شارح الدرس: الجدول الدوري الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُعرِّف المجموعات والدورات والفئات، ونربط خواصَّ العناصر بمواضعها في الجدول الدوري.

تتكون جميع المواد من مواد كيميائية. ويوجد ملايين من المواد الكيميائية المعروفة، تتكون جميعها من ترتيبات مختلفة من حوالي 118 عنصرًا، ويتكون معظم المواد التي نراها حولنا من حوالي نصف هذه العناصر فقط.

وقد دُرست هذه العناصر على مدار عدة قرون، ورَتَّبها العلماء في الجدول الدوري للعناصر.

الجدول الدوري مفيد جدًّا للكيميائيين. وتوضع فيه العناصر بترتيب محدَّد جدًّا؛ في صفوف وأعمدة. فموقع كل عنصر في الجدول الدوري يخبرنا بالكثير من المعلومات عن هذا العنصر بالتحديد.

يوجد 18 عمودًا رأسيًّا تسمى مجموعات؛ وربما تلاحظ أن المجموعتين الأولى والثانية والمجموعات من الـ 13 إلى الـ 18 مكتوبة بالأرقام اللاتينية في بعض نُسخ الجدول الدوري. وتسمى الصفوف الأفقية السبعة الدورات. أما الصفان السفليان، الموضَّحان باللونين الأخضر والأرجواني، فيمثِّلهما الفراغان الأخضر والأرجواني في الجدول الرئيسي في الدورتين السادسة والسابعة على الترتيب.

في درجة حرارة الغرفة، توجد جميع العناصر في صورة مواد صلبة، ما عدا العناصر الموضَّحة باللونين البرتقالي والأزرق. فالعناصر الموضَّحة باللون البرتقالي سائلة في درجة حرارة الغرفة (298 K أو ). وهي كالآتي:

• البروم ()،
• الزئبق ().

أما العناصر الموضَّحة باللون الأزرق غازية في درجة حرارة الغرفة. والغازات هي كالآتي:

• الهيدروجين ()،
• النيتروجين ()،
• الأكسجين ()،
• الفلور ()،
• الكلور ()،
• جميع عناصر المجموعة 18.

وأما العناصر داخل الإطار الأحمر، فتخلَّق اصطناعيًّا في المعمل، على سبيل المثال، (التكنيشيوم) في المجموعة السابعة. جميع العناصر الأخرى موجودة في الطبيعة، على الرغم من أن بعضها يوجد فقط بكميات صغيرة جدًّا في الطبيعة.

يمكن تقسيم الجدول الدوري إلى فئات.

وهذه الفئات هي s وd وp وf. ترتبط الفئة التي يقع فيها العنصر بترتيب الإلكترونات الخارجية لذرَّاته.

تسمى معظم عناصر الفئة d بالعناصر الانتقالية، باستثناء العمود الأخير من الفئة d الذي يشمل عناصر الزنك () والكادميوم () والزئبق () والكوبرنيسيوم ().

وتسمى عناصر الفئة f أيضًا العناصر الانتقالية الداخلية.

معظم العناصر فلزَّات، وبعضها لافلزَّات، وعدد قليل يمثِّل ما نطلق عليه أشباه الفلزَّات. يذكِّرنا الجدول الآتي ببعض الخواصِّ العامة للفلزَّات واللافلزَّات، كما يوضِّح لنا خواصَّ أشباه الفلزَّات. أشباه الفلزَّات هي عناصر تُظهر خواصَّ كلٍّ من الفلزَّات واللافلزَّات. ولكن، يجب أن نتذكَّر أن هذه خواصُّ عامة، ويوجد بعض الاستثناءات؛ فعلى سبيل المثال، الجرافيت لافلز، لكنه موصِّل جيد للكهرباء.

في النسخة الآتية من الجدول الدوري، يمكننا الحصول على معلومات حول العناصر التي لها خواصُّ الفلزَّات أو اللافلزَّات أو أشباه الفلزَّات.

أشباه الفلزَّات موضَّحة باللون الأزرق، وتشكِّل «درجات سُلَّمية» مميزة تمتدُّ قطريًّا من اليسار إلى اليمين، بدءًا من المجموعة 13.

أشباه الفلزَّات هي:

• البورون ()،
• السليكون ()،
• الجرمانيوم ()،
• الزرنيخ ()،
• الأنتيمون ()،
• التيلوريوم ().

لا تتوفَّر معلومات كثيرة عن العناصر المحاطة بدائرة حمراء؛ لأنها تُخلَّق اصطناعيًّا فقط بكميات صغيرة جدًّا. وقد نتوقع أن تتَّبع هذه العناصر سلوك الفلزَّات أو اللافلزَّات، كما هو موضَّح بالألوان؛ مع ذلك، فبعض العلماء يختلفون حول سلوك هذه العناصر. ويجب أن ننتبه أيضًا إلى أن بعض الجداول الدورية بينها فروق طفيفة فيما يتعلق بتحديد أيُّ العناصر يمكن تسميتها أشباه فلزَّات.

