8.1: التصنيف الدوري للعناصر

يرتب الجدول الدوري الذرات بناءً على زيادة العدد الذري بحيث تتكرر العناصر ذات الخصائص الكيميائية نفسها بشكل دوري. عند إضافة التوزيع الإلكتروني الخاص بهم إلى الجدول، تتم ملاحظة تكرار دوري للتكوينات الإلكترونية المشابهة في الغلافات الخارجية لهذه العناصر. نظراً لأنها تقع في الغلافات الخارجية للذرة، تلعب إلكترونات التكافؤ الدور الأكثر أهمية في التفاعلات الكيميائية. تتمتع الإلكترونات الخارجية بأعلى طاقة للإلكترونات في الذرة، كما أنها تفقد أو تتقاسمها بسهولة أكبر من الإلكترونات الأساسية. كما أن إلكترونات التكافؤ هي العامل المحدد في بعض الخصائص الفيزيائية للعناصر.

تُعرف الصفوف الأفقية بالفترات الزمنية. على مدار فترة، يكون لكل عنصر متتابع بروتون إضافي في النواة وإلكترون إضافي لقشرة التكافؤ. الأعمدة العمودية هي مجموعات. تحتوي العناصر الموجودة في أي مجموعة (أو عمود) على نفس عدد إلكترونات التكافؤ (الشكل 1)؛ ويحتوي كل من الليثيوم وصوديوم المعادن القلوية على إلكترون تكافؤ واحد فقط، بينما تحتوي كل من المعادن الأرضية القلوية البريليوم والماغنسيوم على اثنين، وتحتوي الهالوجينات الفلورية والكلور على سبعة إلكترونات تكافؤ.  إن فقدان إلكترونات التكافؤ أو اكتسابها أو مشاركتها هو الذي يحدد كيفية تفاعل العناصر. يحدث التشابه في الخواص الكيميائية بين عناصر نفس المجموعة لأن لها نفس عدد إلكترونات التكافؤ.  

ومن المهم أن نتذكر أن الجدول الدوري قد وضع على أساس السلوك الكيميائي للعناصر، قبل أن تتوفر أي فكرة عن تركيبتها الذرية بوقت طويل. والآن يتم فهم ترتيب الجدول الدوري؛ العناصر التي تحتوي ذراتها على نفس عدد إلكترونات التكافؤ موجودة في نفس المجموعة. توضح الأقسام الملونة في الشكل 1 الفئات الثلاث للعناصر المصنفة حسب المدارات التي يتم ملؤها.

الشكل 1: يوضح هذا الإصدار من الجدول الدوري تكوين كل عنصر. لاحظ أن التكوين غالباً ما يكون متشابهاً مع كل مجموعة.

تسمى عناصر المجموعة الرئيسية أحياناً عناصر تمثيلية. هذه هي العناصر التي يدخل فيها آخر إلكترون مضاف إلى مدار s أو p في الغلاف الأبعد، الموضحة باللون الأزرق والأحمر في الصورة 1. تتضمن هذه الفئة جميع العناصر غير المعدنية، بالإضافة إلى المعادن المعدنية والعديد من المعادن. إلكترونات التكافؤ لعناصر المجموعة الرئيسة هي تلك التي لها أعلى مستوى n. على سبيل المثال، يحتوي الجاليوم (Ga، العدد الذري 31) على تكوين الإلكترونات [Ar]4s²3d¹⁰4p¹، الذي يحتوي على ثلاثة إلكترونات تكافؤ (تحته خط). يتم حساب المدارات d المملوءة بالكامل كإلكترونات أساسية وليس تكافؤ.

يتألف العمودان أقصى اليسار من s-كتلة، وتشكل الأعمدة الستة أقصى اليمين p-كتلة. تحتوي الغازات النبيلة، التي هي جزء من p-كتلة، على ثمانية إلكترونات تكافؤ باستثناء الهيليوم، الذي يحتوي على اثنين. وهذه العناصر مستقرة إلى حد كبير وغير تفاعلية.

العناصر الانتقالية أو المعادن الانتقالية: هذه هي العناصر المعدنية التي يدخل فيها الإلكترون الأخير إلى مدار d. تتضمن إلكترونات التكافؤ (التي تتم إضافتها بعد آخر تكوين للغاز النبيل) في هذه العناصر الكترونات ns و (n – 1) d. يحدد التعريف الرسمي لعناصر الانتقال الخاصة بـ IUPAC بأنها ذات المدارات d المملوءة جزئيًا. وبالتالي، فإن العناصر التي تحتوي على مدارات ممتلئة تماماً (Zn وCd وHg، بالإضافة إلى Cu وAg وAu في الشكل 1) ليست تقنياً عناصر انتقال. ومع ذلك، يتم استخدام المصطلح بشكل متكرر للإشارة إلى المجموعة d بأكملها (باللون الأصفر في الشكل 1).

تتكون d-كتلة من 10 أعمدة. العدد الكمي الرئيسي للمدارات d التي تملأ عبر كل صف يساوي رقم الصف ناقص واحد. في الصف الرابع، يتم ملء المدارات 3d، وفي الصف الخامس، يتم ملء مدارات 4d، وهكذا.

عناصر الانتقال الداخلية: تظهر باللون الأخضر في الصورة 1. تتكون أغلفة التكافؤ للعناصر الانتقالية الداخلية من أغلفة (n – 2)f, the (n – 1)d, و ns. تشكل عناصر الانتقال الداخلي لـ f-كتلة عندما يدخل الإلكترون الأخير إلى المدار f. العدد الكمي الرئيسي للمدارات f التي تملأ عبر كل صف يساوي رقم الصف ناقص اثنين. في الصف السادس، تملأ المدارات 4f وفي الصف السابع، يتم ملء المدارات 5f. توجد سلسلتان انتقاليتان داخليتان:

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

يتم تضمين لانثانيوم وأكتينيوم، نظراً لأوجه الشبه مع أعضاء السلسلة الآخرين، ويتم استخدامهما لتسمية السلسلة، على الرغم من أنهما معدلان انتقاليان بدون إلكترونات f.

هذا النص مقتبس من OpenStax Chemistry 2e, Section 6.4: Electronic Structure of Atoms.

الإلكترونات التي تحتل الغلاف الخارجي للذرة،هي إلكترونات التكافؤ،بينما الإلكترونات التي تحتل مستويات الطاقة الرئيسية الداخلية،هي الإلكترونات الأساسية. ذرة الصوديوم،ذات التكوين الإلكترون 3s1،لها ثلاثة مستويات طاقة رئيسية. مستويات الطاقة الرئيسية الداخلية الكاملة مع 2s22p6 تشير إلى وجود عشرة إلكترونات أساسية،متبوعة بمستوى خارجي ثالث،يحتوي على الإلكترون المتبقي.

لذلك يحتوي الصوديوم على إلكترون تكافؤ واحد. وبالمثل،يحتوي الكلور على عشرة إلكترونات أساسية وسبعة إلكترونات تكافؤ. إلكترونات التكافؤ هي الأبعد عن النواة ويكون بقاؤهم بشكل متباعد.

وبالتالي،فهي الأسهل في الخسارة أو المشاركة،وتلعب دور مهم في الترابط الكيميائي. العناصر التي لها نفس عدد إلكترونات التكافؤ،تظهر خصائص كيميائية مماثلة،كما يتضح من الترتيب في الجدول الدوري الحديث. لعناصر المجموعة الرئيسية،رقم المجموعة المكوّن بحروف يساوي عدد إلكترونات التكافؤ ورقم الصف يساوي أعلى رقم كم رئيسي لهذا العنصر.

كل عنصر في المجموعة له نفس عدد الإلكترونات المتاح للترابط. أسفل المجموعة،الرقم الكمي الرئيسي يزيد بمقدار واحد،في حين أن عدد إلكترونات التكافؤ يبقى على حاله. العمودين في أقصى اليسار من الجدول الدوري يشكلان s-block.

بالنسبة لهذه العناصر،يدخل الإلكترون الأخير إلى المدار s. عناصر المجموعة الأولى،باستثناء الهيدروجين،تسمى الفلزات القلوية وهي شديدة التفاعل لأنها لديها إلكترون تكافؤ واحد فقط. عناصر المجموعة الثانية هي معادن الأرض القلوية مع إلكترونين في غلاف التكافؤ.

تشكل الأعمدة الستة في أقصى اليمين الكتلة p-block. غلاف التكافؤ لهذه العناصر يحتل المدار s بالكامل ويدخل آخر إلكترون المدار p. من المجموعة الثالثة A إلى المجموعة الثامنة A،يزيد عدد الإلكترونات في المدارات p بمقدار واحد.

تحتوي الغازات النبيلة على ثمانية إلكترونات تكافؤ باستثناء الهيليوم،الذي ينتمي إلى s-block،وله إلكترونان فقط. تتكون d-block من عشرة أعمدة موضوعة بين s-blockو p-block. يشار إلى هذه العناصر على أنها معادن انتقالية.

يدخل آخر إلكترون إلى المدار d للغلاف الرئيسي رقم واحد أقل من رقم الصف. في الصف الرابع،تملأ ثلاثي مدارات و في الصف الخامس،تملأ أربعة مدارات d،وهكذا. تشكل عناصر الانتقال الداخلي f-block ولديها آخر إلكترون يدخل المدار f.

العدد الكمي الرئيسي للمدارات f التي تملأ عبر كل صف أقل بمقدار اثنين من رقم الصف. في الصف السادس،تملأ مدارات f الأربعة،وفي الصف السابع،تملأ خمسة مدارات f. يتم ترتيب عناصر الانتقال الداخلي في سلسلة اللانثانيدات وسلسلة الأكتينيدات.

عدد الأعمدة في كل block يشير إلى عدد الإلكترونات التي يمكن ملؤها في المستوى الفرعي ل block. يرتبط عمودين في s-block بالمدار s و له إلكترونان،بينما تمثل ستة أعمدة في p-block ثلاثة مدارات p،بها ستة إلكترونات،بينما تتوافق عشرة أعمدة في الكتلة d،مع خمسة مدارات d مع إلكترونين لكل منهما. أخيرًا،تتكون الكتلة f من أربعة عشر عمودًا توضح السعة القصوى لسبعة مدارات f.