روندهای تناوبی در جدول تناوبی — از صفر تا صد

۲۹۶ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۱۰ تیر ۱۳۹۹
زمان مطالعه: ۸ دقیقه
روندهای تناوبی در جدول تناوبی — از صفر تا صد

روندهای تناوبی، الگوهای ویژه‌ای در جدول تناوبی هستند که به کمک آن‌ها می‌توان جنبه‌های مختلفی از یک عنصر همچون اندازه و خواص الکترونی را مورد بررسی قرار داد. در آموزش‌های قبلی «مجله فرادرس»، مطالبی در خصوص گروه‌های جدول تناوبی و روش‌های حفظ کردن جدول تناوبی بیان شد. در این آموزش قصد داریم روندهای تناوبی موجود را در جدول تناوبی عناصر بررسی کنیم. اصلی‌ترین روندهای تناوبی عبارتند از: الکترونگاتیوی، انرژی یونش، الکترون‌خواهی، شعاع اتمی، نقطه ذوب و خاصیت فلزی. در حقیقت، بررسی روندهای تناوبی ابزاری را در اختیار یک شیمیدان قرار می‌دهد تا از طریق آن، پیش‌بینی خواص عناصر، با سرعت بیشتری انجام شود. روندهای تناوبی به این دلیل وجود دارند که ساختارهای اتمی مشابهی در عناصر با گروه‌ها و تناوب‌های یکسان دیده می‌شود که حاصل طبیعت تناوبی عناصر است. در ادامه به بررسی این روندهای تناوبی می‌پردازیم.

روند الکترونگاتیوی

الکترونگاتیوی را می‌توان به صورت یک خاصیت شیمیایی در توصیف توانایی اتم برای جذب الکترون‌ها بیان کرد. به طور معمول، از روش «پاولینگ» (Pauling) برای بررسی مقدار الکترونگاتیوی عناصر استفاده می‌کنند. مقادیر الکترونگاتیوی که از این طریق به عناصر اختصاص می‌یابند، بدون بعد هستند. این امر، نشان‌دهنده طبیعت کیفی مقیاس الکترونگاتیوی است. در جدول زیر، الکترونگاتیوی عناصر را مشاهده می‌کنید.

الکترونگاتیوی عناصر. (برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید.)

الکترونگاتیوی، تمایل اتم برای جذب الکترون و تشکیل پیوند را نشان می‌دهد. این خاصیت، به دلیل آرایش الکترونی اتم‌ها بوجود می‌آید. بیشتر اتم‌ها برای رسیدن به پایداری، از قاعده اکتت پیروی می‌کنند. از آن‌جایی که لایه ظرفیت عنصرهای سمت چپ جدول تناوبی، کمتر از نصف پر شده، انرژی مورد نیاز برای دریافت الکترون، به طور مشخصی بیشتر از انرژی مورد نیاز برای از دست دادن الکترون است. در نتیجه، به طور کلی، عناصر سمت چپ جدول تناوبی به هنگام تشکیل پیوند، الکترون از دست می‌دهند. به طور عکس، عناصر سمت راست جدول تناوبی، تمایل بیشتری برای دریافت الکترون و تکمیل لایه ظرفیت خود دارند. روندهای تناوبی الکترونگاتیوی را به صورت زیر می‌توان بیان کرد:

  • از چپ به راست در جدول تناوبی، الکترونگاتیوی افزایش پیدا می‌کند. اگر لایه ظرفیت یک اتم، کمتر از نصف پر شده باشد، انرژی کمتری برای از دست دادن الکترون و رسیدن به پایداری نیاز دارد. به عکس، اگر لایه ظرفیت، بیش از نصف پر شده باشد، دریافت الکترون، ساده‌تر خواهد بود.
  • در هر گروه، از بالا به پایین،‌ الکترونگاتیوی کاهش پیدا می‌کند. این امر به دلیل افزایش عدد اتمی در هر گروه از بالا به پایین و در نتیجه، افزایش فاصله بین الکترون‌های ظرفیت و هسته و همچنین، افزایش شعاع اتمی اتفاق می‌افتد.

موارد استثنا که از این روند تبعیت نمی‌کنند، گازهای نجیب، لانتانیدها و اکتینیدها هستند. لایه ظرفیت گازهای نجیب، به طور کامل پرشده است و به همین دلیل، تمایلی به جذب الکترون ندارند. لانتانیدها و اکتینیدها، خواص شیمیایی پیچیده‌ای دارند و به همین دلیل از روند خاصی پیروی نمی‌کنند. از اینرو، برای گازهای نجیب، لانتانیدها و اکتینیدها، عددی در خصوص الکترونگاتیوی ذکر نمی‌شود.

