جدول تناوبی عناصر شیمیایی چیست؟

سازمان جهانی یونسکو می‌گوید: جدول تناوبی عناصر شیمیایی چیزی بیش از یک راهنما یا فهرستی از کل اتم‌های شناخته‌شده در جهان است. این جدول اساسا دریچه‌ای به روی جهان است که به گسترش درک ما از دنیای اطراف کمک می‌کند.

جدول تناوبی، یک لیست سازمان‌یافته از عناصر شیمیایی است که در آن، عناصر بر اساس افزایش عدد اتمی قرار گرفته‌اند. وقتی عناصر شیمیایی به این شیوه مرتب می‌شوند، یک الگوی تکرارشونده تحت عنوان قانون تناوبی در خواص آن‌ها مشاهده می‌شود. در واقع قانون تناوبی می‌گوید عناصر هر ستون، خواص مشابهی دارند. این نکته توسط دمیتری مندلیف در اواسط قرن 19 کشف شد که تاثیر قابل توجهی بر توسعه شیمی داشته است.

تاریخچه جدول تناوبی

در سال 1789، شیمیدان فرانسوی، آنتوان لاوازیه، سعی کرد عناصر را به دو دسته فلز و نافلز دسته‌‌بندی کند. پس از 40 سال، شیمیدان آلمانی، یوهان ولفگانگ دوبراینر شباهت‌هایی را در خواص فیزیکی و شیمیایی عناصر کشف کرد و آن‌ها را در 3 گروه بر اساس افزایش وزن اتمی دسته‌بندی کرد.

در سال 1860، اولین کنفرانس بین‌المللی‌ شیمی در کارلسروهه، فهرست اصلاح شده‌ای از عناصر و جرم اتمی آن‌ها منتشر کرد. جان نیولندز شیمیدان بریتانیایی اولین کسی بود که عناصر را بر اساس افزایش جرم اتمی مرتب کرد. او قانونی تحت عنوان قانون هشت‌تایی کشف کرد که طبق آن هر هشت عنصر، ویژگی‌های مشابهی داشتند.

در سال 1869، دمیتری مندلیف روسی چارچوبی را ایجاد کرد که به جدول تناوبی مدرن شناخته شد. عناصر در این جدول بر اساس وزن اتمی دسته‌بندی شدند. او خواص برخی از عناصر کشف نشده را پیش‌بینی می‌کرد. تفاوت اصلی جدول تناوبی مدرن با جدول مندلیف در این است که در جدول مدرن عناصر بر اساس افزایش عدد اتمی و در جدول مندلیف، بر اساس افزایش وزن اتمی مرتب می‌شوند. اگرچه ترتیب عناصر در اکثر موارد یکسان است، اما تفاوت‌هایی هم وجود دارد.

اصطلاحات معروف جدول تناوبی

برای شناخت بهتر و راحت‌تر جدول مندلیف، بهتر است با اجزا و اصطلاحات آن آشنا شوید. در این جدول، هر مربع شامل حروف مربوط به نام شیمیایی عنصر و یک عدد است.

عدد اتمی

همان تعداد پروتون‌های هسته می‌باشد که برابر با تعداد الکترون‌های اتم است. اتم کوچک‌ترین ذرات تشکیل دهنده هر عنصر است.

نماد شیمیایی

نمادی یک یا دو حرفی که برگرفته از مخفف نام رایج هر عنصر است. به عنوان مثال اکسیژن با O و طلا با Au نشان داده می‌شوند.

گروه جدول تناوبی

زمانی که شیمیدان‌های اولیه برای خالص سازی سنگ معدن کار می‌کردند، با عناصر بیشتری آشنا شدند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که عناصر مختلف را می‌توانند بر اساس رفتارهای شیمیایی مشابه دسته‌بندی کنند. به عنوان مثال لیتیوم، سدیم و پتاسیم همگی براق هستند، گرما و الکتریسیته را به خوبی هدایت می‌کنند و خواص مشابهی دارند. بر همین اساس، گروه در جدول تناوبی به وجود آمد.

این گروه‌ها همان ستون‌های عمودی جدول هستند. عناصری که در یک ستون قرار دارند، در یک گروه مشابه هستند و اغلب آرایش الکترونی بیرونی آن‌ها یکسان است. این بدان معنی است که آن‌ها با عناصر دیگر به روش‌های مشابه واکنش نشان می‌دهند. گروه‌‍‌ها از چپ به راست و از 1 تا 18 نام‌گذاری می‌شوند. 6 مورد از اصلی‌ترین گروه‌ها به شرح زیر است:

• گروه 1: فلزات قلیایی
• گروه 2: فلزات قلیایی خاکی
• گروه 13: بور
• گروه 14: کربن
• گروه 15: نیتروژن
• گروه 16: اکسیژن
• گروه 17: هالوژن
• گروه 18: گازهای نجیب

در ادامه با مهم‌ترین این گروه ها بیشتر آشنا می‌شویم:

گروه ۱ جدول تناوبی | فلزات قلیایی

ترکیب اعضا:

گروه ۱ شامل عناصر زیر است:

• لیتیوم (Li)
• سدیم (Na)
• پتاسیم (K)
• روبیدیوم (Rb)
• سزیم (Cs)
• فرانسیوم (Fr) – عنصر رادیواکتیو و کمیاب

ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی فلزات قلیایی به زبان ساده

تمام عناصر این گروه فلز هستند و به‌شدت فعال‌اند. سطح تازه برش‌خورده آن ها براق و نقره‌ای است، اما خیلی سریع با هوا واکنش داده و کدر می‌شوند.

