^{2-} است.

آرایش الکترونی عناصر

آرایش الکترونی عناصر شیوه نمایش قرار گرفتن الکترون‌های عناصر در اوربیتال های آن‌ها طبق اصل آفبا است. اتم‌ها تمایل دارند به آرایش الکترونی گاز‌های نجیب برسند زیرا آرایش الکترونی گاز‌های نجیب پایدار‌ترین حالت آرایش الکترونی است. برای اتم‌هایی که برای آن‌ها ممکن است و تنها دو یا سه الکترون با آرایش الکترونی گاز‌های نجیب تفاوت دارد، با از دست دادن یا دریافت الکترون می‌توانند به این آرایش برسند. آرایش الکترونی گاز نجیب به شکل «ns2np6ns^2np^6» است. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس، نحوه نوشتن آرایش الکترونی عناصر را می‌آموزیم.

نحوه نوشتن آرایش الکترونی عناصر

هر الکترون در اتم‌ها با مجموعه ای از اعداد کوانتومی مشخص می‌شود. این اعداد، عدد کوانتومی اصلی و فرعی، عدد کوانتومی مغناطیسی و عدد کوانتومی اسپین مغناطیسی هستند. در نوشتن آرایش الکترونی، از اعداد کوانتومی اصی و فرعی استفاده می‌شود. عدد کوانتومی اصلی نشان دهنده لایه الکترونی است که الکترون در آن وجود دارد و اعدادی از ۱ تا ۷ دارد و با حرف انگلیسی (n) نمایش داده می‌شود. عدد کوانتومی فرعی، شکل اوربیتال الکترونی الکترون را مشخص می‌کند و می‌تواند مقادیری از ۰ تا ۶ داشته باشد. عدد کوانتومی فرعی با حرف (l) نمایش داده می‌شود.

عدد کوانتومی فرعی صفر نشان دهنده اوربیتال (s)، عدد کوانتومی فرعی یک، نشان‌دهنده اوربیتال (p)، عدد کوانتومی فرعی دو نشان‌دهنده اوربیتال (d) و عدد کوانتومی سه نشان دهنده اوربیتال (f) است. این ۴ اوربیتال که شکل‌های مشخصی دارند، به ترتیب ۲، ۶، ۱۰ و ۱۴ الکترون می‌پذیرند. تصویر زیر نشان دهنده اسم و شکل اوربیتال‌های مختلف است.

اشکال سه بعدی رنگی در محور‌های مختصات
شکل اوربیتال‌ها (برای مشاهده تصویر در اندازه بزرگ‌تر روی آن کلیک کنید.)

اصل آفبا

اصل آفبا اصلی است که نشان می‌دهد که الکترون‌ها با چه ترتیبی اوربیتال های الکترونی را پر می‌کنند. در واقع این اصل بیان می‌کند که الکترون‌ها تمایل دارند ابتدا در اوربیتال‌های الکترونی با انرژی کمتر قرار بگیرند. طبق این اصل، ترتیب قرار‌گیری الکترون‌ها در اوربیتال‌ها به شکل زیر است.

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s21s^2 \, 2s^2 \, 2p^6 \, 3s^2 \, 3p^6 \, 4s^2 \, 3d^{10} \, 4p^6 \, 5s^2 \, 4d^{10} \, 5p^6 \, 6s^2

بدین ترتیب الکترون‌ها این لایه های الکترونی را پر می‌کنند. در نهایت با داشتن عدد اتمی عنصر که نشان دهنده تعداد الکترون‌های اتم است می‌توانیم آرایش الکترونی اتم را بنویسیم. سپس این آرایش الکترونی در یافتن محل قرارگیری عنصر در جدول تناوبی و یافتن بارهای عناصر جدول تناوبی به ما کمک می‌کند.

نحوه شمارش الکترون ظرفیت عناصر

الکترون ظرفیت به دورترین و پر انرژی‌ترین الکترون‌های موجود در اتم گفته می‌شود. این الکترون‌ها مشخص می‌کنند که اتم در واکنش‌های مختلف چگونه رفتار می‌کند و چه بار‌هایی را تشکیل می‌دهد و با چه اتم‌هایی پیوند برقرار می‌کند. در قسمت قبل آموختیم که عدد کوانتومی اصلی n نشان دهنده لایه الکترونی است که الکترون در آن قرار دارد. پس بزرگ‌ترین عدد کوانتومی اصلی موجود در آرایش الکترونی اتم نشان‌دهنده لایه آخر الکترونی و لایه ظرفیت اتم است. برای مثال به آرایش الکترونی اتم کلسیم دقت کنید.

1s22s22p63s23p64s21s^2 \, 2s^2 \, 2p^6 \, 3s^2 \, 3p^6 \, 4s^2

بزرگ‌ترین عدد کوانتومی اصلی در این آرایش الکترونی عدد ۴ است که شامل ۲ الکترون در اوربیتال s است. در قسمت‌های بعدی می‌آموزیم که چگونه می‌توان با دانستن تعداد الکترون‌های ظرفیت یک عنصر، بارهایی که تشکیل می‌دهد را بیایم.

