الاتجاهات الدورية

في الكيمياء ، تُعرف الاتجاهات الدورية بأنها أنماط محددة في الجدول الدوري تُوضح جوانب مختلفة لعناصر معينة عند تجميعها حسب الدورة و/أو المجموعة . اكتشفها الكيميائي الروسي ديمتري مندليف عام 1863. تشمل الاتجاهات الدورية الرئيسية نصف القطر الذري ، وطاقة التأين ، والألفة الإلكترونية ، والكهرسلبية ، والنوكليوفيلية ، والإلكتروفيلية ، والتكافؤ ، والشحنة النووية ، والصفة الفلزية . ^{[ 1 ]} وضع مندليف أساس الجدول الدوري. ^{[ 2 ]} رتب مندليف العناصر بناءً على وزنها الذري ، تاركًا فراغات حيث اعتقد أن عناصر غير مكتشفة ستشغلها. ^{[ 3 ]} سمح اكتشاف مندليف لهذا الاتجاه له بالتنبؤ بوجود وخصائص ثلاثة عناصر غير معروفة، اكتشفها لاحقًا كيميائيون آخرون وأطلقوا عليها أسماء الغاليوم والسكانديوم والجرمانيوم . ^{[ 4 ]} اكتشف الفيزيائي الإنجليزي هنري موزلي أن تصنيف العناصر حسب العدد الذري بدلاً من الوزن الذري من شأنه أن يجمع العناصر ذات الخصائص المتشابهة بشكل طبيعي. ^{[ 3 ]}

نصف القطر الذري هو المسافة من نواة الذرة إلى المدار الإلكتروني الخارجي في الذرة . عمومًا، يقل نصف القطر الذري كلما اتجهنا من اليسار إلى اليمين في الدورة ، ويزداد كلما اتجهنا لأسفل المجموعة . ويعود ذلك إلى أن إلكترونات التكافؤ في الدورات تتواجد في نفس الغلاف الخارجي . يزداد العدد الذري ضمن الدورة نفسها عند الانتقال من اليسار إلى اليمين، مما يزيد بدوره من الشحنة النووية الفعالة . ويؤدي ازدياد قوى التجاذب إلى تقليل نصف القطر الذري للعناصر . وعند الانتقال لأسفل المجموعة، يزداد نصف القطر الذري نتيجة إضافة غلاف إلكتروني جديد. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

تُعرَّف الشحنة النووية بأنها عدد البروتونات في نواة العنصر . وبالتالي، من اليسار إلى اليمين في الدورة ومن أعلى إلى أسفل في المجموعة ، تزداد الشحنة النووية مع ازدياد عدد البروتونات في النواة. ^{[ 8} ] مع ذلك، لا تتعرض إلكترونات الذرات متعددة الإلكترونات لكامل الشحنة النووية بسبب تأثيرات الحجب من الإلكترونات الأخرى. في هذه الحالة، تُسمى الشحنة النووية للذرات التي تتعرض لهذا الحجب بالشحنة النووية الفعالة . يزداد الحجب مع ازدياد عدد المدارات الداخلية للذرة . لذا ^، من اليسار إلى اليمين في الدورة، تستمر الشحنة النووية الفعالة في الازدياد. ولكن، من أعلى إلى أسفل في المجموعة، مع ازدياد عدد المدارات، تنخفض الشحنة النووية الفعالة. ^{[ 9 ]}

طاقة التأين هي الحد الأدنى من الطاقة التي يجب أن يمتصها الإلكترون في ذرة أو أيون غازي ليتحرر من تأثير قوة جذب النواة . وتُعرف أيضًا بجهد التأين. طاقة التأين الأولى هي مقدار الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون الأول من ذرة متعادلة . والطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون الثاني من الذرة المتعادلة تُسمى طاقة التأين الثانية، وهكذا. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

عند الانتقال من اليسار إلى اليمين عبر دورة في الجدول الدوري الحديث ، تزداد طاقة التأين مع ازدياد الشحنة النووية وانخفاض حجم الذرة . ويؤدي انخفاض حجم الذرة إلى زيادة قوة التجاذب بين الإلكترونات والنواة. أما عند الانتقال إلى أسفل في المجموعة ، فتقل طاقة التأين مع ازدياد حجم الذرة نتيجة إضافة غلاف تكافؤ ، مما يقلل من جاذبية النواة للإلكترونات. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

الطاقة المنطلقة عند إضافة إلكترون إلى ذرة غازية متعادلة لتكوين أيون سالب تُعرف باسم الألفة الإلكترونية. ^{[ 14 ]} بشكل عام، كلما اتجهنا من اليسار إلى اليمين عبر الدورة ، تزداد الألفة الإلكترونية مع ازدياد الشحنة النووية وتناقص حجم الذرة، مما يؤدي إلى قوة جذب أكبر بين النواة والإلكترون المضاف. مع ذلك، كلما اتجهنا لأسفل في المجموعة ، تقل الألفة الإلكترونية لأن حجم الذرة يزداد نتيجة إضافة غلاف تكافؤ ، مما يُضعف جاذبية النواة للإلكترونات. على الرغم من أنه قد يبدو أن الفلور يتمتع بأعلى ألفة إلكترونية، إلا أن صغر حجمه يُولد تنافرًا كافيًا بين الإلكترونات، مما يجعل الكلور يتمتع بأعلى ألفة إلكترونية في مجموعة الهالوجينات . ^{[ 15 ]}

يُعرف ميل الذرة في الجزيء لجذب زوج الإلكترونات المشترك نحوها بالكهرسلبية. وهي كمية لا بُعدية لأنها مجرد ميل. ^{[ 16 ]} صمم لينوس باولينغ المقياس الأكثر شيوعًا لقياس الكهرسلبية، وسُمي هذا المقياس باسمه . ووفقًا لهذا المقياس، يُعد الفلور العنصر الأكثر كهرسلبية، بينما يُعد السيزيوم العنصر الأقل كهرسلبية . ^{[ 17 ]}

من حيث الاتجاه، عند الانتقال من اليسار إلى اليمين عبر دورة في الجدول الدوري الحديث ، تزداد الكهرسلبية مع ازدياد الشحنة النووية وانخفاض حجم الذرة . ومع ذلك، عند الانتقال لأسفل في المجموعة ، تنخفض الكهرسلبية مع ازدياد حجم الذرة نتيجة إضافة غلاف تكافؤ ، مما يقلل من انجذاب الذرة للإلكترونات. ^{[ 18 ]}

مع ذلك، في المجموعة الثالثة عشرة ( عائلة البورون )، تنخفض الكهرسلبية أولًا من البورون إلى الألومنيوم ، ثم تزداد نزولًا في المجموعة. ويعود ذلك إلى ازدياد حجم الذرة كلما اتجهنا نزولًا في المجموعة، وفي الوقت نفسه، تزداد الشحنة النووية الفعالة نتيجة ضعف حجب الإلكترونات الداخلية من المدارين d و f. ونتيجة لذلك، تزداد قوة جذب النواة للإلكترونات، وبالتالي تزداد الكهرسلبية من الألومنيوم إلى الثاليوم . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

تكافؤ العنصر هو عدد الإلكترونات التي يجب أن يفقدها أو يكتسبها الذرة للوصول إلى توزيع إلكتروني مستقر . بعبارة أخرى، هو مقياس قدرة العنصر على تكوين مركبات كيميائية . تُعرف الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي عمومًا بإلكترونات التكافؤ ؛ ويحدد عدد إلكترونات التكافؤ تكافؤ الذرة. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

من حيث الاتجاه، عند الانتقال من اليسار إلى اليمين عبر الدورة ، يزداد عدد إلكترونات التكافؤ للعناصر ويتراوح بين واحد وثمانية. لكن تكافؤ العناصر يزداد أولًا من 1 إلى 4، ثم ينخفض ​​إلى 0 عند الوصول إلى الغازات النبيلة . مع ذلك، عند الانتقال إلى أسفل المجموعة ، لا يتغير عدد إلكترونات التكافؤ عمومًا. لذا، في كثير من الحالات، تتساوى تكافؤات عناصر المجموعة الواحدة. إلا أن هذا الاتجاه الدوري لا يُتبع دائمًا في العناصر الأثقل، وخاصةً عناصر الفئة f والفلزات الانتقالية . تُظهر هذه العناصر تكافؤًا متغيرًا نظرًا لوجود مدار d قبل الأخير ومدار s كأبعد مدار. وتكون طاقات مدارات (n-1)d و ns (مثل 4d و 5s) متقاربة نسبيًا. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

تزداد الخصائص الفلزية عمومًا كلما اتجهنا لأسفل المجموعات، حيث يؤدي انخفاض التجاذب بين النوى والإلكترونات الخارجية إلى ضعف ارتباط هذه الإلكترونات، وبالتالي قدرتها على توصيل الحرارة والكهرباء . وعلى امتداد كل دورة ، من اليسار إلى اليمين ، يؤدي ازدياد التجاذب بين النوى والإلكترونات الخارجية إلى انخفاض الصفة الفلزية. في المقابل، تنخفض الصفة اللافلزية كلما اتجهنا لأسفل المجموعات وتزداد عبر الدورات. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

تشير خاصية الإلكتروفيلية إلى ميل الأنواع الكيميائية الفقيرة بالإلكترونات ، والتي تُسمى الإلكتروفيل، إلى اكتساب الإلكترونات. ^{[ 28 ]} وبالمثل، تُعرَّف خاصية النوكليوفيلية بأنها ميل الأنواع الكيميائية الغنية بالإلكترونات، والتي تُعرف بالنوكليوفيل، إلى منح الإلكترونات لأنواع كيميائية أخرى. ^{[ 29 ]} تُعدّ الاتجاهات في الجدول الدوري مفيدةً للتنبؤ بخاصيتي النوكليوفيلية والإلكتروفيلية للعنصر. بشكل عام، تقلّ النوكليوفيلية مع ازدياد السالبية الكهربية ، أي أنها تتناقص من اليسار إلى اليمين في الجدول الدوري. من ناحية أخرى، تزداد الإلكتروفيلية عمومًا مع ازدياد السالبية الكهربية، أي أنها تتبع اتجاهًا تصاعديًا من اليسار إلى اليمين في الجدول الدوري. ^{[ 28 ]} مع ذلك، يؤثر المحيط الجزيئي أو الكيميائي المحدد للإلكتروفيل أيضًا على خاصية الإلكتروفيلية. لذلك، لا يمكن التنبؤ بدقة بخاصية الإلكتروفيلية بالاعتماد فقط على الاتجاهات الدورية.

• تاريخ الجدول الدوري
• قائمة العناصر حسب خصائصها الذرية

• الجدول الدوري للعناصر (الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية)