الخواص الدورية ونشاط الفلزات في كيمياء HSC
تعرّف على كيفية تفسير نصف القطر الذري والحجب وطاقة التأين والسالبية الكهربية للاتجاهات الدورية في نشاط الفلزات، بما في ذلك الاستثناءات المهمة وتأثيرات السطح.
تتفاعل شريحة من المغنيسيوم مع حمض مخفف. ويتفاعل الصوديوم بعنف أكبر بكثير. أما الألومنيوم، فعلى الرغم من وقوعه إلى يمين المغنيسيوم في الدورة 3، فقد يبدو أحيانًا قليل التفاعل على نحوٍ لافت بسبب طبقة الأكسيد التي تغطيه.
إذن، ما الذي يُفترض بك فعليًا أن تتنبأ به من الجدول الدوري؟
قبل أن تواصل القراءة، توقّع: إذا كانت ذرة فلز تمسك بإلكتروناتها الخارجية بقوة أقل، فهل يصبح الفلز أكثر تفاعلًا أم أقل تفاعلًا؟
أكثر تفاعلًا. تتضمن معظم تفاعلات الفلزات فقدان الفلز للإلكترونات. وكلما كان نزع هذه الإلكترونات أسهل، كان حدوث الأكسدة أسهل.
الفكرة المفيدة هي:
\[
\ce{M -> M^{n+} + ne^-}
\]
هنا، تمثل \(\ce{M}\) ذرة فلز، ويمثل \(n\) الشحنة الموجبة على الأيون المتكوّن، بينما يمثل \(e^-\) الإلكترونات المفقودة.
تساعد طاقة التأين ونصف القطر الذري والحجب الإلكتروني والسالبية الكهربية جميعها في تفسير مدى قوة ارتباط هذه الإلكترونات الخارجية بالذرة. ولذلك فهي تساعد أيضًا في تفسير الأنماط الدورية في نشاط الفلزات.
01ابدأ بالإلكترون الذي يجب على الفلز أن يفقده
تخيّل ذرتين فلزيتين، A وB.
في الذرة A، يكون الإلكترون الخارجي قريبًا من النواة ويشعر بقوة جذب كبيرة نحوها. أما في الذرة B، فيكون الإلكترون الخارجي أبعد، وتحجبه جزئيًا عن النواة عدة أغلفة إلكترونية داخلية.
أي الإلكترونين ينبغي أن يكون نزعه أسهل؟
الإلكترون في B.
وهذا يعطينا نموذجنا الأول:
- زيادة المسافة عن النواة تجعل الإلكترون الخارجي أسهل نزعًا عادةً
- زيادة الحجب تضعف قوة الجذب التي يشعر بها الإلكترون الخارجي
- ضعف الجذب يعني عادةً طاقة تأين أقل
- انخفاض طاقة التأين يجعل فقدان الإلكترون أسهل عمومًا
- لأن الفلزات تتفاعل بفقدان الإلكترونات، فإن سهولة فقدان الإلكترون تعني عمومًا زيادة نشاط الفلز
هذا النموذج مفيد، لكنه يحتاج إلى بعض الدقة. فالخواص الدورية مترابطة، وليست قواعد منفصلة تتنافس بصورة مستقلة.
02نصف القطر الذري: ما مدى بُعد الإلكترونات الخارجية عن النواة؟
نصف القطر الذري هو مقياس لحجم الذرة.
ولأغراضنا، فإن السؤال المهم هو: ما مدى بُعد إلكترونات التكافؤ عن النواة موجبة الشحنة؟
يضعف التجاذب الكهروستاتيكي بين النواة الموجبة والإلكترون السالب كلما زادت المسافة بينهما. لذلك، عندما يكون للفلز نصف قطر ذري أكبر، تكون إلكتروناته الخارجية عادةً أقل ارتباطًا به.
وهذا يجعل نزعها أسهل في كثير من الأحيان.
نزولًا في المجموعة
يزداد نصف القطر الذري نزولًا في المجموعة.
على سبيل المثال:
\[
\ce{Li < Na < K}
\]
من حيث نصف القطر الذري.
