معرفی گروه های جدول تناوبی (جدول مندلیف) به همراه جزئیات

رپورتاژ

جدول تناوبی (periodic table) یا جدول مندلیف به عنوان شاهکاری در علم شیمی شناخته می شود. این جدول ابزاری بسیار مهم برای مطالعه تمام عناصری است که به صورت طبیعی وجود دارند و یا به شکل های آزمایشگاهی ساخته می شوند.

جایگذاری تمام عناصر در جدول مندلیف با علامت اختصاری و براساس برخی از خواص آن ها مثل عدد اتمی و عدد جرمی انجام شده است. ویژگی دیگر جدول تناوبی مندلیف این است که تمام عناصر آن بر اساس افزایش عدد اتمی مرتب شده است.

شروع تقسیم بندی عناصر را می توان 3000 سال پیش و زمانی دانست که ارسطو عناصر را به چهار گروه آب، باد، خاک و آتش دسته بندی کرد. در دوره های بعدی، دانشمندان زیادی با بیان نظرات و طبقه بندی های مختلف، لیست های طبقه بندی شده گوناگونی از عناصر را ارایه نمودند که در ادامه برخی از آن ها را بررسی می کنم.

فسفر به عنوان اولین عنصر در سال 1864 توسط برند هنینگ (Hennig Brand) شیمی دان آلمانی کشف شد. در ادامه، آنتوان لاووازیه (Antoine Lavoisier)، دانشمند فرانسوی، نخستین طبقه بندی عناصر را انجام داد و آن ها را به چهار گروه گازها، فلزات، غیرفلزات و عناصر زمین دسته بندی کرد. در سال 1817، دانشمند آلمانی، یوهان ولفگانگ دوبراین (Johann Wolfgang Döbereiner)، با طبقه بندی دسته های سه گانه، گامی جدید در تنظیم مجدد جدول تناوبی عناصر برداشت. این سه گانه ها بر اساس جرم اتمی عناصر بود که در یک گروه، جرم اتمی عنصر وسط، حاصل محاسبه میانگین جرم اتمی دو عنصر بالایی و پایینیش است. در این ساختار، اولین گروه، عنصر استرانسیم بین کلسیم و باریم، و در گروه بعد سدیم بین لیتیم و پتاسیم قرار گرفته بود. با تنظیم گروه های بعدی، جان نیوزلند (John Newlands) جدولی بر طبق جرم اتمی عناصر در هفت گروه معرفی کرد. در این طبقه بندی عناصر بر طبق قانون اکتاها تنظیم شدند.

در سال 1869 دمیتری مندلیف (Dmitri Mendeleev) شیمی دان روسی، عناصر را بر اساس خواص و جرم اتمیشان مرتب کرد. در جدول مندلیف، عناصری که دارای خواص یکسان بودند در یک گروه قرار گرفتند. در ادامه مندلیف متوجه شد که خواص عناصر گروه های مختلف به طور تناوبی تکرار می شوند.

ویژگی شگفت انگیز جدول مندلیف

از نکات قابل توجه جدول تناوبی عناصر که توسط مندلیف تنظیم شد، می توان به قسمت های خالی برای عناصری اشاره کرد که درآن زمان هنوز کشف نشده بودند اما مندلیف با دقت بالایی آن ها را پیش بینی کرده بود. یکی از موارد، عنصری بود که یک خانه تا آلومینیوم فاصله داشت و مندلیف آن را اکا آلومینیوم نامگذاری کرده بود. در زبان سانسکریت به عدد یک «eka» گفته می شود. چند سال پس از این پیش بینی، عنصر گالیوم کشف شد. گالیوم در جدول تناوبی تنها یک خانه تا آلومینیوم فاصله دارد و مشخصات آن بسیار نزدیک به اکا آلومینیوم معرفی شده توسط مندلیف است. در موردی دیگر، عنصری که مندلیف اکا منگنز نامیده بود، اکنون تکنسیوم نامیده می شود.

مندلیف همچنین عناصر دیگری مثل اسکاندیم، ژرمانیوم و رنیوم را که در آن زمان هنوز ناشناخته بودند پیش بینی کرده بود. کشف گازهای نجیب توسط شیمی دان اسکاتلندی، ویلیام رمزی (William Ramsay) از دیگر شگفتی های این جدول بود که اهمیت جدول تناوبی را چندین برابر کرد.

عنصرهای کشف شده جدول تناوبی

تعداد عناصر جدول مندلیف تا سال 2015، 118 عنصر بود. 98 مورد از این عناصر در طبیعت وجود داشته و بقیه در آزمایشگاه سنتز می شوند. از بین 98 عنصر، 84 عنصر جزء عنصرهای پایدار و بقیه جزء عناصر رادیواکتیو با نیمه عمر کوتاه هستند.

شکل امروزی جدول تناوبی

امروزه در جدول مندلیف ترتیب قرارگیری عناصر بر طبق عدد اتمی است. تعداد ستون های آن 18 و تعداد تناوب های آن 7 ردیف است. اولین عنصر این جدول، هیدروژن با عدد اتمی 1 است، یعنی تعداد پروتون های هیدروژن برابر با یک است. تمام عنصرهایی که در یک گروه یا ستون قرار می گیرند به طور تقریبی دارای خواص فیزیکی و شیمیایی مشابه و تعداد الکترون های ظرفیت یکسانی هستند. به عبارتی تعداد الکترون هایی که در لایه ظرفیت آن ها قرار می گیرد، مشابه است. اما در یک دوره از جدول، به تدریج تعداد الکترون های ظرفیت اضافه می شود.

اصطلاحات مربوط به جدول تناوبی

در این بخش به بررسی اصلاحات مربوط به جدول تناوبی عناصر و جزئیات مربوط به آن ها می پردازیم. برای مثال، منظور از نماد شیمیایی برای یک عنصر چیست؟ و یا عدد اتمی و عدد جرمی عناصر در جدول مندلیف چگونه محاسبه می شوند.

نماد شیمیایی

به حروف انگلیسی که برای نشان دادن عناصر در جدول تناوبی استفاده می شود و می تواند یک یا دو حرفی باشد، نماد شیمیایی آن عنصر می گویند. برای مثال نماد شیمیایی اتم اکسیژن O و اتم هلیم He است.

عدد اتمی (A)

به تعداد پروتون های هر عنصر، عدد اتمی می گویند که می تواند تعیین کننده رفتار شیمیایی آن عنصر باشد. برای مثال، اتم کربن با شش پروتون دارای عدد اتمی 6 و اتم هیدروژن با یک پروتون، عدد اتمی 1 را دارد. تعداد پروتون ها با تعداد الکترون ها در یک عنصر خنثی با هم برابر است.

عدد جرمی (Z)

مجموع تعداد پروتون ها و نوترون های یک عنصر را عدد جرمی می گویند. وقتی یک عنصر با عدد اتمی یکسان، دارای اعداد جرمی متفاوتی باشند به آن ها ایزوتوپ های آن عنصر گفته می شود.

گروه چیست و تغییر خواص عناصر چگونه است؟

جدول تناوبی از 18 ستون یا گروه تشکیل شده که در هر گروه تعداد الکترون های ظرفیت عناصر یکی است. در یک گروه از جدول با حرکت از بالا به پایین شعاع اتمی با افزایش تعداد لایه های الکترونی، افزایش می یابد. اما به دلیل آن که با افزایش فاصله الکترون های ظرفیت از هسته اتم، به انرژی بیشتری برای جداکردن الکترون نیاز است، انرژی یونش عنصرها در یک گروه با افزایش تعداد لایه های الکترونی، کاهش می یابد. به همین ترتیب الکترون دوستی در یک گروه، به واسطه فاصله بیشتر الکترون های ظرفیت از هسته، کاهش پیدا می کند. البته ممکن است در این ترتیب ها استثنائاتی نیز وجود داشته باشد.

دوره یا تناوب

در عناصر موجود در یک ردیف تعداد لایه ها یا ترازهای انرژی یکسان است ولی تعداد الکترون های لایه ظرفیت آن ها متفاوت است. ویژگی های عناصر در یک دوره ممکن است روند افزایشی یا کاهشی داشته باشد. به عنوان مثال در یک تناوب، شعاع اتمی با افزایش تعداد الکترون ها، کاهش می یابد؛ چون با ثابت بودن تعداد لایه های الکترونی، افزایش تعداد پروتون های هسته، الکترون ظرفیت را بیشتر به سمت خود کشیده و اتم کوچکتر می شود. در یک تناوب به دلیل آن که از سمت چپ به راست شعاع کاهش می یابد، انرژی یونش افزایش می یابد؛ زیرا فاصله الکترون ظرفیت تا هسته کمتر و جداکردن آن سخت تر خواهد بود. از سمت چپ به راست الکترون دوستی نیز روند افزایش خواهد داشت. با این روند، میزان الکترون خواهی نافلزات در سمت راست جدول نسبت به فلزات در سمت چپ جدول، بیشتر خواهد بود.

نکته

انرژی که برای شکست پیوندهای یک ماده و تغییر فاز آن ها از حالت جامد به مایع به کار برده می شود به عنوان انرژی نقطه ذوب در نظر گرفته می شود. به این نکته باید توجه کرد که در یک گروه یا دوره از جدول تناوبی، روند تغییر نقطه ذوب دارای یک ترتیب منظم و مشخص نیست. برای مثال، فلزات این جدول دارای نقاط ذوب بالا و نافلزات آن، دارای نقاط ذوب پایین هستند. کربن و بور از جمله عناصری هستند که نقاط ذوب بالایی در جدول دارند.

