מאז סוף המאה ה –18 חיפשו המדענים מודל לסידור ומיון של היסודות. אחד מהניסיונות הראשונים נעשה בשנת 1778 על ידי מדען צרפתי בשם אנטואן לבואזיה
- Antoine Lavoisier , לבואזיה מיין חומרים אשר אותם לא הצליח בתקופה ההיא לפרק למרכיבים פשוטים יותר לארבע קבוצות אשר הכילו 33 יסודות :
קבוצה א': חמצן, חנקן, מימן, אור וחום.
קבוצה ב' : גפרית , זרחן, פחמן וכלור – יסודות החומצה.
קבוצה ג' : כסף , ארסן, ביסמוט, קובלט, נחושת , בדיל, עופרת, טונגסטן, ואבץ.
קבוצה ד' : תחמוצות אלומיניום, מגנזיום, סידן, בריום , צורן – תרכובות האדמה הפשוטות.
ניסיון מאוחר יותר למיון נעשה בשנת 1828 ע"י מדען גרמני בשן יוהן דוברינאר - Johann Dobereiner. הוא גילה כי לקבוצת יסודות שונים יש תכונות כימיות דומות ועל פי הנחה זו הציע לסדר את היסודות בשלשות, לדוגמה:
סידן – Ca , סטרונציום – Sr , בריום – Ba .
ליתיום – Li , נתרן – Na , אשלגן – K .
כלור – Cl , ברום – Br , יוד – I .
כיום ידוע שלא ניתן לסדר את הייסודות באופן זה.
בשנת 1864 המדען האנגלי ג'ון ניולנדס - John Newlands, הבחין בדמיון בין מספר יסודות והציע לסדר את היסודות על פי המסה שלהם.
צורת הסידור שהציע ניולנדס לא לקחה בחשבון יסודות שעתידים היו להתגלות, משהתגלו, צורת הסידור אשר הציע כבר לא הייתה רלוונטית.
הניסיון המוצלח ביותר לסדר את היסודות נעשה ב 1869 ע"י המדען הרוסי דמיטרי מנדלייב - Dmitri Mendeleev. אשר ערך את היסודות לפי מסות אטומיות עולות ולפי תכונותיהם הכימיות, בקבוצות – בטורים (אנכי) על פי התכונות הכימיות, ובמחזורים – בשורות (מאוזן). צורת הסידור אשר הציע מנדלייב הבליטה את התכונות המחזוריות המתפתחות לאורך השורה. המחזורים בטבלתו של מנדלייב היו מלאים וגדולים. כדאי לציין כי בתקופתו של מנדלייב האלקטרון עדיין לא התגלה ומבנה האטום לא היה ידוע. מנדלייב ערך את הטבלה שלו על סמך תצפיות בתכונות היסודות השונים.
מנדלייב השאיר מקומות פנויים ליסודות שאת גילויים חזה מראש ואכן התגלו עם הזמן. חיזוי זה מתבסס על ההיגיון של ארגון היסודות במסגרת כזו המאפשרת לקבוע מראש את תכונותיו על פי תכונות שכניו. למשל, מנדלייב חזה את קיומו של יסוד שקרא לו "אקה-סיליציום" ואף תיאר את תכונותיו, ומאוחר יותר התגלה היסוד הנמצא בקבוצת הפחמן (באותו הטור) ונקרא כיום גרמניום – Ge . יסודות נוספים שמנדלייב חזה את קיומם והשאיר להם מקומות ריקים , הם הגליום – Ga , והסקנדיום – Sc .
במשך הזמן התגלו יסודות נוספים וביניהם קבוצת הגזים האצילים. למעשה עד היום אנו משתמשים במערכה היסודית כפי שהוצעה ע"י מנדלייב , עם היסודות הנוספים המתגלים עם הזמן.
תכונות הטבלה המחזורית
היסודות מסודרים לפי מספר אטומי עולה.
