🗺️

Περιοδικός Πίνακας & Τομείς

Περίοδοι, ομάδες, τομείς s-p-d-f, στοιχεία μετάπτωσης

Πώς προβλέπεις ένα στοιχείο που κανείς δεν έχει δει;

Ο Mendeleev άφησε κενά στον πίνακά του (1869–1871) και περιέγραψε από πριν τα στοιχεία που έλειπαν. Για το «εκα-πυρίτιο» προέβλεψε ατομική μάζα περίπου $72$ — και το 1886 ανακαλύφθηκε το γερμάνιο, με ατομική μάζα περίπου $72{,}6$ . Σήμερα ξέρουμε γιατί δουλεύει αυτή η «μαγεία»: η θέση ενός στοιχείου βγαίνει κατευθείαν από την ηλεκτρονιακή του δομή.

Η δομή του περιοδικού πίνακα

Ο σύγχρονος περιοδικός πίνακας κατατάσσει τα στοιχεία κατά αύξοντα ατομικό αριθμό $Z$ σε 7 περιόδους (οριζόντιες) και 18 ομάδες (κατακόρυφες). Η θέση ενός στοιχείου προκύπτει άμεσα από την ηλεκτρονιακή του δομή:

Αριθμός περιόδου = ο μέγιστος κύριος κβαντικός αριθμός $n$ της δομής (η εξωτερική στιβάδα)
Ομάδα: καθορίζεται από το πλήθος και το είδος των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας (ηλεκτρόνια σθένους)

Στοιχεία της ίδιας ομάδας έχουν ανάλογη δομή εξωτερικής στιβάδας, γι' αυτό και παρόμοιες χημικές ιδιότητες.

Χρωμάτισε τα κελιά του πλέγματος και δες τον περιοδικό πίνακα να χωρίζεται σε τέσσερα ορθογώνια μπλοκ: αριστερά ο τομέας s (2 στήλες), δεξιά ο p (6 στήλες), στο κέντρο ο d (10 στήλες) και κάτω ο f (14 στήλες) — όσες και τα μέγιστα ηλεκτρόνια κάθε υποστιβάδας.

Ήξερες ότι;

Το 2016 πήραν επίσημα ονόματα τα στοιχεία με $Z = 113$ , $115$ , $117$ και $118$ ( $Nh$ , $Mc$ , $Ts$ , $Og$ ). Έτσι συμπληρώθηκε η 7η περίοδος: για πρώτη φορά κάθε θέση των επτά περιόδων του πίνακα αντιστοιχεί σε στοιχείο που έχει ανακαλυφθεί και ονομαστεί.

Οι τέσσερις τομείς

Τομέας = σύνολο στοιχείων των οποίων το τελευταίο ηλεκτρόνιο (κατά aufbau) μπαίνει στο ίδιο είδος υποστιβάδας:

Τομέας s (ομάδες 1, 2 και το He): δομή $ns^{1-2}$ — αλκάλια, αλκαλικές γαίες
Τομέας p (ομάδες 13–18): δομή $ns^2 np^{1-6}$ — εδώ τα αμέταλλα, τα αλογόνα, τα ευγενή αέρια
Τομέας d (ομάδες 3–12): δομή $(n-1)d^{1-10} ns^{0-2}$ — τα στοιχεία μετάπτωσης
Τομέας f: λανθανίδες και ακτινίδες

Εύρεση ομάδας: τομέας s → ομάδα = ηλεκτρόνια $ns$ . Τομέας p → ομάδα = 12 + ηλεκτρόνια $np$ . Τομέας d → ομάδα = ηλεκτρόνια $(n-1)d + ns$ .

Στοιχεία μετάπτωσης

Είναι όλα μέταλλα και ξεχωρίζουν γιατί: έχουν πολλούς αριθμούς οξείδωσης, σχηματίζουν έγχρωμες ενώσεις και ιόντα, είναι παραμαγνητικά (μονήρη d ηλεκτρόνια), σχηματίζουν σύμπλοκα ιόντα και πολλά δρουν ως καταλύτες (π.χ. Ni, Pt, Fe).

$\text{Περίοδος} = n_{max}, \qquad \text{Ομάδα: } s \to ns, \quad p \to 12 + np, \quad d \to (n-1)d + ns$

Κόλπο μνήμης

Το πλάτος κάθε τομέα είναι η χωρητικότητα της υποστιβάδας του: τομέας $s$ = 2 στήλες (αριστερά), $p$ = 6 στήλες (δεξιά), $d$ = 10 στήλες (στη μέση), $f$ = 14 (οι δύο σειρές κάτω από τον πίνακα). $2 - 6 - 10 - 14$ : ο πίνακας είναι «χτισμένος» από τα ηλεκτρόνια που χωρούν στα $s, p, d, f$ .