بلوک چیست؟

بخش های تقسیم شده در جدول مندلیف که تحت تاثیر تعداد لایه های الکترونی هستند به نام بلوک شناخته می شوند. بلوک های s، p، d و f چهار بلوک موجود در جدول مندلیف هستند. بلوک s شامل عناصر موجود در گروه های اول و دوم جدول و فلزات قلیایی و قلیایی خاکی و دو عنصر هیدروژن و هلیم هستند. بلوک p عناصری هستند که در گروه های 13 تا 18 جدول تناوبی وجود دارند و به نام عناصر گروه های A3 تا A8 نام گذاری می شوند. نافلزات و شبه فلزات در این بلوک قرار می گیرند.

عناصر موجود در گروه های 3 تا 12 آیوپاک که به نام فلزات واسطه هستند در بلوک d قرار می گیرند. به عناصر این دسته، عناصر گروه های B3 تا B8 نیز گفته می شود. عناصر بلوک f که به صورت دو ردیف در پایین جدول تناوبی قرار دارند، به نام لانتانیدها و اکتنیدها شناخته می شوند. البته با توجه به ساختار جدول تناوبی، لانتانیدها باید در کنار عنصر لانتان 57 د و گروه اکتنیدها باید در کنار عنصر اکتنیوم 89 در جدول قرار می گرفتند، ولی به دلیل کم بود فضا، این دسته ها به پایین جدول منتقل شده اند.

عناصر گروه اول (فلزات قلیایی)

تمام عنصرهای گروه اول، به غیر از هیدروژن (به دلیل خواص متفاوت) به نام فلزات قلیایی نامیده می شوند. فلزات قلیایی به دلیل این که فقط یک الکترون در لایه ظرفیت خود دارند و به راحتی می توانند این الکترون را از دست دهند، دارای واکنش پذیری بالایی هستند. عناصر گروه اول به آسانی در واکنش های شیمیایی شرکت کرده و شدت واکنش پذیری آن ها با کاهش بار موثر هسته، از بالا به پایین افزایش می یابد. لیتیم، سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم و فرانسیم فلزات قلیایی جدول تناوبی هستند. این فلزات نرم بوده و دارای چگالی کمی هستند و همچنین آنتالپی ذوب و تبخیر در آن ها کم است. از مواد ترکیب فلزات قلیایی که کاربرد زیادی در صنایع دارند، می توان به جوش شیرین یا بی کربنات سدیم، سود سوزآور و کربنات سدیم اشاره کرد.

عناصر گروه دوم (فلزات قلیایی خاکی)

عناصر این گروه که شامل بریلیوم، منیزیم، کلسیم، باریم و رادیوم (رادیواکتیو) است در لایه ظرفیت خود 2 الکترون دارند. به همین دلیل واکنش پذیری آن ها نیز زیاد است اما شدت واکنش پذیریشان نسبت به فلزات قلیایی کمتر است. همچنین شدت واکنش پذیری در آن ها از بالا به پایین افزایش می یابد.

هالوژن ها

به عناصر گروه هفدهم از جدول تناوبی هالوژن می گویند. این عناصر به صورت مولکول های دو اتمی بوده و به شکل آزاد در طبیعت وجود ندارند. به دلیل آن که این عناصر، فقط یک الکترون در لایه ظرفیت خود کم دارند تا به آرایش اوکتت برسند، واکنش پذیری در آن ها بالا است. عناصر این گروه فلوئور و کلر (به شکل گاز)، برم (مایع)، ید (جامد) و استاتین هستند.

گازهای نجیب

همه ی عناصر موجود در گروه هجدهم که دارای آرایش پایدار اوکتت هستند، به نام گازهای نجیب یا بی اثر هستند. این عناصر تک اتمی بوده و به دلیل آرایش پایدار، هیچ میل ترکیبی و واکنشی ندارند. نقاط ذوب این عناصر، پایین و شکل آن ها به صورت گازی است. در بین این عناصر فقط هلیم است که در لایه ظرفیت خود دو الکترون دارد و سایر آن ها هشت الکترون ظرفیت دارند. دو عنصر آخری این گروه به نام های رادون و ارگانسون، رادیواکتیو هستند.

عناصر واسطه

عناصر واسطه، گروه های 3 تا 12 جدول تناوبی را در اختیار دارند و به عناصر گروه B نیز مشهور هستند. در این گروه اوربیتال d لایه ماقبل آخر در حال پر شدن بوده و همه ی آن ها فلز هستند. انعطاف پذیری در آن ها زیاد بوده و نقاط ذوب و جوش متفاوت و بالایی دارند؛ به غیر از کادمیم، جیوه و روی که نقاط ذوب و جوش کمی دارند. در بین این عناصر جیوه، تنها فلزمایع است. فلزات این دسته مانند مس، آهن، روی و … کاربردهای زیادی در صنایع دارند.

عناصر واسطه داخلی

به دو ردیف پایین جدول تناوبی که شامل لانتانیدها و اکتنیدها هستند، عناصر واسطه داخلی می گویند. در این عناصر اوربیتال f در حال پر شدن بوده و هر ردیف از آن ها شامل 14 عنصر است. از خواص عناصر این دسته، فلز بودن، رنگین بودن و خاصیت پارامغناطیسی است.