این عناصر فقط یک الکترون در لایه ظرفیت دارند و به‌راحتی آن را از دست می‌دهند، به همین دلیل تقریباً همیشه در طبیعت به‌صورت ترکیب یافت می‌شوند، نه به‌صورت عنصر آزاد.

واکنش آن‌ها با آب بسیار شدید است و گاز هیدروژن تولید می‌کند که می‌تواند باعث انفجار شود. هرچه از بالا به پایین گروه حرکت کنیم (از لیتیوم تا فرانسیوم)، واکنش‌پذیری بیشتر و نقطه ذوب کمتر می‌شود.

خواص و کاربردهای فلزات قلیایی

• لیتیوم :(Li) سبک‌ترین فلز شناخته‌شده است و به دلیل واکنش‌پذیری بالا، در طبیعت به‌صورت ترکیب یافت می‌شود. مهم‌ترین کاربردهای آن شامل ساخت باتری‌های لیتیوم-یون برای دستگاه‌های الکترونیکی، تولید آلیاژهای سبک و مقاوم و استفاده در شیشه‌ها و سرامیک‌های مقاوم به حرارت است.
• سدیم :(Na) فلزی نرم و براق که در ساخت شیشه‌های معمولی و خاص، صنایع صابون‌سازی و تولید ترکیبات پرکاربردی مثل نمک خوراکی (NaCl) و هیدروکسید سدیم (سود سوزآور) استفاده می‌شود.
• پتاسیم :(K) نقش مهمی در کشاورزی دارد و به‌صورت ترکیباتی مانند پتاسیم کلرید و پتاسیم سولفات به‌عنوان کود شیمیایی به کار می‌رود. همچنین در صنایع شیمیایی و ساخت شیشه‌های خاص استفاده می‌شود.
• روبیدیوم :(Rb) فلزی نقره‌ای و نرم که کاربردهای ویژه‌ای در سلول‌های فتوالکتریک، دستگاه‌های خلأ و ساعت‌های اتمی دقیق دارد.
• سزیم :(Cs) به دلیل خواص فیزیکی خاص، در ساعت‌های اتمی فوق دقیق، تجهیزات حفاری چاه‌های نفت و گاز و حسگرهای مادون قرمز کاربرد دارد.
• فرانسیوم :(Fr) یک عنصر رادیواکتیو بسیار کمیاب و ناپایدار است که به دلیل نیمه‌عمر کوتاه، تنها در تحقیقات علمی و هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

گروه ۲ جدول تناوبی | فلزات قلیایی خاکی

ترکیب اعضا:

گروه ۲ شامل عناصر زیر است:

• بریلیم (Be)
• منیزیم (Mg)
• کلسیم (Ca)
• استرانسیم (Sr)
• باریم (Ba)
• رادیوم (Ra) – عنصر رادیواکتیو و کمیاب

ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی فلزات قلیایی خاکی به زبان ساده

عناصر گروه دوم جدول تناوبی به دلیل واکنش‌پذیری با آب و تولید هیدروکسیدهای قلیایی (بازی) و همچنین حضور گسترده اکسیدهایشان در پوسته زمین، با نام فلزات قلیایی خاکی شناخته می‌شوند. این فلزات به‌طور طبیعی در خاک وجود دارند و ویژگی مهم آن‌ها پایداری در برابر حرارت است.

تمام اعضای این گروه فلز هستند و نسبت به فلزات قلیایی (گروه ۱) سخت‌تر و نقطه ذوب بالاتری دارند. آن‌ها دارای دو الکترون در لایه ظرفیت خود هستند و معمولاً این دو الکترون را از دست می‌دهند و ترکیباتی با ظرفیت +۲ تشکیل می‌دهند.

هرچه از بالا به پایین گروه حرکت کنیم، واکنش‌پذیری افزایش می‌یابد و نرم‌تر می‌شوند.

بریلیم، به دلیل ساختار کریستالی خاص، بسیار سخت و شکننده است و نسبت به دیگر اعضا واکنش‌پذیری بسیار کمتری دارد. در مقابل، باریم و رادیوم بسیار واکنش‌پذیرند و باید در نفت یا محیط بی‌هوا نگهداری شوند.

خواص و کاربردهای فلزات قلیایی خاکی

• بریلیم :(Be) فلزی سبک، سخت و مقاوم به خوردگی که در صنایع هوافضا، آلیاژهای مستحکم و تجهیزات هسته‌ای استفاده می‌شود.
• منیزیم : (Mg) سبک و مقاوم، کاربرد در آلیاژهای هواپیما، قطعات خودرو، وسایل الکترونیکی و به‌عنوان عامل کاهنده در صنایع شیمیایی؛ ترکیبات آن در داروسازی و آنتی‌اسیدها استفاده می‌شود.
• کلسیم :(Ca) عنصر ضروری برای موجودات زنده، استفاده در صنایع سیمان، آهک، فولادسازی و ترکیباتی مانند گچ؛ همچنین در بیولوژی برای ساخت استخوان و دندان حیاتی است.
• استرانسیم :(Sr) کاربرد در آتش‌بازی‌ها (ایجاد رنگ قرمز)، ساخت شیشه لامپ‌های کاتدی و آلیاژهای خاص.
• باریم :(Ba) استفاده در تصویربرداری پزشکی (سوسپانسیون سولفات باریم)، صنایع شیشه‌سازی و تولید مواد شیمیایی خاص.
• رادیوم :(Ra) رادیواکتیو و کمیاب، پیش‌تر در رنگ‌های شب‌تاب استفاده می‌شد اما اکنون به دلیل خطرات پرتوزایی، مصرف آن محدود به تحقیقات علمی و هسته‌ای است.