Μέθοδος: θέση στοιχείου στον περιοδικό πίνακα

Γράψε την ηλεκτρονιακή δομή (με τις εξαιρέσεις $Cr$ , $Cu$ ).
Περίοδος = ο μεγαλύτερος $n$ που εμφανίζεται.
Τομέας = η υποστιβάδα όπου μπήκε το τελευταίο ηλεκτρόνιο κατά aufbau ( $s$ , $p$ , $d$ , $f$ ).
Ομάδα: $s$ → πλήθος $ns$ ηλεκτρονίων· $p$ → $12 +$ πλήθος $np$ · $d$ → $(n-1)d + ns$ .
Αντίστροφο πρόβλημα (από θέση σε δομή): ξεκίνα από το ευγενές αέριο της προηγούμενης περιόδου και «γέμισε» μέχρι την ομάδα που δίνεται.

Άσκηση: Να βρεθεί η θέση στον περιοδικό πίνακα (περίοδος, ομάδα, τομέας) των στοιχείων $_{16}S$ και $_{25}Mn$ .

Λύση:

$S$ : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$ . Μέγιστο $n = 3$ → 3η περίοδος. Τελευταίο ηλεκτρόνιο σε p → τομέας p, ομάδα $12 + 4 =$ 16η (VIA).

$Mn$ : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^5\,4s^2$ . Μέγιστο $n = 4$ → 4η περίοδος. Τελευταίο ηλεκτρόνιο σε d → τομέας d (στοιχείο μετάπτωσης), ομάδα $5 + 2 =$ 7η (VIIB).

Άσκηση (αντίστροφη): Να βρεθεί ο ατομικός αριθμός του στοιχείου που βρίσκεται: (α) στην 4η περίοδο και 16η ομάδα, (β) στην 4η περίοδο και 6η ομάδα, (γ) στην 3η περίοδο και 2η ομάδα.

Λύση:

(α) Ομάδα 16 → τομέας $p$ με $16 - 12 = 4$ ηλεκτρόνια $4p$ . Στην 4η περίοδο πριν την $4p$ γεμίζουν $4s$ και $3d$ : $[Ar]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^4$ , άρα $Z = 18 + 10 + 2 + 4 = 34$ .

(β) Ομάδα 6 → τομέας $d$ με $(n-1)d + ns = 6$ . Κατά aufbau θα ήταν $3d^4\,4s^2$ , αλλά πρόκειται για το χρώμιο: $[Ar]\,3d^5\,4s^1$ . Και στις δύο γραφές $Z = 18 + 6 = 24$ .

(γ) Ομάδα 2, 3η περίοδος: $[Ne]\,3s^2$ , $Z = 12$ (μαγνήσιο).

Θέμα τύπου Πανελλαδικών: Το ιόν $\Sigma^{2+}$ έχει δομή $[Ar]\,3d^{10}$ , ενώ το στοιχείο $T$ έχει $Z = 35$ .

Ζητούμενα: (α) η θέση (περίοδος, ομάδα, τομέας) των $\Sigma$ και $T$ , (β) αν το $\Sigma$ εμφανίζει τις τυπικές ιδιότητες των στοιχείων μετάπτωσης, (γ) η δομή του σταθερού ιόντος του $T$ .

Λύση:

(α) Το $\Sigma$ έχει δύο ηλεκτρόνια περισσότερα από το $\Sigma^{2+}$ , στο $4s$ : $[Ar]\,3d^{10}\,4s^2$ , $Z = 30$ (ψευδάργυρος). Περίοδος 4, τομέας d, ομάδα $10 + 2 =$ 12.

$T$ : $[Ar]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^5$ . Περίοδος 4, τομέας p, ομάδα $12 + 5 =$ 17 (αλογόνο — το βρώμιο).

(β) Αν και ανήκει στον τομέα $d$ , το $\Sigma$ έχει πλήρη $3d^{10}$ ακόμη και στο ιόν του: δεν έχει μονήρη $d$ ηλεκτρόνια, δεν είναι παραμαγνητικό, δίνει άχρωμα ιόντα και εμφανίζει ουσιαστικά μόνο Α.Ο. $+2$ . Άρα δεν έχει τις τυπικές ιδιότητες μετάπτωσης.

(γ) Το $T$ συμπληρώνει την εξωτερική στιβάδα προσλαμβάνοντας ένα ηλεκτρόνιο: $T^-$ : $[Ar]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^6$ (δομή ευγενούς αερίου).

Απάντηση: $\Sigma$ : 4η περίοδος, ομάδα 12, τομέας $d$ · $T$ : 4η περίοδος, ομάδα 17, τομέας $p$ · $T^-$ με δομή $[Kr]$ .