הטבלה המחזורית נחלקת לשני אזורים עיקריים על-פי תכונות היסודות : אזור היסודות המתכתיים, אזור היסודות האל-מתכתיים
היסודות בטבלה מסודרים בשורות אופקיות הנקראות מחזורים - periods ובטורים אנכיים \ עמודות הנקראים קבוצות \ משפחות.
שימוש בטבלה המחזורית מספר אטומי – מספר זהות של היסוד. מתאר את מספר הפרוטונים בגרעין האטום ואת מספר האלקטרונים הנעים סביב הגרעין. מתאר את מספר רמות האנרגיה המתארות את התנהגותו הכימית של היסוד.
היסודות מסודרים במאוזן בטבלת היסודות: בשורה על-פי : מספר אטומי עולה, ומספר אלקטרונים ברמה החיצונית. הערכות האלקטרונים ברמה החיצונית קובעת עם אילו יסודות יתקשרו ליצירת תרכובת, סוג התרכובת שתיווצר , הולכה חשמלית ועוד. סימן כימי של היסוד – סימנים בין-לאומיים. סימן כימי של יסוד הוא האות הראשונה או שתי האותיות הראשונות של שמו הלועזי של היסוד. מסה אטומית – סכום החלקיקים תת-אטומיים המצויים בגרעין האטום. סכום פרוטונים ונויטרונים. הערכות אלקטרונים – היסודות מסודרים בטבלת היסודות במאונך בהתאם להערכות האלקטרונים ברמות האלקטרונים, שבאה לידי ביטוי בתכונות הכימיות של היסודות ושל תרכובותיהם.
מחזוריות
הטבלה מורכבת משורות אופקיות הנקראות מחזורים, סך-הכול 7 מחזורים.
שלושת המחזורים הראשונים נקראים מחזורים קצרים. יתר המחזורים נקראים מחזורים ארוכים. היערכות היסודות בשורה - מחזור הוא על-פי סדר עולה של מספרים אטומיים:
כל שורה מתחילה,מצד שמאל לכיוון ימין, ביסוד בעל אלקטרון אחד בקליפה החיצונית.
כל שורה מסתיימת ביסוד עם קליפה חיצונית מלאה בעלת 8 אלקטרונים. למעט השורה הראשונה.
באטומים של כל היסודות הנמצאים באותו מחזור יש אותו מספר של קליפות אלקטרונים.
קיימת השתנות אנרגיית יינון וזיקה אלקטרונית לאורך המחזורים.
מחזוריות וסידור האלקטרונים
קיים קשר בין סידור היסודות בשורות - במחזורים בטבלה המחזורית לבין סידור האלקטרונים באטום:
בשורה הראשונה משובצים שני יסודות, ברמת האלקטרונים הראשונה יש שני אלקטרונים בלבד.
בשורה השנייה משובצים שמונה יסודות, ברמת האלקטרונים השנייה יש עד שמונה אלקטרונים.
בשורה השלישית משובצים שמונה יסודות, ברמת האלקטרונים השלישית יש עד שמונה אלקטרונים.
קבוצת היסודות המתכתיים
אטומים של המתכות מסודרים במבנה מסודר המכיל מספר גדול של אטומים הקשורים זה לזה. בין האטומים פועלים כוחות משיכה חזקים יחסית. בעלי "אלקטרונים חופשיים". נוטים למסור אלקטרונים ולהפוך ליונים חיוביים בתרכובות יוניות. מטען היון של המתכות שווה למספר הטור, בו נמצא היסוד, בטבלה המחזורית. תכונות:
• ממוקמות מצד שמאל ומרכז הטבלה.
• מוליכות חום זרם חשמלי בצורה טובה.
• ניתנות לריקוע ומתיחה.
• בעלות ברק.
• ברובן מוצקות בטמפרטורת החדר.
• בעלות טמפרטורות רתיחה והתכה גבוהות.
ניתן לסווג את קבוצת המתכות לתת קבוצות: • קבוצת המתכות האלקליות - טור ראשון בטבלה המחזורית.
• קבוצת המתכות העפרתיות אלקליות - טור שני בטבלה המחזורית.
• קבוצת מתכות המעבר - ממוקמות במרכז הטבלה המחזורית.
• קבוצת מתכות מעבר עמידות - ממוקמות בעמודות 13-15 או 12-15 בין מתכות המעבר למתכות למחצה - מתלואידים.
טורים וקבוצות הטורים בטבלה המחזורית נקראים גם קבוצות - Groups.
יסודות קבוצה שלישית
ממוקמות בגוש המתכות צד ימין, טור שלישי, מצד שמאל של הטבלה המחזורית.
חלק מהיסודות בקבוצה מתכות וחלק אל-מתכות. היסוד הראשון בקבוצה, בור, הוא אל-מתכת והיתר מתכות.
לכל בני המשפחה שלושה אלקטרונים בקליפה החיצונית,בעלי אנרגיית יינון נמוכה ונטייה "לאבד" את האלקטרונים בקלות.
היסודות פועלים בצורות שונות: חלקם יוצרים תרכובות שיתופיות, אולם רובם יוצרים תרכובות יוניות.
יסודות פחות פעילים מיסודות בני קבוצות 1 ו-2.
יסודות קבוצה רביעית
ממוקמות בגוש המתכות צד ימין, טור רביעי, מצד שמאל של הטבלה המחזורית.
חלק מהיסודות בקבוצה מתכות וחלק אל-מתכות. היסוד הראשון בקבוצה, פחמן הוא אל-מתכת היסוד השני הוא צורן בעל תכונות מתכת ואל-מתכת, והיתר מתכות.
לכל בני המשפחה ארבעה אלקטרונים בקליפה החיצונית.
בני הקבוצה פועלים בצורות שונות ויוצרים תרכובות שונות. כולם יוצרים תרכובות שיתופיות וחלקם תרכובות יוניות.
תכונות בני הקבוצה הולכות ומתחזקות עם העלייה במספר האטומי.
יסודות קבוצה חמישית
ממוקמות בגוש המתכות צד ימין, טור חמישי, מצד שמאל של הטבלה המחזורית.
חלק מהיסודות בקבוצה מתכות וחלק אל-מתכות. היסוד הראשון בקבוצה, חנקן. שלושה יסודות בקבוצה הם אל-מתכת ושנים בעלי תכונות מתכת. עם העלייה במספר האטומי הם נעשים יותר מתכתיים.
לכל בני המשפחה חמישה אלקטרונים בקליפה החיצונית.
כולם יוצרים תרכובות שיתופיות. חלקם יוצרים תרכובות יוניות.
יסודות קבוצה שישית
ממוקמות בגוש המתכות צד ימין, טור שישי, מצד שמאל של הטבלה המחזורית.
חלק מהיסודות בקבוצה מתכות וחלק אל-מתכות. היסוד הראשון בקבוצה, חמצן. ארבעה מבין הקבוצה הם אל-מתכת היסוד האחרון הוא פולוניום בעל תכונות מתכת .
עם העלייה במספר האטומי הם נעשים יותר מתכתיים, אולם פחות פעילים.
לכל בני המשפחה שישה אלקטרונים בקליפה החיצונית.
יוצרים תרכובות יוניות ושיתופיות.
יסודות קבוצה שביעית – הלוגנים
ממוקמות בסמוך לגוש האל-מתכות, טור שני, מצד ימין של הטבלה המחזורית ( שביעי מצד שמאל).
לכל בני המשפחה שבעה אלקטרונים בקליפה חיצונית. לכן בני משפחה זו יציבים מבחינה אנרגטית. אנרגיית יינון גבוהה מאד, אין נטייה "לאבד" את אלקטרונים בקלות, ההפך נוטים לקבל אלקטרון אחד להשלמת קליפתם החיצונית.
יסודות פעילים מאד מבחינה כימית, לכן לא ניתן למצוא אותם בטבע בצורתם החופשית, אלא בצורה דו-אטומית או בתרכובות לרוב עם מתכות.
הפעילות שלהם הולכת וקטנה עם העלייה במספר האטומי.
כולם מגיבים עם יסודות אחרים תוך יצירת תרכובות שיתופיות ותרכובות יוניות
מקור שמן מיוונית: יוצרי מלחים. הלס =מלח, גן =ליצור. מופיעים בכמות ומגוון גדול של מלחים.
יסודות קבוצה שמינית – גזים אצילים
ממוקמות בסמוך לגוש האל-מתכות, טור ראשון, מצד ימין של הטבלה המחזורית, ( שמיני מצד שמאל).
לכל בני המשפחה קליפה חיצונית מלאה באלקטרונים, שמונה אלקטרונים ( להליום 2 ). לכן בני משפחה זו יציבים מבחינה אנרגטית. אנרגיית יינון גבוהה מאד, אין נטייה "לאבד" את אלקטרונים בקלות או לקבל אלקטרונים.
אינם פעילים, לחלוטין, מבחינה כימית. לכן נקראים "הגזים האדישים". ניתן למצוא אותם בצורה חופשית בטבע .בנויים מאטומים בודדים.
נמצאים במצב צבירה גז, בטמפרטורת החדר.
חסרי צבע, ריח וטעם.
בעלי טמפרטורת התכה ורתיחה נמוכות מאד.
קבוצת המתכות האלקליות - alkali metals
ממוקמות בגוש המתכות צד שמאל, טור ראשון, מצד שמאל של הטבלה המחזורית.
לכל היסודות בקבוצה זו אלקטרון אחד בקליפה החיצונית, אשר מאופיין באנרגיית יינון נמוכה ונטייה "למסור" את האלקטרון היחיד בקלות.
מתכות מאד פעילות, מתרכבות עם יתר היסודות בקלות (בגלל הנטייה לאבד אלקטרון), כמעט ואי-אפשר למצוא אותן בצורה חופשית בטבע.
מגיבות בקלות עם החמצן שבאוויר, לכן מאחסנים אותן בשמן או בנפט. מגיבות עם המים, תוך פירוק המים והתרכבות עם החמצן, פליטת מימן ואנרגיה המתבטאים בפיצוץ.
מוליכות זרם חשמלי וחום.
מוצקות אולם רכות במיוחד, נחשבות למתכות "קלות" – מסה סגולית קטנה מ- 5 גרם לסמ"ק. ניתן לחתוך אותן בסכין.
מבריקות, בעלות צבע אפור.
ניתנות לריקוע.
טמפרטורת ההיתוך יורדת ככל שיורדים בטור.
קבוצת המתכות העפרתיות אלקליות - alkaline earth metals
ממוקמות בגוש המתכות צד שמאל, טור שני, מצד שמאל של הטבלה המחזורית.
לכל בני המשפחה שני אלקטרונים בקליפה החיצונית, בעלי אנרגיית יינון נמוכה ונטייה "לאבד" את שני האלקטרונים האלה בקלות.
מתכות מאד פעילות, מתרכבות עם יתר היסודות בקלות (בגלל הנטייה לאבד אלקטרונים בקלות), כמעט ואי-אפשר למצוא אותן בצורה חופשית בטבע.
מוליכות זרם חשמלי וחום.
מוצקות
מבריקות, בעלות צבע אפור-לבן.
ניתנות לריקוע.
חלקן אינן מסיסות במים.
מתכות מעבר - transition metals
ממוקמות במרכז הטבלה. לקבוצה זו משתייכות המתכות שמספריהן בטבלה המחזורית הם: 30-21, 48-39, 80-72, אלה מתכות בעלות פעילות מתונה ונטייה ליצור תצמידים (תרכובת שבה מולקולות, קבוצות או יונים קשורים לאטום או ליון מרכזי, לרוב מתכתי (.
במצב מוצק או נוזלי הן בעלות קשר מתכתי.
קשות, קשחות, רקיעות, מוליכות חום וזרם חשמלי.
נקודות רתיחה והתכה גבוהות.
צפיפות גבוהה.
אין מתייחסים לעמודות של מתכות אלה כאל משפחות.
בעלות שימושים רבים.
מתכות מעבר עמידות Post-transition metals
נמצאות בעמודות 13-15 או 12-15 בין מתכות המעבר למתכות למחצה - מתלואידים. יסודות אלו בעלי אלקטרושליליות נמוכה יותר בהשוואה למתכות מעבר, אך פחות מלמתכות אלקליות ולמתכות אלקליות עפרוריות.
מתלואידים metalloids
יסודות הגובלים בקו המדרגות (סגול).
יסודות אלו מבטאים גם תכונות האופייניות למתכות וגם תכונות האופייניות לאל-מתכות – תלוי בתנאים.
קבוצת המתכות העפרתיות אלקליות
קבוצת מתכות
מעבר
קבוצת מתכות
מעבר עמידות
קבוצת היסודית האל מתכתיים
ממוקמות מצד ימין של הטבלה.
מוליכות זרם חשמלי גרועות,פרט לפחמן.
מוליכות חום גרועות.
רובן אינן ניתנות לריקוע,
שבירות ופריכות
מופיעות בשלושת מצבי הצבירה בטמפרטורת החדר.
בעלות צבעים מגוונים.
חסרות ברק.
בעלות מבנה חלקיקי מגוון: חלקן מופיעות במבנה של אטומים בודדים, חלקן מופיעות במבנה של מולקולות דו-אטומיות וחלקן מופיעות במבנה של מולקולות רב-אטומיות.
נוטים לקבל אלקטרונים והופכים ליונים שליליים, בתרכובות יוניות.
מטען היון של האל-מתכות שווה לשמונה פחות מספר הטור בו נמצא היסוד בטבלה המחזורית.
שורות וטורים בטבלה המחזורית
שורות
הטבלה המחזורית בנויה משבע שורות –אשר ניתן להתייחס אליהן כמחזורים – Periods.
שורה ראשונה – כוללת שני יסודות - מימן והליום. גם המימן וגם ההליום הינם גזים חסרי צבע, לשני יסודות אלו אלקטרונים באורביטל S בלבד. שורה שניה ושלישית – כוללות שמונה יסודות בכל אחת, יסודות אלו מאכלסים אלקטרונים באורביטלים S – ו- P. יסודות אלו שומרים על חוק האוקטט, אכלוס שמונה אלקטרונים בקליפת האלקטרונים האחרונה. שורה רביעית – כוללת שמונה עשרה יסודות, יסודות אלו מאכלסים אלקטרונים באורביטלים 4s, 3d - ו - 4p. יסודות אלו אינם ממלאים אחר חוק האוקטט מאחר וקיים בהם אכלוס אלקטרונים באורביטל d. שורה חמישית – כוללת שמונה עשרה יסודות, יסודות אלו מאכלסים אלקטרונים באורביטלים 5s, 4d - ו - 5p. שורה שישית – שורה זו כוללת 32 יסודות – כולל הלנטדינים. יסודות אלו מאכלסים אלקטרונים באורבטלים 6s,6p,5d ו – 4f. שורה זו כוללת את העופרת, הייסוד הכבד היציב ביותר בטבלה המחזורית. שורה שביעית – שורה זו כוללת 32 יסודות – כולל האקטידינים, יסודות אלו מאכלסים אלקטרונים באורביטלים 7s,7p,6d ו – 5f.
