Χημεία (Θετικής Κατεύθυνσης) - Βιβλίο Μαθητή
1.2 Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονικών ατόμων 1.4 Μεταβολή ορισμένων περιοδικών ιδιοτήτων Επιστροφή στην αρχική σελίδα του μαθήματος

1.3 Δομή περιοδικού πίνακα (τομείς s, p, d, f) - στοιχεία μετάπτωσης

Δομή του περιοδικού πίνακα σε σχέση με την ηλεκτρονιακή δόμηση των ατόμων

Είναι γνωστό από την Α΄ Λυκείου ότι η δομή του σύγχρονου περιοδικού πίνακα στηρίζεται στο νόμο περιοδικότητας του Moseley «η χημική συμπεριφορά των στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατομικού τους αριθμού» Εύκολα μπορεί κανείς να συσχετίσει την περιοδική κατάταξη των στοιχείων με την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους.
Ως παράδειγμα αναφέρουμε την ηλεκτρονιακή δόμηση του ατόμου του αζώτου 7N : 1s2 2s2 2p3
Το άζωτο ανήκει στη 2η περίοδο (οριζόντια στήλη) επειδή έχει τα ηλεκτρόνια του δομημένα σε δύο στιβάδες. Επίσης ανήκει στη VA ομάδα επειδή έχει 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι,
  • ο αριθμός των στιβάδων που έχουν χρησιμοποιηθεί για τη ηλεκτρονιακή δόμηση του ατόμου ενός στοιχείου καθορίζει τον αριθμό της περιόδου στην οποία ανήκει το στοιχείο.
  • ο αριθμός των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας (ηλεκτρόνια σθένους) καθορίζει τον αριθμό της ομάδας που ανήκει το στοιχείο.
Ωστόσο, το τελευταίο ισχύει μόνο για τα στοιχεία που ανήκουν στις Α ομάδες (πρωτεύουσες ομάδες) του περιοδικού πίνακα.

Τομείς του περιοδικού πίνακα

Mε βάση την ηλεκτρονιακή δομή και συγκεκριμένα τον τύπο της υποστιβάδας στην οποία ανήκει το τελευταίο ηλεκτρόνιο (με τη μεγαλύτερη ενέργεια, σύμφωνα με την αρχή ηλεκτρονιακής δόμησης) ο περιοδικός πίνακας μπορεί να διαιρεθεί σε τέσσερις τομείς s, p, d, f, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.5.
Για παράδειγμα το άζωτο, που έχει την ηλεκτρονιακή δομή 1s2 2s2 2p3, ανήκει στον τομέα p, επειδή το τελευταίο του ηλεκτρόνιο (αυτό με τη μεγαλύτερη ενέργεια) είναι στην υποστιβάδα p. Ανάλογα, ο 26Fe :1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 ανήκει στον τομέα d, επειδή το τελευταίο του ηλεκτρόνιο (με βάση τη σειρά δόμησης aufbau), είναι στην υποστιβάδα d. Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι,
  • Τομέας περιοδικού πίνακα είναι ένα σύνολο στοιχείων των οποίων τα άτομα έχουν τα τελευταία τους ηλεκτρόνια (με τη μεγίστη ενέργεια, σύμφωνα με την αρχή ηλεκτρονιακής δόμησης aufbau) στον ίδιο τύπο υποστιβάδας π.χ. s, p, d ή f.
Η διαίρεση αυτή του περιοδικού πίνακα σε τομείς δείχνει καθαρά τη σχέση που υπάρχει μεταξύ της ηλεκτρονιακής δομής του ατόμου ενός στοιχείου και της θέσης αυτού στον περιοδικό πίνακα.

Τομέας s: Ο τομέας s περιλαμβάνει δύο κύριες ομάδες (κατακόρυφες στήλες) του περιοδικού πίνακα Δηλαδή, την ομάδα των αλκαλίων (Na, K κλπ.) και την ομάδα των αλκαλικών γαιών (Ca, Mg κλπ.). Επιπλέον στον τομέα αυτό ανήκει το υδρογόνο. Η υποστιβάδα s έχει το πολύ δύο ηλεκτρόνια γι’ αυτό και ο τομέας s έχει δύο ομάδες. Οι ομάδες αυτές ονομάζονται:
με βάση τους τομείς :
με την κλασική αρίθμηση :
με τη νέα αρίθμηση ομάδων :
s1
ΙΑ
1
s2
ΙΙΑ
2

Τομέας p: Η υποστιβάδα p περιέχει το πολύ έξι ηλεκτρόνια γι’ αυτό και ο τομέας p περιλαμβάνει έξι κύριες ομάδες στοιχείων. Οι ομάδες αυτές είναι η ομάδα του βορίου, του άνθρακα, του αζώτου, του θείου, των αλογόνων και των ευγενών αερίων και μπορούν να ονομαστούν:
με βάση τους τομείς :
με την κλασική αρίθμηση :
με τη νέα αρίθμηση:
p1
ΙII
13
p2
VΙΑ
l4
p3

l5
p4
VΙΑ
l6
p5
VΙIΑ
l7
p6
VΙIIΑ ή 0
l8
Έτσι, το 7Ν :1s2 2s2 2p3 μπορούμε να πούμε ότι ανήκει στο τομέα p και στην ομάδα p3, ή VA ή 15.