در خصوص فلزات واسطه باید گفت که این عناصر، انحراف‌هایی از روند اصلی در هر تناوب و گروه از خود نشان می‌دهند که این انحرافات نیز به دلیل خواص فلزی است که بر جذب الکترون‌ها تاثیر می‌گذارد. با توجه به دو روند اصلی که در خصوص الکترونگاتیوی وجود دارد،‌ می‌توان نتیجه گرفت که عنصر فلوئور، بالاترین الکترونگاتیوی را در میان عناصر جدول دارد.

روندهای تناوبی

روند انرژی یونش

انرژی یونش، به انرژی مورد نیاز برای جداکردن یک الکترون از اتم خنثی در فاز گاز می‌گویند. از لحاظ مفهومی، انرژی یونش، مفهوم مقابل الکترونگاتیوی به شمار می‌آید. هر قدر این انرژی کمتر باشد، اتم راحت‌تر به کاتیون تبدیل می‌شود. به طور کلی، عناصر سمت راست جدول تناوبی، انرژی یونش بیشتری دارند چراکه لایه ظرفیت آن‌ها تقریبا پر شده است. عناصر سمت چپ جدول تناوبی، انرژی یونش کمی دارند زیرا تمایل آن‌ها برای از دست دادن الکترون و تبدیل شدن به کاتیون، بیشتر است. در نمودار زیر، انرژی یونش از هیدروژن تا آرگون را بر اساس عدد اتمی ملاحظه می‌کنید.

روندهای تناوبی

اثر پوششی الکترونها

عامل دیگری که بر انرژی یونش تاثیر می‌گذارد موسوم به «اثر پوششی الکترون‌ها» (Electron Shielding) است. این اثر به توصیف توانایی الکترون‌های لایه‌های داخلی برای پوشش تاثیر هسته مثبت در مقابل الکترون‌های ظرفیت می‌پردازد. در هر تناوب از چپ به راست، تعداد الکترون‌ها و به دنبال آن، اثر پوششی افزایش پیدا می‌کنند. در نتیجه افزایش این اثر، الکترون‌ها ساده‌تر یونیزه می‌شوند. بنابراین، انرژی یونش در هر گروه از بالا به پایین کاهش می‌یابد. روندهای تناوبی در انرژی یونش به طور خلاصه در زیر آورده شده‌اند.

  • در هر تناوب از چپ به راست، انرژی یونش به طور کلی افزایش پیدا می‌کند.
  • در هر گروه از بالا به پایین، انرژی یونش کاهش می‌یابد.
  • گازهای نجیب، به دلیل لایه ظرفیت پر شده، انرژی یونش بسیار بالایی دارند. در این میان، هلیوم بیشترین انرژی یونش را در میان تمامی عناصر داراست.

انرژی یونش اول، دوم و ...

برخی از عناصر، چندین انرژی یونش دارند که با نام‌های انرژی یونش اول، دوم و ... شناخته می‌شوند. انرژی یونش اول عبارتست از انرژی مورد نیاز برای حذف الکترون خارجی‌ترین لایه و به همین ترتیب، انرژی دوم، شامل حذف الکترون از کاتیون گازی است. برای درک بهتر این تعریف، واکنش‌های شیمیایی زیر در خصوص انرژی یونش اول و دوم آورده شده‌اند:

انرژی یونش اول: $$X _ { ( g ) } \rightarrow X ^ + _ { ( g ) } + e ^ -$$

انرژی یونش دوم: $$X ^ + _ { ( g ) } \rightarrow X ^ { 2 + } _ { ( g ) } + e ^ -$$

روندهای تناوبی در انرژی‌های یونش دوم، سوم و ... نیز از همان روند انرژی یونش اول پیروی می‌کنند.

روندهای تناوبی

با افزایش شعاع اتمی، انرژی یونش کاهش پیدا می‌کند. این تاثیر، به طور عکس با عدد کوانتومی $$n$$ و به طور مستقیم با عدد اتمی $$Z _ {eff}$$ مرتبط است.

  • در هر تناوب از چپ به راست، $$Z _ {eff}$$ افزایش پیدا می‌کند اما عدد کوانتومی ثابت است، در نتیجه، انرژی یونش افزایش پیدا می‌کند.
  • در هر گروه از بالا به پایین، عدد کوانتومی با شدت بیشتری نسبت به عدد اتمی افزایش پیدا می‌کند و در نتیجه، انرژی یونش کاهش پیدا می‌کند.

روند الکترون خواهی

همانطور که از نام آن پیداست، الکترون‌خواهی به توانایی یک اتم برای پذیرش یک الکترون می‌گویند. برخلاف الکترونگاتیوی، الکترون‌خواهی، خاصیتی «کمی» (Quantitative) و بیانگر تغییر انرژی به هنگام اضافه کردن یک الکترون به اتم گازی خنثی است. هرقدر مقدار الکترون‌خواهی منفی باشد،‌ تمایل یک اتم به جذب الکترون بیشتر خواهد بود.

روندهای تناوبی

به طور کلی، الکترون‌خواهی در هر گروه از بالا به پایین کاهش پیدا می‌کند زیرا اندازه هر اتم، از اتم بالاتر از خود، بزرگتر است که یعنی هر الکترونی که اضافه شود، نسبت به اتم کوچکتر، در فاصله دورتری از هسته اتم قرار دارد. این افزایش فاصله بین هسته مثبت و الکترون منفی، قدرت جاذبه را کاهش می‌دهد و سبب کاهش الکترون‌خواهی می‌شود. در هر تناوب از چپ به راست، اندازه اتم‌ها کوچکتر می‌شود و بنابراین، نیروهای جاذبه افزایش پیدا می‌کنند. در نتیجه این امر، الکترون‌ها به هسته نزدیک‌تر و سبب افزایش الکترون‌خواهی می‌شوند. روندهای تناوبی برای الکترون‌خواهی، به صورت خلاصه در زیر آورده شده است:

  • در هر تناوب از چپ به راست،‌ الکترون‌خواهی افزایش پیدا می‌کند.
  • در هر گروه از بالا به پایین، الکترون‌خواهی کاهش پیدا می‌کند.

روند شعاع اتمی

شعاع اتمی، نیمی از فاصله بین هسته دو اتم ذکر می‌شود. البته این تعریف قدری پیچیده است چراکه همه اتم‌ها به یک شکل با یکدیگر پیوند تشکیل نمی‌دهند و پیوندهای کووالانسی، یونی و فلزی گواه این ادعا هستند. گرچه این احتمال وجود دارد که بیشتر اتم‌ها، پیوندهایی کووالانسی با یکدیگر تشکیل دهند. شعاع کووالانسی این مولکول‌ها را به طور معمول به عنوان شعاع اتمی در نظر می‌گیرند. این فاصله را با واحد پیکومتر اندازه‌گیری می‌کنند.

در هر تناوب از چپ به راست، شعاع اتمی کاهش پیدا می‌کند زیرا در هر تناوب، تمامی الکترون‌ها به یک لایه اضافه می‌شوند. به طور همزمان نیز به هسته، پروتون اضافه خواهد شد. در نتیجه این اتفاق، اثر جاذبه هسته افزایش پیدا می‌کند. این امر به این معنی است که هسته با شدت بیشتری الکترون‌ها را به سمت خود جذب می‌کند و در نهایت، لایه‌های الکترونی به هسته نزدیک‌تر می‌شوند. با نزدیکی لایه‌های الکترونی به هسته، الکترون‌های لایه ظرفیت نیز به هسته نزدیک خواهند شد و شعاع اتمی کاهش پیدا می‌کند.

روندهای تناوبی

در هر گروه از بالا به پایین، شعاع اتمی افزایش می‌یابد. با توجه به افزایش عدد کوانتومی،‌ الکترون‌های ظرفیت، سطوح بالاتری را اختیار می‌کنند. در نتیجه، با افزایش عدد n، فاصله الکترون‌ها از هسته بیشتر خواهد شد. اثر پوششی مانع از جذب این الکترون‌ها به هسته خواهد شد که این امر سبب می‌شود تا با قدرت کمتری الکترون‌ها در کنار هسته قرار بگیرند و حاصل این کار، افزایش شعاع اتمی خواهد بود. خلاصه روندهای تناوبی در خصوص شعاع اتمی، در زیر آورده شده است:

  • در هر تناوب از چپ به راست، شعاع اتمی کاهش پیدا می‌کند.
  • در هر گروه از بالا به پایین، شعاع اتمی افزایش می‌یابد.

روند نقطه ذوب

همانطور که می‌دانید، نقطه ذوب عبارتست از انرژی مورد نیاز برای شکست پیوندها و تغییر فاز یک جامد به مایع. به طور کلی، هرقدر پیوندهای بین اتم‌های یک عنصر، قوی‌تر باشند، انرژی بیشتری برای شکستن پیوندها مورد نیاز است. با توجه به این‌که دما به طور مستقیم با انرژی در ارتباط است، هرقدر انرژی تفکیک پیوند بالاتر باشد، دمای متناظر با آن نیز بیشتر خواهد بود. لازم به ذکر است که نقطه ذوب از یک روند مشخصی پیروی نمی‌کند اما نتایج مشخصی را می‌توان به کمک تصویر زیر برای آن بیان کرد:

  • فلزات به طور کلی نقطه ذوب بالایی دارند.
  • بیشتر نافلزات، دارای نقطه ذوب پایینی هستند.
  • نافلز کربن، بالاترین نقطه ذوب را در میان تمامی عناصر دارد. همچنین،‌ شبه فلز بور را نیز باید در میان عناصر با نقطه ذوب بالا قرار داد.

روندهای تناوبی

روند خاصیت فلزی

خاصیت فلزی یک عنصر را می‌توان با سختیِ از دست دادن یک الکترون در اتم مرتبط کرد. در هر تناوب از راست به چپ، خاصیت فلزی کاهش پیدا می‌کند زیرا جاذبه بین الکترون‌های ظرفیت و هسته افزایش می‌یابند و به این ترتیب، اتم، دشوارتر الکترون از دست می‌دهد. در هر گروه از بالا به پایین هم به دلیل افزایش اندازه اتم، خاصیت فلزی افزایش پیدا می‌کند. زمانی که اندازه اتم افزایش پیدا کند، فاصله لایه خارجی از هسته، بیشتر می‌شود. در این شرایط، عدد کوانتومی افزایش می‌یابد و تمرکز چگالی متوسط الکترونی از روی هسته برداشته خواهد شد. در نتیجه،‌ الکترون‌های لایه ظرفیت، جاذبه کمتری را نسبت به هسته احساس می‌کنند و اتم‌ها خیلی ساده‌تر الکترون از دست می‌دهند که همین امر موجب افزایش خاصیت فلزی خواهد شد. خلاصه روندهای تناوبی در زیر آورده شده است:

  • در هر تناوب از چپ به راست، خاصیت فلزی کاهش پیدا می‌کند.
  • در هر گروه از بالا به پایین، خاصیت فلزی افزایش می‌یابد.
  • توانایی از دست دادن الکترون به خاصیت فلزی و توانایی دریافت الکترون به خاصیت نافلزی مرتبط است.

راه دیگری که می‌توان این نوع از روندهای تناوبی را به خاطر سپرد این است که با حرکت قطری در جدول تناوبی از چپ به راست، یعنی با حرکت از آخرین فلز قلیایی به سمت هلیوم،‌ خاصیت فلزی کاهش پیدا می‌کند.

جمع‌بندی روندهای تناوبی

در این آموزش، انواع روندهای تناوبی در جدول تناوبی را مورد بررسی قرار دادیم. در ادامه، روندهای تناوبی را به طور خلاصه بیان می‌کنیم:

الکترونگاتیوی

  • از چپ به راست در جدول تناوبی، الکترونگاتیوی افزایش پیدا می‌کند.
  • در هر گروه، از بالا به پایین،‌ الکترونگاتیوی کاهش پیدا می‌کند.

انرژی یونش

  • در هر تناوب از چپ به راست، انرژی یونش افزایش پیدا می‌کند.
  • در هر گروه از بالا به پایین، انرژی یونش کاهش می‌یابد.

الکترون‌خواهی

  • در هر تناوب از چپ به راست،‌ الکترون‌خواهی افزایش پیدا می‌کند.
  • در هر گروه از بالا به پایین، الکترون‌خواهی کاهش پیدا می‌کند.

شعاع اتمی

  • در هر تناوب از چپ به راست، شعاع اتمی کاهش پیدا می‌کند
  • در هر گروه از بالا به پایین، شعاع اتمی افزایش می‌یابد.

نقطه ذوب

به طور کلی بیشتر فلزات، نقطه ذوب بالایی دارند و نافلز کربن، بالاترین نقطه ذوب را در میان عناصر دارد.

خاصیت فلزی

  • در هر تناوب از چپ به راست، خاصیت فلزی کاهش پیدا می‌کند.
  • در هر گروه از بالا به پایین، خاصیت فلزی افزایش می‌یابد.

تصویر زیر، خلاصه روندهای تناوبی را نشان می‌دهد:

روندهای تناوبی

اگر این مطلب برای شما مفید بوده‌ است،‌ آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

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:
LibreTexts
نظر شما چیست؟

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