Γρήγορος έλεγχος

Στοιχείο έχει δομή $[Ne]\,3s^2 3p^5$ . Πού βρίσκεται στον περιοδικό πίνακα;

Γρήγορος έλεγχος

Το στοιχείο με $Z = 20$ βρίσκεται:

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο από τα παρακάτω χαρακτηρίζει τα στοιχεία μετάπτωσης;

Γρήγορος έλεγχος

Στοιχείο έχει δομή $[Ar]\,3d^3\,4s^2$ . Σε ποια ομάδα ανήκει;

Γρήγορος έλεγχος

Σε ποιον τομέα ανήκει το $He$ ( $1s^2$ );

Πρόκληση

Φαντάσου ότι παρασκευάζονται τα στοιχεία με $Z = 119$ και $Z = 120$ . Αν ακολουθούν τη σειρά δόμησης, πού θα μπουν στον περιοδικό πίνακα; Και ποιο είναι το $Z$ του στοιχείου που βρίσκεται ακριβώς κάτω από το $_{16}S$ ;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

Το $_{118}Og$ κλείνει την 7η περίοδο ( $7p^6$ , ευγενές αέριο). Στη σειρά δόμησης μετά την $7p$ ακολουθεί η $8s$ . Άρα το $Z = 119$ : $[Og]\,8s^1$ → 8η περίοδος, 1η ομάδα, τομέας $s$ (αλκάλιο). Το $Z = 120$ : $[Og]\,8s^2$ → 8η περίοδος, 2η ομάδα.
Το $_{16}S$ : $[Ne]\,3s^2\,3p^4$ → 3η περίοδος, 16η ομάδα. Το στοιχείο από κάτω είναι στην 4η περίοδο, 16η ομάδα: $[Ar]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^4$ , άρα $Z = 18 + 10 + 2 + 4 = 34$ (σελήνιο, $Se$ ).

Παγίδα: στην 4η περίοδο παρεμβάλλονται τα 10 στοιχεία του τομέα $d$ — γι' αυτό από το $S$ στο $Se$ το $Z$ αυξάνεται κατά $18$ και όχι κατά $8$ .

Για θέση στον πίνακα μη μαθαίνεις απ' έξω: γράψε τη δομή, κοίτα ΠΟΥ μπήκε το τελευταίο ηλεκτρόνιο (τομέας), ΠΟΙΟ είναι το μέγιστο n (περίοδος) και μέτρησε ηλεκτρόνια σθένους (ομάδα).

Συνηθισμένα λάθη

Περίοδος = ηλεκτρόνια σθένους. Η περίοδος είναι ο μέγιστος $n$ , όχι πόσα ηλεκτρόνια έχει η εξωτερική στιβάδα.
Ομάδα $p$ = ηλεκτρόνια $p$ . Στον τομέα $p$ η ομάδα είναι $12 +$ τα $np$ ηλεκτρόνια ( $3p^5$ → ομάδα 17, όχι 5).
Ομάδα $d$ χωρίς τα $ns$ . $[Ar]\,3d^6\,4s^2$ → ομάδα $6 + 2 = 8$ .
Ξεχασμένη $3d$ στην 4η περίοδο. Μετά το $4s^2$ και πριν την $4p$ μπαίνουν 10 ηλεκτρόνια $3d$ — γι' αυτό το $Br$ έχει $Z = 35$ και όχι $25$ .

Σύνοψη — τι κρατάμε

7 περίοδοι, 18 ομάδες, κατάταξη κατά αύξοντα $Z$ · ίδια ομάδα ⇒ ανάλογη εξωτερική δομή ⇒ παρόμοιες ιδιότητες.
Περίοδος $= n_{max}$ · τομέας = υποστιβάδα του τελευταίου ηλεκτρονίου (aufbau).
Ομάδα: $s \to ns$ , $p \to 12 + np$ , $d \to (n-1)d + ns$ .
Τομέας $s$ : ομάδες 1, 2 (+ He)· $p$ : 13–18· $d$ : 3–12 (μετάπτωση)· $f$ : λανθανίδες, ακτινίδες.
Στοιχεία μετάπτωσης: μέταλλα, πολλοί Α.Ο., έγχρωμα ιόντα, παραμαγνητισμός, σύμπλοκα, καταλύτες.

Η δομή του περιοδικού πίνακα

Αριθμός περιόδου = ο μέγιστος κύριος κβαντικός αριθμός

n

της δομής (η εξωτερική στιβάδα)

Ομάδα: καθορίζεται από το πλήθος και το είδος των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας (ηλεκτρόνια σθένους)