گروه ۱۳ جدول تناوبی | گروه بور

ترکیب اعضا:

گروه ۱۳ شامل عناصر زیر است:

• بور (B)
• آلومینیوم (Al)
• گالیم (Ga)
• ایندیم (In)
• تالیم (Tl)
• عنصر مصنوعی: نیهونیم (Nh)

ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی عناصر گروه بور (گروه ۱۳) به زبان ساده

در این گروه، فقط عنصر بور فلز نیست. بور یک ماده خاص به نام شبه‌فلز یا متالوئید است، یعنی رفتاری میان فلز و نافلز دارد. اما سایر عناصر این گروه مثل آلومینیوم، گالیم، ایندیم و تالیم همگی فلز هستند و رسانای خوب گرما و برق‌اند و ظاهری براق دارند.

وقتی این عناصر با مواد دیگر ترکیب می‌شوند، معمولاً تمایل دارند که سه الکترون از دست بدهند؛ به همین دلیل اغلب ترکیبات آن‌ها دارای ظرفیت +۳ هستند. اما برای عناصر سنگین‌تر مثل تالیم (Tl)، گاهی فقط یک الکترون از دست می‌رود و حالت +۱ هم پایدار می‌شود. این پدیده به یک اثر علمی به نام “اثر جفت شدگی بی اثر” (inert pair effect) مربوط می‌شود که در عناصر سنگین جدول دیده می‌شود.

نکته مهم دیگر این است که هر چه از بالا به پایین این گروه حرکت کنیم یعنی از بور به‌سمت تالیم برویم، رفتار فلزی بیشتر می‌شود.
به عنوان مثال بور اصلاً فلز نیست، اما آلومینیوم یک فلز سبک است و تالیم یک فلز سنگین با ویژگی‌های فلزی قوی‌تر به حساب می‌آید.

 خواص و کاربردهای عناصر گروه بور:

• بور بسیار سخت است و رسانای ضعیف الکتریسیته می‌باشد.
• در ساخت مواد مقاوم در برابر حرارت، شیشه‌های مقاوم (مانند پیرکس) و نیمه‌هادی‌ها کاربرد دارد.
• ترکیبات بور مانند بوراکس و اسید بوریک در صنایع شوینده، شیشه‌سازی و پزشکی کاربرد فراوانی دارند.

• آلومینیوم به‌عنوان فلزی سبک و مقاوم، در صنایع ساختمانی، حمل‌ونقل و بسته‌بندی استفاده می‌شود.
• گالیم در صنایع الکترونیک، به‌ویژه ساخت LED، لیزر و سلول‌های خورشیدی کاربرد دارد.

گروه ۱۴ جدول تناوبی | گروه کربن

ترکیب اعضا:

اعضای گروه ۱۴ عبارت‌اند از:

• کربن (C)
• سیلیسیم (Si)
• ژرمانیوم (Ge)
• قلع (Sn)
• سرب (Pb)
• عنصر مصنوعی: فلروویوم  (Fl)

ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی:

عناصر این گروه تنوع جالبی دارند! کربن (C) یک نافلز است؛ یعنی برخلاف فلزات، رسانای برق نیست، براق نیست و شکننده است مثل زغال یا گرافیت. سیلیسیم (Si) و ژرمانیوم (Ge) خاصیت‌هایی بین فلز و نافلز دارند؛ به همین دلیل به آن‌ها شبه‌فلز یا متالوئید می‌گوییم. اما قلع (Sn) و سرب (Pb) کاملاً فلز هستند؛ یعنی رسانای خوب برق و گرما بوده و ظاهر فلزی دارند.

یک ویژگی مشترک بین همه این عناصر این است که چهار الکترون در آخرین لایه خود (لایه والانس) دارند. این یعنی آن‌ها تمایل دارند در ترکیب‌های شیمیایی چهار پیوند کووالانسی (اشتراکی) با عناصر دیگر بسازند. مثلاً کربن در مولکول‌های آلی (مثل شکر یا پروتئین) با چهار اتم دیگر پیوند می‌سازد.

وقتی این عناصر در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند، می‌توانند بار الکتریکی به‌نام «عدد اکسایش» داشته باشند.
برای عناصر سبک‌تر گروه مثل کربن و سیلیسیم، حالت معمول عدد اکسایش +۴ است. اما در عناصر سنگین‌تر مثل قلع و سرب، حالت +۲ هم پایدار می‌شود.

خواص و کاربردهای گروه کربن:

• کربن در سه شکل آلوترپ شناخته‌شده وجود دارد: الماس، گرافیت و فولرن‌ها.
• زیربنای تمام ترکیبات آلی است؛ بدون آن، شیمی آلی و زندگی غیرممکن است.
• گرافیت رسانای الکتریسیته و الماس سخت‌ترین ماده طبیعی است.
• سیلیسیم در ساخت تراشه‌های الکترونیکی و سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود.
• ژرمانیوم در نیمه‌رساناها کاربرد دارد.
• قلع و سرب در ساخت آلیاژها، باتری‌ها و مواد ضدخوردگی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دوره جدول تناوبی

 به ردیف‌های افقی در جدول تناوبی که از چپ به راست می‌روند، دوره می‌گویند.

به این معنی که دارای خواص فیزیکی مشابهی هستند. در جدول تناوبی 7 دوره وجود دارد که دوره اول تنها 2 عنصر دارد. دوره‌ دوم و سوم شامل 8 عنصر هستند. دوره‌های 4 و 5 از 18 عنصر و دوره‌های 6 و 7 از 32 عنصر تشکیل شده‌اند.

