מה קורה לאטומים של יסודות במהלך תגובות כימיות? מהן התכונות של היסודות? ניתן לתת תשובה אחת לשתי השאלות הללו: הסיבה נעוצה במבנה רמת האנרגיה החיצונית של האטום. במאמרנו נשקול את המבנה האלקטרוני של אטומים של מתכות ולא-מתכות ונברר את הקשר בין מבנה המפלס החיצוני לתכונות היסודות.
מאפיינים מיוחדים של אלקטרונים
כאשר מתרחשת תגובה כימית בין מולקולות של שני ריאגנטים או יותר, מתרחשים שינויים במבנה של קליפות האלקטרונים של אטומים, בעוד הגרעינים שלהם נשארים ללא שינוי. ראשית, בואו נכיר את המאפיינים של אלקטרונים הממוקמים ברמות האטום המרוחקות ביותר מהגרעין. חלקיקים בעלי מטען שלילי מסודרים בשכבות במרחק מסוים מהגרעין וזה מזה. החלל מסביב לגרעין שבו יש סיכוי גבוה יותר להימצא אלקטרוניםנקרא מסלול אלקטרוני. כ-90% מענן האלקטרונים בעל המטען השלילי מתעבה בו. האלקטרון עצמו באטום מציג את תכונת הדואליות, הוא יכול להתנהג בו זמנית הן כחלקיק והן כגל.
כללים למילוי מעטפת האלקטרונים של אטום
מספר רמות האנרגיה שבהן נמצאים החלקיקים שווה למספר התקופה שבה נמצא היסוד. מה מעיד ההרכב האלקטרוני? התברר שמספר האלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית עבור יסודות s-ו-p של תת-הקבוצות העיקריות של תקופות קטנות וגדולות מתאים למספר הקבוצה. לדוגמה, לאטומי ליתיום מהקבוצה הראשונה, שיש להם שתי שכבות, יש אלקטרון אחד בקליפה החיצונית. אטומי גופרית מכילים שישה אלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה, שכן היסוד נמצא בתת-הקבוצה הראשית של הקבוצה השישית וכו'. אם אנחנו מדברים על יסודות d, אז קיים עבורם הכלל הבא: מספר החלקיקים השליליים החיצוניים הוא 1 (עבור כרום ונחושת) או 2. זה מוסבר על ידי העובדה שככל שהמטען של גרעין האטומים גדל, תתמלא תחילה תת-ה-d הפנימית ורמות האנרגיה החיצוניות נשארות ללא שינוי.
מדוע המאפיינים של אלמנטים של תקופות קטנות משתנות?
במערכת המחזורית, נקודות 1, 2, 3 ו-7 נחשבות קטנות. שינוי חלק בתכונות היסודות עם עליית מטענים גרעיניים, החל ממתכות פעילות וכלה בגזים אינרטיים, מוסבר על ידי עלייה הדרגתית במספר האלקטרונים ברמה החיצונית. היסודות הראשונים בתקופות כאלה הם אלה שבאטומים שלהם יש רק אחד אושני אלקטרונים שיכולים להתנתק בקלות מהגרעין. במקרה זה, נוצר יון מתכת טעון חיובי.
יסודות אמפוטרים, כגון אלומיניום או אבץ, ממלאים את רמות האנרגיה החיצוניות שלהם בכמות קטנה של אלקטרונים (1 לאבץ, 3 לאלומיניום). בהתאם לתנאי התגובה הכימית, הם יכולים להפגין הן את המאפיינים של מתכות והן לא-מתכות. יסודות לא מתכתיים של תקופות קטנות מכילים בין 4 ל-7 חלקיקים שליליים על הקליפות החיצוניות של האטומים שלהם ומשלימים אותו לשמינייה, מושכים אלקטרונים מאטומים אחרים. לדוגמה, לא-מתכת עם אינדקס האלקטרושליליות הגבוה ביותר - פלואור, יש 7 אלקטרונים בשכבה האחרונה ותמיד לוקח אלקטרון אחד לא רק ממתכות, אלא גם מיסודות לא מתכתיים פעילים: חמצן, כלור, חנקן. תקופות קטנות מסתיימות, כמו גם גדולות, בגזים אינרטיים, שלמולקולות המונטומיות שלהם יש רמות אנרגיה חיצוניות מושלמות עד 8 אלקטרונים.
תכונות של המבנה של אטומים בתקופות גדולות
אפילו שורות של 4, 5 ו-6 תקופות מורכבות מיסודות שהקליפות החיצוניות שלהם יכולות להכיל רק אלקטרוני אחד או שניים. כפי שאמרנו קודם, הם ממלאים את תת-רמות d- או f- של השכבה הלפני אחרונה באלקטרונים. בדרך כלל אלו מתכות אופייניות. התכונות הפיזיקליות והכימיות שלהם משתנות לאט מאוד. שורות מוזרות מכילות אלמנטים כאלה, שבהם רמות האנרגיה החיצוניות מלאות באלקטרונים לפי הסכמה הבאה: מתכות - יסוד אמפוטרי - לא מתכות - גז אינרטי.כבר ראינו את ביטויו בכל התקופות הקטנות. לדוגמה, בסדרה אי-זוגית של 4 תקופות, נחושת היא מתכת, אבץ הוא אמפוטרן, ואז מגאליום לברום, תכונות לא מתכתיות משופרות. התקופה מסתיימת בקריפטון, שלאטומים שלו יש מעטפת אלקטרונים מלאה לחלוטין.
איך להסביר את חלוקת האלמנטים לקבוצות?
כל קבוצה - ויש שמונה מהן בצורה הקצרה של הטבלה, מחולקת גם היא לתת-קבוצות, הנקראות ראשיות ומשניות. סיווג זה משקף את המיקומים השונים של אלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית של אטומי היסודות. התברר כי היסודות של תת-הקבוצות העיקריות, למשל, ליתיום, נתרן, אשלגן, רובידיום וצסיום, האלקטרון האחרון ממוקם על תת-רמת ה-s. אלמנטים של קבוצה 7 של תת-הקבוצה הראשית (הלוגנים) ממלאים את תת-ה-p שלהם בחלקיקים שליליים.
לנציגים של תת-קבוצות משניות, כגון כרום, מוליבדן, טונגסטן, מילוי תת-ה-d באלקטרונים יהיה אופייני. ועבור היסודות הכלולים במשפחות של לנתנידים ואקטינידים, הצטברות של מטענים שליליים מתרחשת בתת-רמת f של רמת האנרגיה הלפני אחרונה. יתרה מכך, מספר הקבוצה, ככלל, עולה בקנה אחד עם מספר האלקטרונים המסוגלים ליצור קשרים כימיים.
במאמר שלנו, גילינו איזה מבנה יש לרמות האנרגיה החיצוניות של אטומים של יסודות כימיים, וקבענו את תפקידם באינטראקציות בין-אטומיות.
