Back to chapter

8.1:

סיווג מחזורי של יוסודות

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Periodic Classification of the Elements

Languages

Share

האלקטרונים המאכלסים את הקליפה החיצונית ביותר של אטום הם אלקטרוני ערכיות, ואילו אלקטרונים המאכלסים את רמות האנרגיה היסודיות הם אלקטרוני ליבה. לאטום נתרן עם תצורת אלקטרונים Ne]3s1 שלוש רמות אנרגיה יסודיות. רמות האנרגיה היסודיות הפנימיות השלמות עם 2s22p6 מעידות על כך שיש עשרה אלקטרוני ליבה, ואחריהם הרמה השלישית החיצונית מכילה את האלקטרון האחד הנותר.לכן לנתרן יש אלקטרון ערכיות אחד. בדומה לכך, לכלור יש עשרה אלקטרוני ליבה ושבעה אלקטרוני ערכיות. אלקטרוני ערכיות הם הרחוקים ביותר מהגרעין ומוחזקים בצורה הרופפת ביותר.לכן הכי קל לגרוע או לשתף אותם, והם בעלי תפקיד חשוב בקשרים כימיים. יסודות שמספר אלקטרוני הערכיות שלהם זהה הם בעלי תכונות כימיות דומות, כפי שניתן לראות מהסדר בטבלה המחזורית המודרנית. ביסודות הקבוצה המרכזית, האות המסמלת את הקבוצה שווה למספר אלקטרוני הערכיות ומספר השורה שווה למספר הקוונטי היסודי הגבוה ביותר של אותו יסוד.לכל יסוד בקבוצה אותו מספר אלקטרונים הזמינים לקשר. כשיורדים בשורה, המספר הקוונטי היסודיים עולה באחת, ואילו מספר אלקטרוני הערכיות נשאר ללא שינוי. שתי העמודות השמאליות הקיצוניות של הטבלה המחזורית מהווים את s-block.ביסודות אלה, האלקטרון האחרון נכנס לאורביטל-s. קבוצת היסודות בטור הראשון, למעט מימן, נקראת מתכות אלקליות”והן מגיבות בקלות מפני שיש להם רק אלקטרון ערכיות אחד. קבוצת היסודות בטור השני כוללת מתכות אלקליות עפרוריות עם שני אלקטרונים בקליפת הערכיות.שש העמודות בצד הימני הקיצוני יוצרות את p-block. קליפת הערכיות של יסודות אלה מאכלסת לחלוטין את אורביטלי-s והאלקטרון האחרון נכנס לאורביטל-p. מקבוצה 3-A לקבוצה 8-A, מספר האלקטרונים באורביטלי p עולה באחת.לגזים האצילים שמונה אלקטרוני ערכיות למעט הליום, השייך ל-s-block ויש לו רק שני אלקטרונים. d-block מורכב מעשר העמודות המוצבות בין s ל-p-block. יסודות אלה מכונים מתכות מעבר”האלקטרון האחרון נכנס לאורביטל-d של הקליפה היסודית שמספרה קטן באחת ממספר השורה.השורה הרביעית ממלאת אורביטלי 3-d השורה החמישית ממלאת אורביטלי 4-d וכן הלאה. יסודות מעבר פנימיים מהווים את f-block והם בעלי האלקטרון האחרון שנכנס ל-f-orbital. מספר הקוונטום היסודי של אורביטלי-f שמתמלא לאורך כל שורה הוא שניים פחות ממספר השורה.בשורה השישית מתמלאים ארבעה אורביטלי-f ובשורה השביעית מתמלאים חמישה אורביטלי-f. יסודות מעבר פנימיים מסודרים בסדרות הלנטנידים ואקטינידים. מספר העמודות בכל בלוק מציין כמה אלקטרונים יכולים למלא את רמת המשנה של הבלוק.שתי עמודות ב-s-block מתאימות לאורביטל-s עם שני אלקטרונים, שש עמודות ב-p-block מייצגות שלושה אורביטלי-p עם שישה אלקטרונים, ואילו עשר עמודות ב-d-block תואמות לחמישה אורביטלי-d עם שני אלקטרונים כל אחד. לבסוף, f-block כולל 14 עמודות המציינות את הקיבולת המרבית של שבעה אורביטלי-f.

