החוק המחזורי והטבלה המחזורית

נכתב ע"י alexL בו', 12/28/2018 - 19:50

בשנת 1882 הוענק פרס של החברה המלכותית בלונדון על גילוי החוק המחזורי לשני כימאים, יוליוס פון מייר (Julius von Meyer) ודימיטרי מנדלייב (Dimitri Mendeleyev). עד סוף חייהם המשיכו השניים להתווכח, מי היה הראשון שגילה את החוק ועד היום יש חילוקי דעות לגבי זה. לא ניכנס לוויכוח ארוך זה, פשוט נשוב ונדגיש כי החוק המחזורי, אם גולה ע''י פון מייר ואם ע''י מנדלייב, גרם למהפכה אמיתית בכימיה של המחצית השנייה של המאה התשע-עשרה. ומה שהכי מרתק הוא שלאף אחד מהשניים לא היה מושג, מהו הבסיס והכוח המניע של החוק המחזורי. רק כעבור חמישים שנה התברר, כי תכונות כימיות של יסוד נובעות מהמבנה האלקטרוני שלו והחוק המחזורי מאפשר להציג את המבנה האלקטרוני בצורה נוחה מאוד.

מנדלייב ופון מייר סידרו את היסודות שהיו אז ידועים, לפי מסתם האטומית. וראו כי בסדרה הארוכה (של 63 יסודות) שהתקבלה, נצפית מחזוריות בתכונות היסודות. והציגו את המחזוריות הזו בצורת טבלה, כך שיסודות בעלי תכונות דומות יהיו באותו טור. וזה הכול. מאז הצליחו למצוא את הקשר בין תופעת המחזוריות למבנה אטומי, גילו עוד כחמישים יסודות, שינו ושיפרו את צורת התצוגה של הטבלה המחזורית, היא צורת הביטוי הגרפית של החוק המחזורי, וכל אלה הפכו את הטבלה המחזורית לכלי עבודה הראשון והרגיל של כימאים וחוקרי חומרים.

למרות שלטבלה המחזורית יש הרבה צורות קצת שונות, הדברים העיקריים בה לא משתנים. ניקח אחת הצורות הנפוצות שלה וננסה להכיר אותה (קליק על התמונה יפתח חלון חדש עם תמונה גדולה):

הטבלה המחזורית

כל יסוד מוצג בטבלה במשבצת. בכל משבצת ניתנים:

- סימן כימי של היסוד (בכל גרסה של הטבלה).

- שם היסוד באנגלית (כמעט בכל גרסה) ובעברית (לעתים רחוקות).

- מספר שלם הקרוי מספר אטומי או מספר סידורי (בכל גרסה).

- מספר עם שבר המייצג את המסה האטומית בתערובת האיזוטופים הטבעית של היסוד (ברוב הגרסאות). עבור יסודות מלאכותיים נתונה מסה אטומית של האיזוטופ היציב ביותר ואז היא נתונה בתור מספר שלם בסוגריים.

- מספר עם שבר בצבע כחול מסמן את האלקטרושלישליות של היסוד (חסר ברוב הגרסאות של הטבלה, וחבל).

בגרסה שלי מסומנת כל משפחת יסודות המאחדת יסודות בעלי דמיון כימי מסוים, בצבע אחר. חוץ מזה, יסודות הקיימים בתנאים תקניים (טמפרטורה של 0oC ולחץ אטמוספרי) במצבי צבירה שונים, מסומנים בצבעים שונים.

 

האינפורמציה שבטבלה המחזורית, מיוצגת לא רק במשבצת של יסוד אלא גם במיקום של המשבצת בטבלה.

הטבלה מורכבת משבע שורות הקרויות מחזורים. במחזור הראשון נמצאים יסודות שיש להם רק רמה אלקטרונית אחת, לכן במחזור הראשון יש שני יסודות בלבד. לכל היסודות במחזור השיני יש שתי רמות אלקטרוניות וכו'.

כל טור שבטבלה נקרא קבוצה. לפי המקובל ב-International Union for Pure and Applied Chemistry) IUPAC), ממוספרות הקבוצות ברצף מ-1 עד 18. לפי שיטה אחרת, יותר מסורתית ויותר דומה לטבלאות של מנדלייב ושל פון מייר, מחולקת כל קבוצה לשתי תתי קבוצות, A (תת-קבוצה ראשית) ו-B (תת-קבוצת-משנה). שיטה זו מסומנת בטבלה ע''י ספרות רומיות כפי שזה מקובל ב-Chemical Abstracts Service) CAS).

 

על מנת להתמצא במבנה אטום של יסוד מסוים יש לזכור מספר כללים:

  1. מספר רמות אלקטרוניות שווה למספר המחזור שבו נמצא היסוד.
  2. קיבול מקסימלי של כל רמה אלקטרונית נקבע לפי הנוסחה n=2N2, כאשר N הוא מספר הרמה ו-n הוא הקיבול המקסימלי. אומנם רק שתי הרמות הראשונות מתמלאות במלואן לפני תחילת מילוי הרמה הבאה (כפי שראינו את זה במילוי אלקטרונים של יסודות קלים). החל מהרמה השלישית מתרחש המילוי במספר רמות במקביל בהתאם לאנרגיה של תתי-רמות. לפי כך, קודם קובעים לפי הטבלה המחזורית (ראה בהמשך) את מספר האלקטרונים ברמה החיצונית ואחרי כן מחשבים את האכלוס של רמות פנימיות.
  3. מספר אלקטרונים ברמה חיצונית נקבע בהתאם לכללים הבאים:
    1. למתכות מעבר וליסודות-f (כלומר ליסודות של תתי-קבוצות B לפי CAS) ברמה החיצונית נמצאים 2 אלקטרונים, למעט חמשת היסודות הבאים: Cu נחושת, Ag כסף, Au זהב (שלושתם מתת-קבוצת IB לפי CAS), כרום Cr ומוליבדנום Mo (תת-קבוצת VIB לפי CAS), אשר לאלה ברמה החיצונית יש אלקטרון אחד בלבד.
    2. עבור היסודות של תתי-קבוצות A לפי CAS מספר האלקטרונים החיצוניים שווה למספר הקבוצה.