عنصرهای شیمیایی به چند دسته تقسیم می‌شوند؟

به طور کلی تقسیم‌بندی  عناصر در جدول تناوبی به صورت زیر است:

فلزات

این دسته از عناصر خود به موارد زیر تقسیم می‌شوند:

فلزات قلیایی

 بیشتر عناصر گروه 1 جدول، در این دسته قرار می‌گیرند. این فلزات براق و نرم هستند. به طوری‌که می‌توان آن‌ها را با چاقو برش داد. همچنین از واکنش‌پذیری بالایی برخوردارند و ممکن است در اثر تماس با آب منفجر شوند. این دسته با لیتیوم شروع و با فرانسیوم تمام می‌شود.

فلزات قلیایی خاکی

این دسته از فلزات، در واقع همان گروه 2 جدول تناوبی است که از بریلیم تا رادیوم را شامل می‌شود. هر یک از این عناصر، 2 الکترون در بیرونی‌ترین سطح انرژی خود دارند و به ندرت به تنهایی در طبیعت یافت می‌شوند. واکنش‌پذیری این گروه نسبت به فلزات قلیایی کمتر و سرعت واکنش آن‌ها کندتر است؛ همچنین گرمای کمتری تولید می‌کنند.

فلزات واسطه

به طور کلی عناصری که اوربیتال d آن‌ها در جدول تناوبی در حال تکمیل است، با عنوان فلزات واسطه شناخته می‌شوند. این عناصر در بدنه جدول قرار دارند، شامل گروه‌های 3 تا 12 و همان فلزاتی هستند که با شنیدن این کلمه، در ذهن شما به تصویر کشیده می‌شوند؛ مانند طلا، آهن، نقره و …. برخی از ویژگی‌های آن‌ها عبارتند از:

• سخت
• چکش‌خوار
• براق
• دارای رسانایی خوب برای گرما و الکتریسیته
• نقطه ذوب و جوش بالا
• چگالی بالا

فلزات واسطه داخلی

در این دسته از فلزات، اوربیتال f و d در حال پر شدن است. این دسته از فلزات، خود به دو دسته مجزا تقسیم می‌شوند که جدا از جدول و در دو ردیف پایین قرار گرفته‌اند:

لانتانیدها

این دسته، از 15 عنصر فلزی با عدد اتمی 57 تا 71 تشکیل می‌شود. لانتانیدها با لانتانیم شروع و با لوتسیم تمام می‌شوند. رنگ آن‌ها سفید مایل به نقره‌ای است. اگر لانتانیدها در معرض هوا قرار بگیرند، تغییر رنگ داده و کدر می‌شوند. اصلی‌ترین ویژگی‌های این فلزات در ادامه معرفی شده‌اند:

• نرم هستند و سختی آن‌ها به ترتیب افزایش می‌یابد.
• مقاومت نسبتا بالایی دارند.
• لانتانیدها از قانون Oddo-Harkins پیروی می‌کنند. این قانون می‌گوید عناصر با اعداد فرد نسبت به همسایگان خود با اعداد زوج فراوانی کمتری دارند.
• دارای خواص مغناطیسی هستند.
• نقطه ذوب بسیار بالایی دارند.
• اگر با اکسیژن یا نیتروژن ترکیب شوند، شکننده می‌شوند.

اکتینیدها

اکتینیدها با اکتینیم شروع شده و با لارنسیم خاتمه می‌یابد. این دسته، از عنصر 89 شروع شده و تا 103 ادامه دارد. این نوع از فلزات واسطه داخلی به مقدار زیادی در طبیعت وجود ندارند و تنها دو عنصر توریم و اورانیوم به طور طبیعی و به مقدار قابل توجهی در زمین یافت می‌شوند. جالب توجه است که تمامی آن‌ها رادیو اکتیو هستند و میزان پرتوزایی بالایی دارند.

برخی اکتینیدها مانند اورانیوم و توریم از زمین استخراج می‌شوند و عناصری مانند پلوتونیوم در آزمایشگاه سنتز می‌شوند. خواص اکتینیدها، آن‌ها را از دیگر عناصر جدول تناوبی متمایز می‌سازد. ویژگی‌های برجسته این فلزات عبارتند از:

• نقره‌ای رنگ هستند.
• دارای انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری بالایی هستند.
• چگالی و وزن بالاتری نسبت به دیگر فلزات دارند.
• اگر در معرض هوا قرار بگیرند، به سرعت دچار زنگ‌زدگی و یا خوردگی می‌شوند.
• اکتینیدها در صورت رقیق شدن با اسیدها به گاز تبدیل می‌شوند.

فلزات پس واسطه

گروه 13 و 17 به همراه آلومینیوم، گالیم، ایندیم، تالیم، قلع، سرب و بیسموت فلزات پس واسطه را تشکیل می‌دهند. این عناصر، خواص فلزات واسطه را دارند اما نسبت به آن‌ها نرم‌تر هستند. همچنین رسانایی این عناصر ضعیف‌تر است.

متالوئیدها (شبه فلزات)

دسته‌ای از عناصر هستند که نه در دسته فلزات قرار می‌گیرند و نه در نافلزات، زیرا ویژگی‌های آن‌ها مشابه هیچ یک از این دو گروه نیست. در واقع متالوئیدها در حد وسط این دو دسته قرار دارند. می‌توان این دسته را نیمه فلزات نیز نامید. این عناصر در امتداد زیگزاگ یا پله عناصر در جدول تناوبی در قسمت بالای سمت راست متمرکز شده‌اند. برخی از متالوئیدها در ادامه معرفی می‌شوند:

سیلیسیم

سیلیسیم خالص در طبیعت، واکنش‌پذیری بالایی دارد. مشتقات این عنصر را می‌توان در ماسه‌ها، سنگ‌ها و خاک‌ها پیدا کرد. این عنصر رسانایی الکترونیکی ضعیفی دارد و از آن بیشتر در ساخت آلیاژها، شیشه، سرامیک و لعاب استفاده می‌شود.

• یک متالوئید معمولی است که مشابه فلزات، ظاهری درخشان دارد.
• شکننده است.
• به طور گسترده در تراشه‌های کامپیوتری کاربرد دارد.

بور

کریستالی فوق‌العاده سخت است که رنگ مشکی براق دارد و برای حیوانات غیرسمی است. جالب است بدانید که گیاهان برای رشد خود، به این متالوئید نیاز دارند. از بور به عنوان افزودنی برای سخت‌تر شدن فولاد و شیشه یا حتی در ترکیبات حشره‌کش‌ها استفاده می‌شود.

• بور در شکل کریستالی خود، غیرفعال است.
• در دمای اتاق، رسانای الکتریکی ضعیفی است؛ اما در دماهای بالا رسانایی خوبی دارد.
• در طبیعت آزاد نیست و به صورت اسید ارتوبوریک در برخی از مواد آتشفشانی یافت می‌شود.

آنتیموان

این عنصر دارای عدد اتمی 51 است که در آلیاژها و رنگ‌ها استفاده می‌شود.

• ظاهری مشابه فلزات و رنگی سفید مایل به نقره‌ای دارد.
• سخت و در عین حال شکننده است.
• رسانای الکتریکی ضعیف است اما در صورتی که دمای آن افزایش پیدا کند، رسانایی آن بهبود می‌یابد.

آرسنیک

این شبه‌ فلز تا 3 پیوند کووالانسی توانایی ترکیب شدن را دارد. از آرسنیک برای سخت شدن سرب و سایر آلیاژهای فلزی استفاده می‌شود.

• در هوای خشک، پایدار است اما در هوای مرطوب شروع به کدر شدن می‌کند.
• اگر در معرض گرما قرار بگیرد، به تری اکسید آرسنیک تبدیل می‌شود و بویی مشابه بوی سیر تولید می‌کند.
• اگر تا دمای 615 درجه سانتی‌گراد گرما ببیند، از فاز جامد به گاز تبدیل می‌شود.

نافلزات

این دسته، از گازهای بی‌رنگ تا جامدات براق و نسوز که نقطه ذوب بالایی دارند، تشکیل می‌شود. کربن، نیتروژن، فسفر، اکسیژن، گوگرد و سلنیوم به همراه هیدروژن این دسته را تشکیل می‌‌دهند. برخی از مشخصات فیزیکی آن‌ها:

• درخشندگی فلزات را دارند.
• شکنندگی آن‌ها بالا است.
• چگالی آن‌ها از فلزات کمتر و از غیر‌فلزات بیشتر است.
• رسانایی آن‌ها تحت تاثیر دما و ناخالصی متغیر است.

گازهای نجیب

گازهای نجیب یا بی‌اثر، بی‌رنگ و بی‌بو هستند و در گروه 18 جدول تناوبی قرار دارند. منظور از بی‌اثر این است که تمایلی به واکنش شیمیایی با دیگر عناصر ندارند و غیرقابل اشتعال هستند.

گازهای نجیب عبارتند از:

• هلیوم
• نئون
• آرگون
• کریپتون
• زنون
• رادون
• اوگانسون

تمامی این عناصر در دما و فشار معمولی گاز هستند اما از آن‌جا که اتم‌های کافی از اوگانسون وجود ندارد، حالت دقیق آن مشخص نیست. بیشتر دانشمندان معتقدند این عنصر مایع یا جامد است.

آرگون سومین گاز فراوان در جهان محسوب می‌شود. در حالی که نئون، کریپتون، هلیوم و زنون عناصری کمیاب در نظر گرفته می‌شوند.

بار عناصر جدول تناوبی

منظور از بار در جدول تناوبی عناصر، همان بار یونی آن‌ها می‌باشد. در واقع به تفاوت بین تعداد الکترون‌ها (بار منفی) و تعداد پروتون‌ها (بار مثبت) در یک اتم، بار گفته می‌شود. بار یک اتم در حالت طبیعی برابر با 0 است. این بار هسته‌ای موثر از چپ به راست در جدول تناوبی افزایش می‌یابد. در زیر با بار گروهای جدول تناوبی آشنا می‌شویم:

• گروه فلزات قلیایی: 1+
• گروه فلزات قلیایی خاکی: 2+
• گروه هالوژن: 1-
• گروه گازهای نجیب: 0

عناصر فلزی در جهت تبدیل شدن به گاز نجیب، الکترون‌های خود را از دست می‌دهند؛ در حالی که نافلزات برای رسیدن به ساختار گاز نجیب الکترون به دست می‌آورند. وقتی یک اتم، الکترون از دست می‌دهد، تعداد بار آن مثبت می‌شود و بر عکس، با جذب الکترون، بار آن منفی خواهد شد.

روندهای تناوبی در جدول مندلیف

الگوهایی در جدول تناوبی عناصر شیمیایی وجود دارند که باعث تغییر در خواص فیزیکی و شیمیایی عناصر در طول دوره‌ها و گروه‌ها می‌شوند. در واقع این روندها بر اساس تغییر در ساختار الکترونی و بار موثر هسته در عناصر شیمیایی به وجود می‌آیند. در ادامه به طور خلاصه به معرفی این الگوها می‌پردازیم:

روند الکترونگاتیوی

این روند در واقع به توانایی اتم در جذب الکترون و تشکیل پیوند کووالانسی اشاره دارد. لایه ظرفیت عناصری که در سمت چپ جدول تناوبی قرار گرفته‌اند، به گونه‌ای است که به انرژی کمتری برای از دست دادن الکترون نیاز دارد. در نتیجه روند الکترونگاتیوی در جدول تناوبی از چپ به راست افزایش پیدا می‌کند.

همچنین در هر گروه، این الگو از بالا به پایین روندی کاهشی دارد؛ زیرا عدد اتمی عناصر افزایش می‌یابد و به دنبال آن فاصله بین الکترون‌های ظرفیت و هسته بیشتر می‌شود.

روند خاصیت فلزی

خاصیت فلزی به معنای تمایل اتم به از دست دادن الکترون است. این ویژگی عناصر در هر دوره از راست به چپ به دلیل افزایش جاذبه بین هسته و الکترون ظرفیت، کاهش پیدا می‌کند. همچنین خاصیت فلزی عناصر در گروه‌های جدول از بالا به پایین افزایش می‌یابد؛ زیرا اندازه اتم‌ها بیشتر می‌شود.

روند انرژی یونش

به مقدار انرژی که هنگام جدا کردن الکترون از یک اتم خنثی مورد نیاز است، انرژی یونش می‌گویند. در هر دوره، از چپ به راست این انرژی افزایش پیدا می‌کند؛ این در حالی است که در گروه‌های جدول از بالا به پایین انرژی یونش کاهشی است.

روند الکترون‌خواهی

منظور از این روند، تمایل و ظرفیت یک اتم برای جذب الکترون است. روند الکترون خواهی مفهومی کمی دارد؛ در حالی که الگوی الکترونگاتیوی دارای مفهومی کیفی است. وقتی مقدار الکترون‌خواهی یک اتم منفی است، تمایل آن به پذیرش الکترون بیشتر است. در جدول تناوبی در هر دوره از چپ به راست، این روند افزایشی و در هر گروه از بالا به پایین کاهشی است.

روند شعاع اتمی

منظور از شعاع اتمی، فاصله بین هسته تا مرز ابرالکترونی اتم می‌باشد. در هر دوره از جدول تناوبی میزان شعاع اتمی کمتر می‌شود؛ به این معنا که هسته، الکترون‌ها را با شدت بیشتری می‌پذیرد. همچنین در هر گروه از بالا به پایین این روند افزایش می‌یابد.

روند نقطه ذوب

همان‌طور که می‌دانید، منظور از نقطه ذوب، دمایی است که یک ماده تغییر حالت داده و به مایع تبدیل می‌شود. پیوند قوی بین اتم‌ها باعث بالا رفتن این نقطه می‌شود. به طور کلی در جدول تناوبی فلزات نقطه ذوب بالاتری دارند.

تقسیم‌بندی عناصر بر اساس اوربیتال‌ها

در جدول تناوبی عناصر، اتم‌ها بر اساس ویژگی‌های الکترونی خود و با توجه به نوع اوربیتال‌های پرشده در لایه‌های الکترونی‌شان به چهار بلوک اصلی s،p ،d  و f تقسیم می‌شوند.

قبل از اینکه به بررسی بلوک‌های مختلف جدول بپردازیم، لازم است که درک مختصری از اوربیتال‌های اتمی داشته باشیم. اوربیتال‌های اتمی، نواحی فضای اطراف هسته اتم هستند که احتمال یافتن الکترون در آن‌ها زیاد است. هر اوربیتال دارای شکل خاصی می‌باشد و می‌تواند حداکثر دو الکترون را در خود جای دهد.

• اوربیتال s: شکل کروی دارد و در هر لایه انرژی فقط یک اوربیتال s وجود دارد.
• اوربیتال p: شکل دمبل دارد و در هر لایه انرژی از لایه دوم به بعد، سه اوربیتال p وجود دارد.
• اوربیتال d: شکل پیچیده‌تری دارند و در هر لایه انرژی از لایه سوم به بعد، پنج اوربیتال d وجود دارد.

• اوربیتال f: شکل بسیار پیچیده‌تری دارند و در هر لایه انرژی از لایه چهارم به بعد، هفت اوربیتال f وجود دارد.

بلوک‌های جدول تناوبی

در ادامه به توضیح هر بلوک و ویژگی‌های آن‌ها‌ می‌پردازیم:

بلوک s

عناصری که الکترون‌های آخرین لایه آن‌ها در اوربیتال‌های s قرار دارند، در این بلوک جای می‌گیرند. اوربیتال s می‌تواند حداکثر دو الکترون را در خود جای دهد، بنابراین گروه‌های این بلوک تنها دو ستون دارند:

گروه 1 که شامل فلزات قلیایی (مانند لیتیم و سدیم) می‌باشد و گروه 2 که شامل فلزات قلیایی خاکی (مانند منیزیم و کلسیم) است. هلیوم نیز در این بلوک قرار می‌گیرد. عناصر بلوک s به دلیل تعداد کم الکترون‌های موجود در لایه بیرونی، تمایل زیادی به واکنش‌پذیری دارند و به سادگی الکترون از دست می‌دهند. ویژگی‌های این عناصر به شرح زیر است:

• به طور کلی فلز هستند.
• بسیار واکنش‌پذیرند.
• شعاع اتمی بزرگی دارند.
• انرژی یونش کمی دارند.
• دارای الکترونگاتیوی کمی هستند.

بلوک p

عناصری که الکترون‌های آخرین لایه آن‌ها در اوربیتال‌های p قرار دارند، در این بلوک جای دارند. اوربیتال p می‌تواند تا 6 الکترون را در خود جای دهد، بنابراین این بلوک شامل شش گروه (13 تا 18) می‌باشد. در ادامه ویژگی‌های این بلوک را می‌بینیم:

• شامل گروه‌های بور، کربن، نیتروژن، اکسیژن، فلوئور، کلر و گازهای نجیب است.
• فلزات، نافلزات و شبه فلزات را در بر می‌گیرد.
• این عناصر خواص متنوعی دارند.
• الکترونگاتیوی آن‌ها از چپ به راست در یک دوره افزایش می‌یابد.

نافلزات بویژه گروه هالوژن‌ها، تمایل به دریافت الکترون دارند و واکنش‌پذیری بالایی از خود نشان می‌دهند، در حالی که گازهای نجیب با داشتن لایه کامل الکترونی تقریبا بدون ‌واکنش هستند.

بلوک d

عناصری که الکترون‌های آخرین لایه آن‌ها در اوربیتال‌های d قرار می‌گیرند، در این بلوک هستند. اوربیتال d می‌تواند تا 10 الکترون را در خود جای دهد، بنابراین این بلوک شامل ده گروه (3 تا 12) است.

این عناصر به دلیل ساختار الکترونی خاص، دارای ویژگی‌های رنگی، مغناطیسی و کاتالیستی خاص هستند، همچنین از ویژگی‌های مشترک آن‌ها می‌توان به توانایی تشکیل پیوندهای فلزی اشاره کرد. سایر ویژگی‌های این عناصر به شرح زیر است:

• شامل فلزات واسطه یا عناصر انتقالی مانند آهن، مس و طلا می‌شود.
• خواص مغناطیسی و کاتالیزوری خاصی دارند.
• تشکیل ترکیبات رنگی می‌دهند.

بلوک f

عناصری که الکترون‌های آخرین لایه آن‌ها در اوربیتال‌های f قرار دارند، در این بلوک جای می‌گیرند. اوربیتال f می‌تواند تا 14 الکترون را در خود جای دهد، بنابراین این بلوک شامل چهارده عنصر در هر دوره است: لانتانیدها (عناصر 58 تا 71) و اکتینیدها (عناصر 90 تا 103).

لانتانیدها و اکتینیدها به ترتیب در دوره‌های ششم و هفتم جدول قرار دارند و به نام عناصر خاکی کمیاب نیز شناخته می‌شوند. عناصر بلوک f معمولاً دارای خواص مغناطیسی و کاتالیستی بوده و اغلب پرتوزا هستند.

اهمیت تقسیم‌بندی بر اساس اوربیتال

درک بهتر ساختار اتم: این تقسیم‌بندی به ما کمک می‌کند تا ساختار الکترونی اتم‌ها را بهتر درک کنیم.

پیش‌بینی خواص عناصر: با دانستن بلوکی که یک عنصر در آن قرار دارد، می‌توان تا حد زیادی خواص شیمیایی و فیزیکی آن را پیش‌بینی کرد.

توجه داشته باشید که این تقسیم‌بندی به طور کلی برای درک بهتر خواص عناصر استفاده می‌شود، اما در برخی موارد، استثناهایی نیز وجود دارد. برای درک کامل‌تر خواص عناصر، باید به عوامل دیگری مانند اثر حفاظتی الکترون‌ها و قاعده هوند نیز توجه کرد.

عناصر پرتوزا در جدول تناوبی کدامند؟

عناصر پرتوزا، دسته‌ای از عناصر شیمیایی هستند که هسته‌های ناپایداری دارند و با گذشت زمان به عناصر دیگر تجزیه می‌شوند. این فرایند که همراه با انتشار پرتوهای آلفا، بتا یا گاما است، انرژی زیادی آزاد می‌کند. این عناصر به دلیل خواص پرتوزایی در زمینه‌های مختلفی از جمله تولید انرژی، پزشکی و تحقیقات علمی کاربرد دارند. در ادامه، با این عناصر و ویژگی‌های آن‌ها بیشتر آشنا می‌شویم:

اکتینیدها

اکتینیدها، گروهی از فلزات واسطه داخلی هستند که از عنصر اکتینیم (عدد اتمی ۸۹) شروع و با لارنسیم (عدد اتمی ۱۰۳) خاتمه می‌یابند. این عناصر در دو ردیف جداگانه در پایین جدول تناوبی قرار گرفته‌اند و همگی پرتوزا هستند. برخی از این عناصر به مقدار کمی در طبیعت یافت می‌شوند و برخی دیگر به ‌صورت مصنوعی در آزمایشگاه تولید می‌شوند.

اورانیوم (U)

یکی از شناخته‌شده‌ترین عناصر پرتوزا، اورانیوم است که در طبیعت به وفور یافت می‌شود. این فلز سنگین و نقره‌ای رنگ به دلیل تولید انرژی زیاد، یکی از منابع اصلی سوخت در نیروگاه‌های هسته‌ای است. همچنین در ساخت تسلیحات هسته‌ای نیز کاربرد دارد. اورانیوم به طور طبیعی در سنگ‌های معدنی یافت می‌شود.

توریم (Th)

توریم یکی دیگر از اکتینیدها است که به‌ صورت طبیعی در پوسته زمین یافت می‌شود. این عنصر نقره‌ای رنگ به دلیل پایداری نسبی و انرژی بالایی که تولید می‌کند، به عنوان جایگزینی برای اورانیوم در رآکتورهای هسته‌ای مورد تحقیق قرار گرفته است. توریم همچنین دارای نقطه ذوب بالایی است و به دلیل خواص پرتوزایی، در تولید انرژی هسته‌ای پتانسیل بالایی دارد.

پلوتونیوم (Pu)

پلوتونیوم عنصری مصنوعی است که در رآکتورهای هسته‌ای از اورانیوم تولید می‌شود. این فلز نقره‌ای مایل به خاکستری در ساخت تسلیحات هسته‌ای و نیروگاه‌های پیشرفته کاربرد دارد. پلوتونیوم به دلیل پرتوزایی شدید، یکی از خطرناک‌ترین عناصر پرتوزاست و استفاده از آن نیازمند مدیریت دقیق و رعایت استانداردهای ایمنی بالا است.

رادیم (Ra)

رادیم عنصری پرتوزا و نادر است که در گروه فلزات قلیایی خاکی قرار دارد. این فلز نقره‌ای رنگ و براق، در گذشته برای ساخت مواد شب‌نما مورد استفاده قرار می‌گرفت، اما به دلیل اثرات مضر پرتوزایی، کاربرد آن بسیار محدود شده است. رادیم به دلیل واکنش‌پذیری بالا در معرض هوا اکسید می‌شود و ترکیبات مختلفی تشکیل می‌دهد.

گازهای نجیب پرتوزا

برخی از گازهای نجیب نیز خاصیت پرتوزایی دارند و در دسته عناصر پرتوزا قرار می‌گیرند.

رادون (Rn)

رادون گازی بی‌رنگ، بی‌بو و پرتوزا است که از تجزیه اورانیوم و توریم در طبیعت به وجود می‌آید. این گاز، سنگین‌تر از هوا است و در محیط‌های بسته مانند معادن و ساختمان‌ها می‌تواند تجمع کرده و خطرات جدی سلامتی، به‌ویژه سرطان ریه، ایجاد کند. رادون در برخی از تحقیقات علمی و پزشکی نیز کاربرد دارد، اما به دلیل خطرات بالقوه، کنترل آن ضروری است.

فلزات واسطه پرتوزا

برخی از فلزات واسطه نیز به دلیل پرتوزایی خاص خود در این دسته قرار می‌گیرند.

تکنسیم (Tc)

تکنسیم اولین عنصر مصنوعی پرتوزا است که در طبیعت به مقدار بسیار کم یافت می‌شود. این عنصر بیشتر در آزمایشگاه تولید می‌شود و در پزشکی هسته‌ای برای تصویربرداری اندام‌ها کاربرد دارد. تکنسیم به دلیل خواص پرتوزایی و نیمه‌عمر مناسب، یکی از ابزارهای کلیدی در درمان و تشخیص بیماری‌ها است.

پروتاکتینیم (Pa)

پروتاکتینیم یکی دیگر از عناصر نادر و پرتوزا است که در کنار اورانیوم یافت می‌شود. این عنصر نقره‌ای رنگ، چگالی بالایی دارد و به دلیل کمیاب بودن، عمدتاً در تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پروتاکتینیم یکی از عناصری است که به صورت طبیعی در سنگ‌های معدنی خاص یافت می‌شود.

همچنین بخوانید: عنصر اوگانسون: جدیدترین عضو جدول تناوبی

10 واقعیت جالب درباره جدول تناوبی

برخی از نکات جالب توجه درباره جدول تناوبی به شرح زیر است:

• اگرچه اغلب، دمیتری مندلیف را به عنوان مخترع جدول تناوبی مدرن می‌شناسند، اما جدول او اولین جدولی نبود که عناصر را بر اساس ویژگی‌های دوره‌ای بررسی کرد.
• در جدول تناوبی حدود 94 عنصر موجود در طبیعت قرار دارد. بقیه عناصر، ساخته دست بشر است.
• عنصر تکنسیوم اولین عنصری بود که به صورت مصنوعی ساخته شد. تکنسیوم سبک‌ترین عنصری است که فقط ایزوتوپ‌های رادیواکتیو دارد.
• اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی، در دسامبر سال 2018 آخرین نسخه جدول تناوبی را بازبینی و تصویب کرد.
• بیشتر عناصر این جدول را فلزات تشکیل می‌دهند.
• جدول تناوبی کنونی 118 عنصر دارد. دانشمندان در حال کشف عناصر 119 و 120 هستند؛ بنابراین ظاهر این جدول در حال تغییر است. احتمالا عنصر 119 زیر فرانسیم و عنصر 120 دقیقا زیر رادیوم قرار می‌گیرد.
• شاید فکر کنید اتم‌های یک عنصر با افزایش عدد اتمی آن‌ها، بزرگ‌تر می‌شوند، اما همیشه این اتفاق نمی‌افتد؛ زیرا اندازه یک اتم با قطر پوسته الکترونی آن تعیین می‌شود.
• به دلیل ماهیت چرخه‌ای ایجاد شده توسط تناوب که نام جدول از آن گرفته شده است، برخی شیمیدانان ترجیح می‌دهند جدول مندلیف را به صورت دایره‌ای تجسم کنند.

سخن آخر

جدول تناوبی عناصر که یک فهرست جامع و کامل از عناصر شیمیایی موجود است، در طی زمان تغییر کرده و همچنان به‌روز‌رسانی می‌شود. از آن‌جا که این جدول، اطلاعات کامل عناصر را در اختیار ما قرار می‌دهد و می‌توان بر اساس آن، خواص عناصر را پیش‌بینی کرد، لازم است آن را دقیق‌تر بشناسیم. در این مقاله از پارس هوای البرز، سعی کردیم تا شما را با آخرین تغییرات این جدول و اصطلاحات کاربردی آن آشنا کنیم.