Τομέας d: O τομέας d περιλαμβάνει στοιχεία των οποίων το τελευταίο ηλεκτρόνιο, κατά την ηλεκτρονιακή δόμηση των ατόμων τους, τοποθετείται σε υποστιβάδα d. Ο τομέας αυτός περιλαμβάνει τα στοιχεία μετάπτωσης. Η υποστιβάδα d χωράει 10 ηλεκτρόνια γι’ αυτό και ο τομέας d έχει 10 ομάδες (δευτερεύουσες ομάδες). Αυτές ονομάζονται:
με βάση τους τομείς :
με την κλασική αρίθμηση :
με τη νέα αρίθμηση:
d1
ΙIIB
3
d2
IVB
4
d3
VB
5
...
...
...
d10
IΙB
12
Δηλαδή, το άτομο του σιδήρου ανήκει στον τομέα d, επειδή με βάση την ηλεκτρονιακή δομή (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 ) το τελευταίο του ηλεκτρόνιο βρίσκεται στην υποστιβάδα d. Επίσης μπορούμε να πούμε, ότι ο σίδηρος ανήκει στην ομάδα d6 ή με βάση τον παλαιό τρόπο αρίθμησης των ομάδων στις τριάδες (VIIIB) ή με το νέο τρόπο αρίθμησης στην 8.

Τομέας f: Ο τομέας f περιλαμβάνει στοιχεία, των οποίων το τελευταίο ηλεκτρόνιο ανήκει σε υποστιβάδα f. Επειδή η υποστιβάδα f χωράει 14 ηλεκτρόνια, ο τομέας f περιλαμβάνει 14 ομάδες. Στον τομέα αυτό ανήκουν οι λανθανίδες, οι οποίες ανήκουν στην 6η περίοδο και περιλαμβάνουν στοιχεία με ατομικούς αριθμούς 58 -71 και οι ακτινίδες, οι οποίες ανήκουν στην 7η περίοδο και περιλαμβάνουν στοιχεία με ατομικούς αριθμούς 90-103.
εικόνα

ΣΧΗΜΑ 1.5 Διαίρεση περιοδικού πίνακα σε τομείς.

εικόνα

ΣΧΗΜΑ 1.6 Συσχέτιση της ηλεκτρονιακής δόμησης και της θέσης των στοιχείων στο περιοδικό πίνακα.
Στον τομέα s γίνεται πλήρωση της υποστιβάδας s , στον τομέα p πλήρωση μιας υποστιβάδας p κ.ο.κ.

Περιοδική τάση των στοιχείων

Κατά μήκος μιας περιόδου, ορισμένες ιδιότητες των στοιχείων και των ενώσεων τους μεταβάλλονται προοδευτικά. Όταν αλλάζουμε περίοδο, τα στοιχεία ή οι ενώσεις τους, που αντιστοιχούν στην ίδια ομάδα έχουν παραπλήσιες ιδιότητες. Αυτή η περιοδικότητα στις φυσικές και χημικές ιδιότητες παρουσιάζεται στους πίνακες που ακολουθούν, με αναφορά τα χλωρίδια και τα οξείδια των στοιχείων της 2ης και 3ης περιόδου (τους οποίους όμως δε χρειάζεται να απομνημονεύσεις).

ΠΙΝΑΚΑΣ 1.4 Χαρακτηριστικές ιδιότητες των χλωριδίων των στοιχείων της 2ης περιόδου (Li- Ne) και 3ης περιόδου (Na-Ar).
2η περίοδος Li Be B C N O F Ne
μοριακός τύπος LiCl BeCl2 BCl3 CCl4 NCl3 Cl2O FCl -
φυσική κατάσταση
( 20 ºC )
στερεό στερεό αέριο υγρό υγρό αέριο αέριο -
σημείο βρασμού
/ º C
1350 487 12 77 71 2 -101 -
3η περίοδος Na Mg Al Si P S Cl Ar
μοριακός τύπος NaCl MgCl2 Al2Cl6 SiCl4 PCl3 , PCl5 SCl2,
S2Cl2
Cl2 -
φυσική κατάσταση
( 20 ºC )
στερεό στερεό στερεό υγρό υγρό,
στερεό
υγρό,
υγρό
αέριο -
σημείο βρασμού
/ º C
1465 1418 423 57 74, 164 59, 138 -35 -