وتُمنح بعض المجموعات والدورات أسماءً خاصة. هذه الأسماء موضَّحة في الشكل الآتي.

مُنحت هذه الأسماء بسبب الطريقة التي تتفاعل بها مجموعة من العناصر. على سبيل المثال، تتفاعل جميع فلزَّات المجموعة الأولى مع الماء بالطريقة نفسها؛ إذ تُنتج محاليل الهيدروكسيد القلوية. ولهذا السبب، تُسمى الفلزَّات القلوية. وتسمى فلزَّات المجموعة الثانية الفلزَّات القلوية الأرضية. في منتصف الجدول الدوري، توجد ثمانية عناصر، موضَّحة باللون الأحمر، وتسمى مجتمعة الفلزَّات النبيلة. ثمة مثال آخر على ذلك، وهي عناصر المجموعة 18 التي توجد جميعها في صورة ذرَّات منفردة، وغير مرتبطة بالذرَّات الأخرى، وهي بوجه عام مستقرة وغير تفاعلية. وتُعرف مجتمِعةً باسم الغازات النبيلة. وتنتمي جميع العناصر داخل الإطار الوردي إلى الفلزَّات الانتقالية. وتشمل الفلزَّاتُ الانتقاليةُ الصفَّين السفليين، الأخضر والأرجواني، ويُعرفان تحديدًا باسم اللانثانيدات والأكتينيدات على الترتيب.

يمثِّل الشكل الآتي نسخة أكثر تفصيلًا من الجدول الدوري الذي يحتوي على معلومات محدَّدة عن ذرَّات كل عنصر. يتوفر هذا الجدول الدوري عادةً في الكتب أو على الإنترنت.

تُعتبر الذرَّة الجسيمَ الأصغرَ في العنصر. وعادةً ما تحتوي نواة الذرَّة على واحد أو أكثر من البروتونات الموجبة الشحنة والنيوترونات المتعادلة، وواحد أو أكثر من الإلكترونات السالبة الشحنة في المدارات التي تحيط بالنواة المركزية.

والذرَّات جسيمات متعادلة كهربيًّا، لها العدد نفسه من البروتونات الموجبة الشحنة والإلكترونات السالبة الشحنة.

هيا نلقِ نظرة فاحصة على عنصر الليثيوم، على سبيل المثال، لنرى ما المعلومات التي يوفِّرها الجدول الدوري عنه.

يشار إلى عنصر الليثيوم بالرمز الكيميائي: الحرف الكبير L والحرف الصغير i. كل عنصر له رمز كيميائي مختلف.

وتُرتَّب العناصر في الجدول الدوري، من اليسار إلى اليمين، حسب عددها الذرِّي. يشير العدد الذرِّي إلى عدد البروتونات الموجودة في النواة، أو مركز الذرَّة. فالعدد الذرِّي لليثيوم هو 3؛ حيث توجد 3 بروتونات في النواة.

نواة ذرَّة كل عنصر لها عدد مميز من البروتونات. ولا يهم إذا ما كنَّا نتحدث عن ذرَّة صوديوم أو أيون صوديوم؛ فيوجد 11 بروتونًا في النواة. وذرَّة عنصر الصوديوم هي الذرَّة الوحيدة التي تحتوي على 11 بروتونًا في نواتها. فإذا كان هناك 10 بروتونات، فهذه ليست ذرَّة صوديوم، بل ذرَّة نيون. وإذا كان هناك 12 بروتونًا، فهذه ليست ذرَّة صوديوم؛ بل ذرَّة مغنيسيوم.

وعندما تتفاعل ذرَّة عنصر مع ذرَّة عنصر آخر، فإنها إما أن تفقد إلكترونًا واحدًا أو أكثر، وإما أن تكتسب إلكترونًا واحدًا أو أكثر، وإما أن تتشارك إلكترونات مع الذرَّة الأخرى. يمكننا الحصول على معلومات حول عدد الإلكترونات المفقودة أو المكتسَبة من الجدول الدوري.

فالمجموعة التي ينتمي إليها عنصرٌ ما تشير إلى عدد الإلكترونات التي إما ستكتسبها ذرَّة هذا العنصر وإما ستفقدها عندما تتفاعل مع ذرَّة أخرى.

وبوجه عام، العبارتان الآتيتان صحيحتان.

• تميل الفلزَّات إلى فقْد الإلكترونات عند تفاعُلها وتكوين أيونات موجبة الشحنة بها بروتونات أكثر من الإلكترونات:
• وتميل اللافلزَّات إلى اكتساب الإلكترونات عند تفاعلها وتكوين أيونات سالبة الشحنة بها إلكترونات أكثر من البروتونات:

وعادةً ما يرتبط العدد المحدَّد للإلكترونات التي يفقدها الفلز وكذلك عدد الإلكترونات التي يكتسبها اللافلز بالمجموعة المحدَّدة التي يوجد فيها كل عنصر. بعبارة أخرى، يعطينا رقم المجموعة معلومات عن عدد الإلكترونات التي تفقدها أو تكتسبها ذرَّة عنصرٍ ما عند تفاعله.

