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

Δομή του περιοδικού πίνακα σε σχέση με την ηλεκτρονιακή δόμηση

Η δομή του σύγχρονου περιοδικού πίνακα στηρίζεται στο νόμο περιοδικότητας του Moseley:

Νόμος περιοδικότητας (Moseley)

Η χημική συμπεριφορά των στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατομικού τους αριθμού.

Η μεγάλη επιτυχία της κβαντομηχανικής θεωρίας είναι ότι η περιοδική κατάταξη των στοιχείων συνδέεται άμεσα με την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων τους. Με άλλα λόγια, η περιοδικότητα των ιδιοτήτων των στοιχείων αντανακλά την περιοδικότητα που χαρακτηρίζει την ηλεκτρονιακή δόμηση. Έτσι, γνωρίζοντας πώς δομείται ηλεκτρονιακά ένα άτομο, μπορούμε να «χτίσουμε» μόνοι μας τον περιοδικό πίνακα.

Παράδειγμα: το άζωτο

Ας δούμε την ηλεκτρονιακή δόμηση του ατόμου του αζώτου $_7\text{N}$ :

_7\text{N}: 1s^2\, 2s^2\, 2p^3

Παρατηρούμε δύο πράγματα:

Το άζωτο ανήκει στη 2η περίοδο (οριζόντια σειρά), επειδή έχει τα ηλεκτρόνιά του δομημένα σε δύο στιβάδες (τη $n=1$ και τη $n=2$ ).
Το άζωτο ανήκει στην ομάδα VA, επειδή έχει 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα ( $2s^2\,2p^3$ ).

Από το παράδειγμα αυτό προκύπτουν δύο θεμελιώδεις κανόνες:

Σχέση θέσης - ηλεκτρονιακής δομής

Ο αριθμός των στιβάδων που έχουν χρησιμοποιηθεί για την 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 στην οποία ανήκει το στοιχείο.

Προσοχή στον δεύτερο κανόνα

Ο κανόνας «ηλεκτρόνια εξωτερικής στιβάδας = αριθμός ομάδας» ισχύει μόνο για τα στοιχεία των Α ομάδων (πρωτεύουσες ομάδες) του περιοδικού πίνακα. Δεν εφαρμόζεται απευθείας στις Β ομάδες (στοιχεία μετάπτωσης).

Τομείς του περιοδικού πίνακα

Με βάση την ηλεκτρονιακή δομή και συγκεκριμένα τον τύπο της υποστιβάδας στην οποία ανήκει το τελευταίο ηλεκτρόνιο (αυτό με τη μεγαλύτερη ενέργεια, σύμφωνα με την αρχή ηλεκτρονιακής δόμησης / αρχή aufbau), ο περιοδικός πίνακας μπορεί να διαιρεθεί σε τέσσερις τομείς: s, p, d και f.

Ορισμός — Τομέας περιοδικού πίνακα

Τομέας του περιοδικού πίνακα είναι ένα σύνολο στοιχείων των οποίων τα άτομα έχουν τα τελευταία τους ηλεκτρόνια (με τη μέγιστη ενέργεια, σύμφωνα με την αρχή ηλεκτρονιακής δόμησης aufbau) στον ίδιο τύπο υποστιβάδας, π.χ. s, p, d ή f.

Για παράδειγμα:

Το άζωτο $_7\text{N}: 1s^2\,2s^2\,2p^3$ ανήκει στον τομέα p, επειδή το τελευταίο του ηλεκτρόνιο (αυτό με τη μεγαλύτερη ενέργεια) βρίσκεται σε υποστιβάδα p.
Ο σίδηρος $_{26}\text{Fe}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^6\,4s^2$ ανήκει στον τομέα d, επειδή το τελευταίο του ηλεκτρόνιο (με βάση τη σειρά δόμησης aufbau) βρίσκεται σε υποστιβάδα d.

Η διαίρεση αυτή σε τομείς δείχνει καθαρά τη σχέση που υπάρχει μεταξύ της ηλεκτρονιακής δομής του ατόμου ενός στοιχείου και της θέσης του στον περιοδικό πίνακα.

Πού βρίσκεται κάθε τομέας στον πίνακα

Δες το Σχήμα 6.5 της ενότητας 6.3 του σχολικού βιβλίου («Διαίρεση περιοδικού πίνακα σε τομείς»). Σε λόγια:

Ο τομέας s είναι η πιο αριστερή στενή λωρίδα (δύο στήλες) + το υδρογόνο.
Ο τομέας p είναι το δεξί μπλοκ του πίνακα (έξι στήλες).
Ο τομέας d είναι το μεγάλο κεντρικό μπλοκ (δέκα στήλες) ανάμεσα στον τομέα s και τον τομέα p.
Ο τομέας f είναι οι δύο ξεχωριστές σειρές (δεκατέσσερις στήλες) που τοποθετούνται κάτω από τον κυρίως πίνακα (λανθανίδες και ακτινίδες).

Τομέας s

Ο τομέας s περιλαμβάνει δύο κύριες ομάδες (κατακόρυφες στήλες): την ομάδα των αλκαλίων (Na, K κ.λπ.) και την ομάδα των αλκαλικών γαιών (Ca, Mg κ.λπ.). Επιπλέον, στον τομέα αυτό ανήκει και το υδρογόνο. Η υποστιβάδα s χωράει το πολύ 2 ηλεκτρόνια, γι' αυτό και ο τομέας s έχει δύο ομάδες.

Με βάση τους τομείς	Κλασική αρίθμηση	Νέα αρίθμηση
$s^1$	ΙΑ	1
$s^2$	ΙΙΑ	2

Τομέας p

Η υποστιβάδα p χωράει το πολύ 6 ηλεκτρόνια, γι' αυτό και ο τομέας p περιλαμβάνει έξι κύριες ομάδες στοιχείων: την ομάδα του βορίου, του άνθρακα, του αζώτου, του χαλκογόνου, των αλογόνων και των ευγενών αερίων.

Με βάση τους τομείς	Κλασική αρίθμηση	Νέα αρίθμηση
$p^1$	ΙΙΙΑ	13
$p^2$	ΙVΑ	14
$p^3$	VΑ	15
$p^4$	VΙΑ	16
$p^5$	VΙΙΑ	17
$p^6$	VΙΙΙΑ ή 0	18

Έτσι, για το άζωτο $_7\text{N}: 1s^2\,2s^2\,2p^3$ μπορούμε να πούμε ότι ανήκει στον τομέα p και στην ομάδα $p^3$ , δηλαδή VA ή 15.

Τομέας d

Ο 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, Β).

Με βάση τους τομείς	Κλασική αρίθμηση	Νέα αρίθμηση
$d^1$	ΙΙΙΒ	3
$d^2$	ΙVΒ	4
$d^3$	VΒ	5
...	...	...
$d^{10}$	ΙΙΒ	12

Για παράδειγμα, το άτομο του σιδήρου ανήκει στον τομέα d, αφού με βάση την ηλεκτρονιακή δομή $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^6\,4s^2$ το τελευταίο του ηλεκτρόνιο βρίσκεται στην υποστιβάδα d. Ο σίδηρος ανήκει στην ομάδα $d^6$ , δηλαδή (παλιά αρίθμηση, στις τριάδες) στην VIIIB ή (νέα αρίθμηση) 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, της 6ης περιόδου, με ατομικούς αριθμούς 58–71·
οι ακτινίδες, της 7ης περιόδου, με ατομικούς αριθμούς 90–103.

Κύριες και δευτερεύουσες ομάδες

Οι τομείς s και p συγκροτούν τις κύριες ομάδες (Α) του περιοδικού πίνακα.
Οι τομείς d και f συγκροτούν τις δευτερεύουσες ομάδες (Β) του περιοδικού πίνακα.

Στο Σχήμα 6.6 της ενότητας 6.3 του βιβλίου φαίνεται η συσχέτιση της ηλεκτρονιακής δόμησης με τη θέση των στοιχείων: στον τομέα s γίνεται πλήρωση της υποστιβάδας s, στον τομέα p πλήρωση μιας υποστιβάδας p, και ούτω καθεξής.

Περιοδική τάση των στοιχείων

Κατά μήκος μιας περιόδου, ορισμένες ιδιότητες των στοιχείων και των ενώσεών 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 χαρακτηριστικά στα χλωρίδια και τα οξείδια των στοιχείων της 2ης και 3ης περιόδου.

Δε ζητείται απομνημόνευση

Οι παρακάτω πίνακες των χλωριδίων και οξειδίων (Πίνακες 6.4 και 6.5 του βιβλίου) δίνονται μόνο για να αναδείξουν την περιοδική τάση. Δε χρειάζεται να τους απομνημονεύσεις — αρκεί να κατανοήσεις τη λογική της προοδευτικής μεταβολής.