ΠΙΝΑΚΑΣ1.5 Χαρακτηριστικές ιδιότητες των οξειδίων των στοιχείων της 2ης περιόδου (Li- Ne) και 3ης περιόδου (Na-Ar).
2η περίοδος Li Be B C N O F Ne
μοριακός τύπος Li2Ο BeΟ B2Ο3 2, CO N2O, NO… O2 OF2 -
χημικός
χαρακτήρας
βάση επαμφ. όξινος όξινος όξινος - όξινος -
φυσική κατάσταση
( 20 oC )
στερεό στερεό στερεό αέριο αέριο αέριο αέριο -
3η περίοδος Na Mg Al Si P S Cl Ar
μοριακός τύπος Na2O MgO Al2O3 SiO2 P4O10 , P4O6 SO2, SO3 Cl2O -
χημικός χαρακτήρας βασικός βασικός επαμφ. όξινος όξινος όξινος όξινος -
φυσική κατάσταση
( 20 ºC )
στερεό στερεό στερεό στερεό στερεό αέριο
(υγρό)
αέριο -

Στοιχεία μετάπτωσης

Στην προηγούμενη ενότητα παρατηρήσαμε την περιοδική μεταβολή στην οποία υπόκεινται ορισμένες ιδιότητες των στοιχείων της 2ης και 3ης περιόδου. Οι δύο αυτοί περίοδοι περιέχουν αποκλειστικά και μόνο στοιχεία του s και p τομέα. Στην 4η, όμως, περίοδο εκτός από τα στοιχεία του τομέα s και p υπάρχουν και τα στοιχεία του d τομέα. Αν επικεντρωθούμε στις ιδιότητες των στοιχείων του τομέα d, παρατηρούμε ότι δεν παρουσιάζονται μεγάλες διαφορές μεταξύ των ιδιοτήτων τους. Αυτό συμβαίνει, γιατί κατά τη ηλεκτρονιακή δόμηση των στοιχείων αυτών, το τελευταίο ηλεκτρόνιο εισέρχεται σε εσωτερική υποστιβάδα, δηλαδή στην 3d, ενώ η 4η στιβάδα σε όλα σχεδόν αυτά τα στοιχεία παραμένει με δύο ηλεκτρόνια. Τα στοιχεία αυτά ονομάζονται στοιχεία μετάπτωσης. Δηλαδή,
  • Στοιχεία μετάπτωσης είναι τα στοιχεία που καταλαμβάνουν τον τομέα d του περιοδικού πίνακα.
Τα στοιχεία μετάπτωσης, που παρουσιάζουν ενδιαφέρον, βρίσκονται σε τρεις περιόδους και έτσι δημιουργούνται αντίστοιχα, οι τρεις σειρές των στοιχείων μετάπτωσης.
1η σειρά: στοιχεία 4ης περιόδου
2η σειρά: στοιχεία 5ης περιόδου
3η σειρά: στοιχεία 6ης περιόδου
Στα στοιχεία της 1ης σειράς (4ης περιόδου) γίνεται πλήρωση της 3d υποστιβάδας (η υποστιβάδα 4s είναι ήδη συμπληρωμένη γιατί έχει μικρότερη ενέργεια). Αναλογικά, στη 2η σειρά πληρώνεται η 4d υποστιβάδα, ενώ η 5s είναι συμπληρωμένη. Επίσης στη 3η σειρά πληρώνεται η 5d υποστιβάδα, ενώ η 6s είναι συμπληρωμένη

εικόνα
Τα στοιχεία μετάπτωσης, αν και ανήκουν σε διαφορετικές ομάδες, έχουν πολλές κοινές ιδιότητες, που συνοψίζονται παρακάτω:

-έχουν μεταλλικό χαρακτήρα
-έχουν πολλούς αριθμούς οξείδωσης
-είναι παραμαγνητικά
-σχηματίζουν σύμπλοκα ιόντα
-σχηματίζουν έγχρωμες ενώσεις
-έχουν την ικανότητα να καταλύουν αντιδράσεις

Οι ηλεκτρονιακές δομές και οι αριθμοί οξείδωσης των στοιχείων της 1ης σειράς παρουσιάζονται στους παρακάτω πίνακες.

ΠΙΝΑΚΑΣ1.6 Ηλεκτρονιακή δομή της 1ης σειράς των στοιχείων μετάπτωσης.
21Sc 1s2 2s2 2p63s2 3p6 3d1 4s2
22Ti [Ar] 3d2 4s2
23V [Ar] 3d3 4s2
24Cr [Ar] 3d5 4s1
25Mn [Ar] 3d5 4s2
26Fe [Ar] 3d6 4s2
27Co [Ar] 3d7 4s2
28Ni [Ar] 3d8 4s2
29Cu [Ar] 3d10 4s1
30Zn [Ar] 3d10 4s2

ΠΙΝΑΚΑΣ1.7 Αριθμοί οξείδωσης της 1ης σειράς των στοιχείων μετάπτωσης.
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn


+3


+3
+4

+2
+3
+4
+5

+2
+3


+6

+2
+3
+4

+6
+7

+2
+3

+2
+3

+2
+3
+1
+2
+3

+2