أما التكافؤ، فهو عدد الإلكترونات التي تفقدها الذرَّة أو تكتسبها عند تفاعلها، أو هو القدرة على الاتحاد، أو أقصى عدد للجسيمات الأخرى التي يمكن أن ترتبط بها الذرَّة.

الجدول الدوري الآتي يوضح قيم التكافؤ.

• تفقد فلزَّات المجموعة الأولى إلكترونًا واحدًا عند تفاعلها. يوجد الهيدروجين أيضًا في هذه المجموعة، وعلى الرغم من أنه ليس فلزَّا، فإنه يتفاعل بالطريقة نفسها. وتتشابه عناصر المجموعة الأولى في بعض الخواصِّ الكيميائية بسبب هذا الاتجاه المشترك.
• تفقد عناصر المجموعة الثانية إلكترونين وتكوِّن أيونات شحنتها .
• تفقد عناصر المجموعة 13 ثلاثة إلكترونات وتكوِّن أيونات شحنتها .
• يمكن لعناصر المجموعة 14 أن تفقد أو تكتسب أربعة إلكترونات، وعادةً ما تكتسب عناصر المجموعتين 15 و16 ثلاثة إلكترونات وإلكترونين على الترتيب. لكن في بعض الأحيان، لا تفقد عناصر المجموعات 14 و15 و16 ولا تكتسب إلكترونات، لكنها تتشارك الإلكترونات مع ذرَّات أخرى عندما تكوِّن روابط تساهمية.
• تكتسب عناصر المجموعة 17 إلكترونًا واحدًا عند تفاعلها، وتكوِّن أيونات شحنتها .
• لا تتفاعل المجموعة 18 بوجه عام، ولا تكتسب إلكترونات ولا تفقدها.

تساعدنا معرفة قيم التكافؤ في فَهْم الصيغ الكيميائية وتوقُّعها، التي تتضمن فلزَّا مرتبطًا بأحد اللافلزَّات.

على سبيل المثال، عندما يتفاعل أحد فلزَّات المجموعة الأولى، مثل الليثيوم؛ مع الكلور، وهو أحد اللافلزَّات في المجموعة 17، يمكننا تحديد الصيغة الكيميائية للناتج بسهولة. يفقد الليثيوم إلكترونًا واحدًا أثناء التفاعل ليكوِّن . ويكتسب الكلور إلكترونًا واحدًا (من الليثيوم) ليكوِّن . الشحنتان متساويتان ومتضادتان، ومن ثم، فإن الناتج عبارة عن كلوريد الليثيوم وصيغته ، ويمكننا ببساطة كتابته في الصورة :

مثال آخر وهو تفاعل المغنيسيوم من المجموعة الثانية مع البروم من المجموعة 17. يفقد المغنيسيوم إلكترونين ليصبح وتكتسب ذرتَا البروم، كلُّ ذرَّة إلكترونًا واحدًا من المغنيسيوم لتكوِّنا أيونين من . والناتج هو بروميد المغنيسيوم وصيغته . يمكننا كتابة ذلك ببساطة في الصورة :

مثال ٤: ربْط رقم المجموعة بالرمز السفلي في الصيغة الأيونية

انظر المعادلة الآتية:

في أيِّ المجموعات الآتية يوجد العنصر في المعادلة الموضَّحة؟

1. المجموعة 17
2. المجموعة 2
3. المجموعة 13
4. المجموعة 15

الحل

يحتوي المركب على الكلور. ينتمي الكلور إلى المجموعة 17 كما أنه أحادي التكافؤ، وينتُج عن تفاعله أيون سالب. يحتوي هذا المركَّب على ستة أيونات من الكلور، أيْ ست شحنات سالبة.

وهذا المركَّب متعادل كهربيًّا بوجه عام، أيْ لا بد أن يحمل «» ست شحنات موجبة لتلغي الشحنات الست السالبة من «».

يمكننا قسمة الشحنات الست الموجبة على 2؛ بما أنه يوجد أيونان . وهذا يعطينا الشحنة التي يحملها أيون واحد.

كل أيون هو . ومن ثم، يجب أن ينتمي إلى المجموعة 13؛ فالعناصر الموجودة في المجموعة 13 تميل إلى فقْد الإلكترونات عند تفاعلها، وتكوِّن أيونات موجبة، كما أن عناصر المجموعة 13 ثلاثية التكافؤ، أيْ تفقد 3 إلكترونات تحديدًا.

إذن، الإجابة الصحيحة هي الاختيار ج، المجموعة 13.