8.1:

סיווג מחזורי של יוסודות

The periodic table arranges atoms based on increasing atomic number so that elements with the same chemical properties recur periodically. When their electron configurations are added to the table, a periodic recurrence of similar electron configurations in the outer shells of these elements is observed. Because they are in the outer shells of an atom, valence electrons play the most important role in chemical reactions. The outer electrons have the highest energy of the electrons in an atom and are more easily lost or shared than the core electrons. Valence electrons are also the determining factor in some physical properties of the elements.

The horizontal rows are known as periods. Across a period, each consecutive element has an additional proton in the nucleus and an additional electron to the valence shell. The vertical columns are groups. Elements in any one group (or column) have the same number of valence electrons (Figure 1); the alkali metals lithium and sodium each have only one valence electron, the alkaline earth metals beryllium and magnesium each have two, and the halogens fluorine and chlorine each have seven valence electrons.  It is the loss, gain, or sharing of valence electrons that defines how elements react. The similarity in chemical properties among elements of the same group occurs because they have the same number of valence electrons. 

It is important to remember that the periodic table was developed on the basis of the chemical behavior of the elements, well before any idea of their atomic structure was available. Now the arrangement of the periodic table is understood; elements whose atoms have the same number of valence electrons are in the same group. The colored sections of Figure 1 show the three categories of elements classified by the orbitals being filled.

Eq1
Figure 1: This version of the periodic table shows the configuration of each element. Note that down each group, the configuration is often similar.

Main group elements are sometimes called representative elements. These are the elements in which the last electron added enters an s or a p orbital in the outermost shell, shown in blue and red in Figure 1. This category includes all of the nonmetallic elements, as well as the metalloids and many metals. The valence electrons for main group elements are those with the highest n level. For example, gallium (Ga, atomic number 31) has the electron configuration [Ar]4s23d104p1, which contains three valence electrons (underlined). The completely filled d orbitals count as core, not valence, electrons.

The two far-left columns comprise the s-block and the six far-right columns constitute the p-block. The noble gases, which are a part of the p-block, all have eight valence electrons except for helium, which has two. These elements are highly stable and unreactive.

Transition elements or transition metals: These are metallic elements in which the last electron added enters a d orbital. The valence electrons (those added after the last noble gas configuration) in these elements include the ns and (n – 1) d electrons. The official IUPAC definition of transition elements specifies those with partially filled d orbitals. Thus, the elements with completely filled orbitals (Zn, Cd, Hg, as well as Cu, Ag, and Au in Figure 1) are not technically transition elements. However, the term is frequently used to refer to the entire d block (colored yellow in Figure 1).

The d-block consists of 10 columns. The principal quantum number of the d orbitals that fill across each row is equal to the row number minus one. In the fourth row, 3d orbitals fill, in the fifth row, 4d orbitals fill, and so on.

Inner Transition Elements: They are shown in green in Figure 1. The valence shells of the inner transition elements consist of the (n – 2)f, the (n – 1)d, and the ns subshells. Inner transition elements constitute f-block as the last electron enters an f orbital. The principal quantum number of the f orbitals that fill across each row is equal to the row number minus two. In the sixth row, the 4f orbitals fill, and in the seventh row, the 5f orbitals fill. There are two inner transition series:

  1. The lanthanide series: lanthanide (La) through lutetium (Lu)
  2. The actinide series: actinide (Ac) through lawrencium (Lr)

Lanthanum and actinium, because of their similarities to the other members of the series, are included and used to name the series, even though they are transition metals with no f electrons.

This text is adapted from OpenStax Chemistry 2e, Section 6.4: Electronic Structure of Atoms.