یافتن بارهای عناصر جدول تناوبی با تعداد الکترون لایه ظرفیت

اتم‌های مختلف در حالتی که لایه‌های الکترونی آن‌ها پر نشده‌ است، ناپایدار هستند. پایدارترین حالت الکترونی برای تمامی اتم‌ها حالتی است که در آن اتم‌ها به آرایش الکترونی گاز نجیب یا قاعده اکتت برسند. الکترون‌های لایه ظرفیت گاز نجیب ۸ عدد هستند که زیرلایه‌های s و p را پر می‌کنند. در قسمت‌های قبلی گفتیم که اتم‌ها در جدول تناوبی بر اساس افزایش عدد اتمی قرار گرفته اند و تعداد الکترون‌های لایه ظرفیت عناصر هرگروه باهم برابر است. به همین ترتیب، می‌توان بارهای جدول تناوبی را به ترتیب زیر یافت.

شماره گروه عناصرتعداد الکترون ظرفیتبار یون تولید شده توسط عناصر
۱۱۱+
۲۲۲+
۱۳۳۳+
۱۴۴۴+ یا ۴-
۱۵۵۳-
۱۶۶۲-
۱۷۷۱-
۱۸۸یون تولید نمی‌کند.

عناصر فلزات واسطه در این دسته‌بندی قرار نگرفته اند. این پدیده به این علت است که این عناصر دارای زیرلایه d هستند و رسیدن به آرایش گاز نجیب برای بیشتر این عناصر ممکن نیست. همچنین، برخی از اتم‌های فلزات واسطه در آرایش الکترونی از اصل آفبا پیروی نمی‌کنند به همین علت حدس بارهای این عناصر جدول تناوبی یا عدد اکسایش آن‌ها تنها با توجه به شماره گروه آن‌ها ممکن نیست. یک علت دیگر این است که آرایش‌های الکترونی شامل اوربیتال d پر یا نیمه‌پر هم نسبتا پایدار است و این عناصر بسته به آرایش الکترونی که دارند می‌توانند اعداد اکسایش یا یون‌ها با بارهای متفاوتی را ایجاد کنند. برای مثال، بررسی کردیم که عنصر آهن می‌تواند یون‌‌های ۲ یا ۳ بار مثبت داشته باشد.

یادگیری دروس شیمی با فرادرس

با یادگیری جدول تناوبی و ویژگی‌های آن مانند بار یون‌هایی که تشکیل می‌دهند، می‌توانید با مباحث پیشرفته‌تر در مقطع دانشگاهی آشنا شوید. برای مثال، شناخت ایزوتوپ‌ها، انرژی یونش، تابش الکترومغناطیسی، پیوند فلزی، اوربیتال‌های مولکولی و ... بر پایه شناخت جدول تناوبی و ویژگی‌های آن بنا شده است. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری این مباحث و مفاهیم به مجموعه فیلم آموزش دروس شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی فرادرس مراجعه کنید که با زبانی ساده و کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

مجموعه فیلم آموزش دروس شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی
برای تماشای مجموعه فیلم آموزش دروس شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی، روی عکس کلیک کنید.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه شیمی دسترسی داشته باشید.

اهمیت بارهای جدول تناوبی

یکی از مهم‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده هر اتم که مشخص کننده رفتار اتم در ترکیبات و واکنش‌های مختلف است، الکترون است. با مطالعه و دقت در انتقال الکترون‌ها، می‌توان بسیاری از خواص عنصر را درک کرد و رفتار احتمالی آن را در شرایط مختلف پیش‌بینی کرد. یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های ذرات و عناصر باردار در سیستم بیولوژیکی بدن انسان است. مایعات بدن انسان شامل الکترولیت‌هایی است که در آن‌ها ذرات و عناصر باردارد شناورند. این یون‌های موجود در الکترولیت‌ها، امکان انتقال سیگنال‌های الکتریکی را در سرتاسر بدن مهیا می‌کنند. الکترولیت‌ها نقشی مهم واساسی در بدن دارند. این محلول‌ها به وسیله یون‌ها وظیفه تنظیم فشار اسموتیک در سلول و حفظ عملکرد صحیح عضلات و سلول‌های عصبی را دارند.

در بسیاری از واکنش‌های شیمی نیز، انتقال ذرات باردار اهمیت دارد. تشکیل یون‌های مختلف موجب تولید بسیاری از ترکیبات یونی می‌شوند که در تمامی صنایع کاربرد دارند. همچنین، بررسی برخی از یون‌ها و غلظت آن‌ها در مواد مختلف نشان دهنده اسیدی یا بازی بودن مواد است که بررسی آن‌ها نیز خود به شناخت مواد مختلف و بررسی رفتار آن‌ها در واکنش‌های مختلف کمک می‌کند.

بر اساس رای ۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
libretextsnemoquizlibretextschemistrytalklibretextstechnologynetworksalloprofpocarisweat
دانلود PDF مقاله
نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *