GCH1_007 הטבלה המחזורית והקונפיגורציה של האטום

הטבלה המחזורית

בערך בשנת 1920, נילס בוהר, החל לקשר בין הקונפיגורציה האלקטרונית של יסודות לטבלה המחזורית. הוא שם לב כי יסודות באותה קבוצה בטבלה המחזורית בעלי קונפיגורציה אלקטרונית דומה.

לשורות בטבלה אנו קוראים מחזורים, ולעמודות בטבלה אנו קוראים קבוצות.

גזים אצילים

ליסודות בעלי קליפה סגורה (כלומר, שהקליפה שלהם מלאה באלקטרונים) ישנם תכונות כימיות דומות, להם קוראים גזים אצילים - היסודות בעמודה האחרונה בטבלה. תכונה נוספת שלהם היא שהם גזים מונו-אטומיים (כלומר, לא מולקולריים כמו , אלא באים ביחידות של אטומים), שלא נוטים להגיב בתגובות כימיות.

דוגמאות לגזים אצילים:

• הליום -
• ניאון -
• ארגון -

יסודות בגוש ה- נוטים לאבד מספר אלקטרונים כדי שתהיה להם קונפיגורציה אטומית של גז אציל - כיוון שזוהי קונפיגורציה יציבה - קשה מאוד לשנות אותה:

רדיוס אטומי

קשה להגדיר רדיוס אטומי. ידוע שככל שמתרחקים מהגרעין, הסיכוי למצוא אלקטרון קטן. אבל בשום מקום הסתברות זו יורדת לאפס. כלומר, אין גבול מדויק לאטום. ניתן להגדיר רדיוס אטומי אפקטיבי שהוא המרחק מהרדיוס בו מכלל המטען החשמלי נמצא.
אבל, אנו יכולים למדוד רק את המרחק בין שני גרעינים שכנים. למרות שמרחק מדיד זה משתנה בין אם האטומים מקושרים כימית או רק נוגעים אחד בשני ללא יצירת קשר כימי, אנו נגדיר את הרדיוס כמרחק זה - מרחק בין גרעיני.

עבור קשרים כימיים שונים, יש ליסוד רדיוסים אטומיים שונים.

עבור כל עמודה בטבלה, במורדה, ככל ש- גדל, כך גם הרדיוס האטומי שלה, כיוון שאלקטרונים בעלי אנרגיה יותר גבוה יותר רחוקים מהגרעין.

עבור כל שורה בטבלה, האלקטרונים מתווספים לאותה קליפה (אותו ה-, אך מכיוון שמתווספים פרוטונים כח המשיכה לגרעין גדל רדיוס האטום קטן.

אם נצייר את גרף של רדיוס האטום מול המספר האטומי שלו, נקבל:

מה גורם לקפיצות הקטנות האלו? אין לי שמץ, זה לא בחומר.

אנרגיית יינון

אנרגיית יינון () היא האנרגיה המינימלית הדרושה להוצאת אלקטרון מאטום הנמצא במצב גזי. כתוצאה נוצר קטיון.

בנוסף, אנרגיית יינון ראשונה (), היא האנרגיה המינימלית הדרושה כדי להוציא אלקטרון ממצבו הניטרלי (ניטרלי מטענית, כלומר מספר הפרוטונים = למספר האלקטרונים).

אנרגיית יינון שנייה (), היא האנרגיה המינימלית הדרושה כדי להוציא אלקטרון מאטום עם מטען . באופן דומה עבור , וכו’.

ככל שרדיוס האטום גדל, אנרגיית היינון קטנה.

כיוון שהם כה יציבים, יותר אנרגיה דרושה ליינן גזים אצילים מאשר יסודות שבאים מייד אחריהם.

כל אנרגיית יינון היא גדולה בהרבה מהאנרגיית יינון הקודמת לה. למשל, עבור מגנזיום (), ביינון השני, האלטרון צריך “לברוח” מקטיון עם מטען , (). יותר אנרגיה מאשר היינון השני, בו האלקטרון “בורח” מקטיון עם מטען .

ניתן לראות קפיצה משמעותית באנרגיית היינון ברגע שיסוד התיינן עד לקונפיגורציה אלקטרונית דמוית גז אציל - יינון של אטום זה ידרוש הרבה יותר אנרגיה בשל יציבות קונפיגורציה זו.

אם נביט בטבלה ובגרף נשים לב כי ישנם יוצאי דופן בנטייה של אנרגיות יינון לגדול עם הקטנת הרדיוס האטומי:

• מגנזיום ואלומיניום: ציפינו כי של להיות גדולה מזו של . ההפך מתקיים כי מאבד אלקטרון מ-. עם זאת, מאבד אלקטרון מ-:
  
  לתת-קליפה רמת אנרגיה נמוכה מזו של התת קליפה . לכן נצפה שיידרש יותר אנרגיה להוציא אלקטרון מאורביטל (ככל שהאנרגיה של האלקטרון נמוכה יותר, כך קשה יותר להוציא אותו).

• זרחן וגופרית: לזרחן () תת קליפה חצי מלאה (), ואילו לגופרית () אלקטרון אחד נוסף (). אצל גופרית, ישנה דחייה קטנה בין שני האלקטרונים ב- שבאותו אורביטל, מה שמאפשר יינון יותר “קל” של גופרית מאשר זרחן.

זיקה אלקטרונית

****************זיקה אלקטרונית () היא האנרגיה הנפלטת או נקלטת כאשר אטום בפאזה גזית מקבל אלקטרון. כתוצאה נוצר אניון.

למשל, המשוואה התרמוכימית להוספת אלקטרון לאטום פלואור () היא:

נשים לב כי תהליך זה הוא אקסותרמי, כלומר, אנרגיה משתחררת כאשר אטום מקבל אלקטרון. ניתן גם להגדיר את הזיקה האלקטרונית כשינוי באנתלפיה, , שמתרחשת כאשר אטום (בפאזה גזית) מקבל אלקטרון. עבור אטום , זיקתו היא שלילית.

ניתן גם לחשוב על זיקה אלקטרונית כהנטיה לאטום ניטרלי לקבל אלקטרון.

הזיקה האלקטרונית של יסודות שונים.

נשים לב כי לאלקטרונים בטור ה-7 (או 17), ישנה זיקה אלקטרונית “חזקה”, שמתבטאת בערכי נמוכים. בנוסף, לגזים האצילים אין זיקה לקבל אלקטרון, כיוון שאז האלקטרון יהיה חייב להיכנס לאוריבטל ריק. אותו דבר נכון עבור הטור ה-2, שבהם האלקטרון יהיה חייב להיכנס לאורביטל ריק.

כאשר מדובר על הוספת אלקטרון שני לאטום אל-מתכתי, נראה זיקה אלקטרונית חיובית. האלקטרון השני שמתווסף, מצטרף לאטום שהוא כבר לא ניטרלי, אלא שלילי. ישנו כוח דחייה חזק בין היון (האטום השלילי) לאלקטרון שמתווסף, ולכן כתוצאה האנרגיה של המערכת גדלה (היא כעת פחות יציבה).
אז למשל, עבור חמצן (), הזיקה האלקטרון הראשונה היא שלילית, אך השנייה חיובית:

כלומר, היון הגזי מאוד נדיר. יון זה יכל להתקיים אך רק בתרכובות יונים, כמו בהן היווצרות היון נתמכת ע”י תהליכים אחרים שמאפרשים זאת מבחינה אנרגטית.