Ενδεικτικά, παρατηρείται μεταβολή στη φυσική κατάσταση (από στερεό προς υγρό και αέριο καθώς προχωράμε προς τα δεξιά) και στον χημικό χαρακτήρα των οξειδίων: από βασικός στα αριστερά (π.χ. $\text{Na}_2\text{O}$ ), σε επαμφοτερίζων στο μέσο (π.χ. $\text{Al}_2\text{O}_3$ ), και σε όξινος στα δεξιά (π.χ. $\text{SO}_2,\ \text{SO}_3$ ).

Στοιχεία μετάπτωσης

Η 2η και η 3η περίοδος περιέχουν αποκλειστικά στοιχεία των τομέων s και p. Στην 4η περίοδο, όμως, εκτός από τα στοιχεία των τομέων s και p, εμφανίζονται για πρώτη φορά και τα στοιχεία του τομέα d.

Αν επικεντρωθούμε στις ιδιότητες των στοιχείων του τομέα d, παρατηρούμε ότι δεν παρουσιάζονται μεγάλες διαφορές μεταξύ τους. Αυτό συμβαίνει γιατί, κατά την ηλεκτρονιακή δόμηση των στοιχείων αυτών, το τελευταίο ηλεκτρόνιο εισέρχεται σε εσωτερική υποστιβάδα (στην $3d$ ), ενώ η 4η στιβάδα σε όλα σχεδόν αυτά τα στοιχεία παραμένει με δύο ηλεκτρόνια ( $4s^2$ ). Δηλαδή η εξωτερική στιβάδα μένει σχεδόν αμετάβλητη, γι' αυτό και οι ιδιότητες είναι παρόμοιες.

Ορισμός — Στοιχεία μετάπτωσης

Στοιχεία μετάπτωσης είναι τα στοιχεία που καταλαμβάνουν τον τομέα d του περιοδικού πίνακα.

Παλιός vs σύγχρονος ορισμός

Παλιότερα ονόμαζαν στοιχεία μετάπτωσης όλα τα στοιχεία των τομέων d και f. Σήμερα έχει καθιερωθεί να ονομάζουμε στοιχεία μετάπτωσης αποκλειστικά τα στοιχεία του τομέα d. Τα στοιχεία του τομέα f αποτελούν τα στοιχεία εσωτερικής μετάπτωσης (λανθανίδες και ακτινίδες).

Στοιχεία εσωτερικής μετάπτωσης (λανθανίδες - ακτινίδες)

Τα στοιχεία του τομέα f ονομάζονται στοιχεία εσωτερικής μετάπτωσης:

Τα στοιχεία του τομέα f της 6ης περιόδου ονομάζονται λανθανίδες, από το όνομα του πρώτου από αυτά, το λανθάνιο $_{57}\text{La}$ .
Τα στοιχεία του τομέα f της 7ης περιόδου ονομάζονται ακτινίδες, από το όνομα του πρώτου από αυτά, το ακτίνιο $_{89}\text{Ac}$ .

Οι τρεις σειρές των στοιχείων μετάπτωσης

Τα στοιχεία μετάπτωσης που παρουσιάζουν ενδιαφέρον βρίσκονται σε τρεις περιόδους, σχηματίζοντας αντίστοιχα τρεις σειρές:

Σειρά	Περίοδος	Πληρώνεται η υποστιβάδα	Είναι ήδη συμπληρωμένη
1η σειρά	4η περίοδος	$3d$	$4s$
2η σειρά	5η περίοδος	$4d$	$5s$
3η σειρά	6η περίοδος	$5d$	$6s$

Σε κάθε σειρά, η υποστιβάδα ns είναι ήδη συμπληρωμένη (επειδή έχει μικρότερη ενέργεια), και το τελευταίο ηλεκτρόνιο τοποθετείται στην εσωτερική υποστιβάδα (n−1)d.

Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 6.7 του βιβλίου, τα στοιχεία μετάπτωσης βρίσκονται ανάμεσα στους τομείς s και p, γι' αυτό και οι ιδιότητές τους βρίσκονται κάπου μεταξύ των ιδιοτήτων των δύο αυτών τομέων.

Κοινές ιδιότητες των στοιχείων μετάπτωσης

Τα στοιχεία μετάπτωσης, αν και ανήκουν σε διαφορετικές ομάδες, έχουν πολλές κοινές ιδιότητες:

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

Τι σημαίνει παραμαγνητισμός

Παραμαγνητικές είναι οι ουσίες που έλκονται από το μαγνητικό πεδίο. Τα άτομα ή ιόντα αυτών των ουσιών περιέχουν ένα ή περισσότερα μονήρη (μοναχικά) ηλεκτρόνια.

Ηλεκτρονιακή δομή της 1ης σειράς (4η περίοδος)

Στον παρακάτω πίνακα δίνονται οι ηλεκτρονιακές δομές των στοιχείων της 1ης σειράς. Το $[\text{Ar}]$ συμβολίζει τη δομή του αργού $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6$ .

Στοιχείο	Δομή (μετά τον κορμό)
$_{21}\text{Sc}$	$[\text{Ar}]\,3d^1\,4s^2$
$_{22}\text{Ti}$	$[\text{Ar}]\,3d^2\,4s^2$
$_{23}\text{V}$	$[\text{Ar}]\,3d^3\,4s^2$
$_{24}\text{Cr}$	$[\text{Ar}]\,3d^5\,4s^1$
$_{25}\text{Mn}$	$[\text{Ar}]\,3d^5\,4s^2$
$_{26}\text{Fe}$	$[\text{Ar}]\,3d^6\,4s^2$
$_{27}\text{Co}$	$[\text{Ar}]\,3d^7\,4s^2$
$_{28}\text{Ni}$	$[\text{Ar}]\,3d^8\,4s^2$
$_{29}\text{Cu}$	$[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1$
$_{30}\text{Zn}$	$[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^2$

Η ιδιομορφία του Cr και του Cu

Στις δομές του χρωμίου $_{24}\text{Cr}: [\text{Ar}]\,3d^5\,4s^1$ και του χαλκού $_{29}\text{Cu}: [\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1$ η υποστιβάδα 4s χάνει ένα ηλεκτρόνιο και μένει με ένα μονήρες ηλεκτρόνιο. Αυτό συμβαίνει επειδή η εικόνα της ημισυμπληρωμένης $3d^5$ ή της συμπληρωμένης $3d^{10}$ υποστιβάδας παρουσιάζει μέγιστη σταθερότητα.

Αριθμοί οξείδωσης της 1ης σειράς

Στοιχείο	Αριθμοί οξείδωσης
Sc	+3
Ti	+3, +4
V	+2, +3, +4, +5
Cr	+2, +3, +6
Mn	+2, +3, +4, +6, +7
Fe	+2, +3
Co	+2, +3
Ni	+2, +3
Cu	+1, +2, +3
Zn	+2

Sc και Zn: «καταχρηστικά» στοιχεία μετάπτωσης

Πολλοί θεωρούν ότι το Sc και ο Zn ονομάζονται στοιχεία μετάπτωσης καταχρηστικά, γιατί έχουν έναν μόνο αριθμό οξείδωσης (+3 και +2 αντίστοιχα) και δε σχηματίζουν άλατα με χαρακτηριστικά χρώματα.

Κανόνες εύρεσης θέσης στοιχείου από την ηλεκτρονιακή δομή

Συνοψίζοντας, για να βρούμε τη θέση ενός στοιχείου στον περιοδικό πίνακα από την ηλεκτρονιακή του δομή, ακολουθούμε τα εξής βήματα:

Βήματα εύρεσης θέσης

Περίοδος → ο μεγαλύτερος κύριος κβαντικός αριθμός n (αριθμός στιβάδων) που εμφανίζεται στη δομή.
Τομέας → ο τύπος της υποστιβάδας του τελευταίου ηλεκτρονίου (s, p, d ή f) με βάση τη σειρά δόμησης aufbau.
Ομάδα:
- Για τομείς s και p (κύριες ομάδες Α): ο αριθμός της ομάδας προκύπτει από τα ηλεκτρόνια σθένους (εξωτερική στιβάδα). Π.χ. $ns^a\,np^b \Rightarrow$ ομάδα $(a+b)$ Α.
- Για τον τομέα d (δευτερεύουσες ομάδες Β): η ομάδα προκύπτει από τα ηλεκτρόνια της υποστιβάδας $(n-1)d$ μαζί με τα $ns$ .

Παράδειγμα συνολικής εφαρμογής: για τον σίδηρο $_{26}\text{Fe}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^6\,4s^2$ :

μεγαλύτερο $n = 4$ → 4η περίοδος·
τελευταίο ηλεκτρόνιο σε υποστιβάδα d → τομέας d (στοιχείο μετάπτωσης)·
ομάδα $d^6$ → VIIIB (κλασικά) ή 8 (νέα αρίθμηση).