Χημεία (Γ Γενικού Λυκείου - Ομάδα Προσ/σμού Θετικών Σπουδών και Σπουδών Υγείας): Ηλεκτρονικό Βιβλίο

(6.3) 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 2^η 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 6.5.
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:

• Η ηλεκτρονιακή δομή αποτελεί τη βάση του περιοδικού πίνακα, καθώς η περιοδικότητα των ιδιοτήτων των στοιχείων αντανακλά την περιοδικότητα που χαρακτηρίζει την ηλεκτρονιακή δόμηση. Τώρα, δηλαδή, που γνωρίζουμε πως δομείται ηλεκτρονιακά ένα άτομο εύκολα μπορούμε δομήσουμε (να φτιάξουμε από μόνοι μας) τον περιοδικό πίνακα.

με βάση τους τομείς :
με την κλασική αρίθμηση :
με τη νέα αρίθμηση:

p¹
ΙII
13

p²
VΙΑ
l4

p³
VΑ
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 6^η περίοδο και περιλαμβάνουν στοιχεία με ατομικούς αριθμούς 58 -71 και οι ακτινίδες, οι οποίες ανήκουν στην 7^η περίοδο και περιλαμβάνουν στοιχεία με ατομικούς αριθμούς 90-103.
εικόνα

ΣΧΗΜΑ 6.5 Διαίρεση περιοδικού πίνακα σε τομείς.

• Οι τομείς s και p συγκροτούν τις κύριες ομάδες του περιοδικού πίνακα, ενώ οι τομείς d και f τις δευτερεύουσες ομάδες του περιοδικού πίνακα.

ΣΧΗΜΑ 6.6 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 2^ης και 3^ης περιόδου (τους οποίους όμως δε χρειάζεται να απομνημονεύσεις).

ΠΙΝΑΚΑΣ 6.4 Χαρακτηριστικές ιδιότητες των χλωριδίων των στοιχείων της 2ης περιόδου (Li- Ne) και 3^ης περιόδου (Na-Ar).

2^η 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	-
3^η 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	-

ΠΙΝΑΚΑΣ 6.5 Χαρακτηριστικές ιδιότητες των οξειδίων των στοιχείων της 2^ης περιόδου (Li- Ne) και 3^ης περιόδου (Na-Ar).

2^η περίοδος	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne
μοριακός τύπος	Li₂Ο	BeΟ	B₂Ο₃	CΟ₂, CO	N₂O, NO…	O₂	OF₂	-
χημικός χαρακτήρας	βάση	επαμφ.	όξινος	όξινος	όξινος	-	όξινος	-
φυσική κατάσταση ( 20 ^oC )	στερεό	στερεό	στερεό	αέριο	αέριο	αέριο	αέριο	-
3^η 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 2^ης και 3^ης περιόδου. Οι δύο αυτοί περίοδοι περιέχουν αποκλειστικά και μόνο στοιχεία του s και p τομέα. Στην 4^η, 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 4^η 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.
1^η σειρά: στοιχεία 4^ης περιόδου
2^η σειρά: στοιχεία 5^ης περιόδου
3^η σειρά: στοιχεία 6^ης περιόδου
Στα στοιχεία της 1^ης σειράς (4^ης περιόδου) γίνεται πλήρωση της 3d υποστιβάδας (η υποστιβάδα 4s είναι ήδη συμπληρωμένη γιατί έχει μικρότερη ενέργεια). Αναλογικά, στη 2^η σειρά πληρώνεται η 4d υποστιβάδα, ενώ η 5s είναι συμπληρωμένη. Επίσης στη 3^η σειρά πληρώνεται η 5d υποστιβάδα, ενώ η 6s είναι συμπληρωμένη

εικόνα

• Παλιότερα ονόμαζαν στοιχεία μετάπτωσης όλα τα στοιχεία του τομέα d και του τομέα f. Σήμερα έχει καθιερωθεί να ονομάζουμε στοιχεία μετάπτωσης αποκλειστικά τα στοιχεία του τομέα d.Τα στοιχεία του τομέα f της 6^ης περιόδου ονομάζονται λανθανίδες από το όνομα του πρώτου από αυτά που είναι το λανθάνιο (₅₇La) και τα στοιχεία του τομέα f της 7^ης περιόδου ονομάζονται ακτινίδες από το όνομα του πρώτου από αυτά που είναι το ακτίνιο (₈₉Ac).

ΣΧΗΜΑ 6.7 Τα στοιχεία μετάπτωσης βρίσκονται ανάμεσα στους τομείς s και p γι’ αυτό και οι ιδιότητες τους βρίσκονται μεταξύ των ιδιοτήτων των δύο αυτών τομέων.

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 1^ης σειράς παρουσιάζονται στους παρακάτω πίνακες.

ΠΙΝΑΚΑΣ 6.6 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

ΠΙΝΑΚΑΣ 6.7 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

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

• Να παρατηρήσετε ότι, η ηλεκτρονιακή δομή του Cr και Zn παρουσιάζει μια ιδιομορφία. Δηλαδή, η υποστιβάδα 4s χάνει ένα ηλεκτρόνιο και μένει με ένα μονήρες ηλεκτρόνιο. Αυτό συμβαίνει όταν η υποστιβάδα 3d είναι ημισυμπληρωμένη (με 5 ηλεκτρόνια) ή συμπληρωμένη (με 10 ηλεκτρόνια), καθώς η εικόνα αυτή παρουσιάζει τη μεγίστη σταθερότητα.

• Πολλοί θεωρούν ότι το Sc και ο Zn καταχρηστικά ονομάζονται στοιχεία μετάπτωσης, γιατί έχουν ένα μόνο αριθμό οξείδωσης και δε σχηματίζουν άλατα με χαρακτηριστικά χρώματα.