كل خطوة إلى أسفل المجموعة تضيف غلافًا إلكترونيًا مشغولًا آخر. ولذلك يكون الإلكترون الخارجي في البوتاسيوم أبعد بكثير عن النواة منه في الليثيوم.
وهذا أحد أسباب ازدياد نشاط فلزات المجموعة 1 نزولًا في المجموعة:
\[
\ce{Li < Na < K}
\]
من حيث نشاط الفلزات.
إذا أردت ربط هذا الاتجاه بالتفاعلات الفعلية، فقارن السلوك الموضح في نشاط الفلزات مع الماء: دليل كيمياء HSC.
عبر الدورة
ينخفض نصف القطر الذري عمومًا من اليسار إلى اليمين عبر الدورة.
وقد يبدو ذلك غريبًا في البداية لأن الإلكترونات تُضاف. أليست إضافة المزيد من الإلكترونات من المفترض أن تجعل الذرة أكبر؟
ليس بالضرورة. فالإلكترونات الجديدة تُضاف إلى الغلاف الإلكتروني الرئيسي نفسه، بينما يزداد عدد البروتونات في النواة.
ويؤدي ازدياد قوة جذب النواة إلى سحب ذلك الغلاف إلى مسافة أقرب.
لذلك، في الدورة 3 مثلًا، يكون نصف القطر الذري للصوديوم أكبر من نصف قطر المغنيسيوم، ونصف قطر المغنيسيوم أكبر من نصف قطر الألومنيوم.
03الحجب: الإلكترونات الداخلية تعترض التأثير
لا تجذب النواة إلكترون التكافؤ كما لو أن جميع الإلكترونات الأخرى غير موجودة.
تتنافر إلكترونات الأغلفة الداخلية مع الإلكترونات الخارجية وتقلل جزئيًا من قوة جذب النواة التي تشعر بها هذه الإلكترونات. ويُسمى ذلك الحجب.
تخيّل النواة كشخص يحاول جذب انتباه شخص آخر في الجهة المقابلة من غرفة مزدحمة. إلكترون التكافؤ هو الشخص الموجود في الجهة الأخرى، بينما تمثل إلكترونات الأغلفة الداخلية جميع الأشخاص الواقفين بينهما. وكلما زاد عدد الأشخاص في الطريق، أصبح التفاعل أقل مباشرة.
لهذا التشبيه حدود. فالإلكترونات ليست أشخاصًا صغارًا يقفون بلا حركة في طبقات، والحجب تأثير كهروستاتيكي ينشأ عن توزيعات الإلكترونات. لكن الصورة تعبّر بصورة صحيحة عن النقطة المهمة: الإلكترونات الداخلية تقلل قوة الجذب التي تشعر بها الإلكترونات الخارجية.
نزولًا في المجموعة، يزداد الحجب
يؤدي النزول في المجموعة إلى إضافة أغلفة إلكترونية مشغولة إضافية.
قارن الليثيوم بالبوتاسيوم:
- لدى الليثيوم أغلفة إلكترونية داخلية أقل
- لدى البوتاسيوم أغلفة إلكترونية داخلية أكثر
- يتعرض الإلكترون الخارجي في البوتاسيوم إلى حجب أكبر
ويجعل كل من زيادة المسافة وزيادة الحجب إلكترون التكافؤ في البوتاسيوم أسهل نزعًا.
عبر الدورة، يتغير الحجب بدرجة أقل بكثير
عبر دورة واحدة، تدخل الإلكترونات المضافة أساسًا إلى الغلاف الخارجي نفسه.
ويبقى عدد الأغلفة الداخلية المشغولة كما هو.
لذلك، على الرغم من أن تنافر الإلكترونات بعضها مع بعض يتغير، فإن الحجب الرئيسي الناتج عن الأغلفة الداخلية يظل متشابهًا إلى حد كبير. وفي الوقت نفسه، يزداد عدد البروتونات.
والنتيجة هي ازدياد قوة التجاذب بين النواة وإلكترونات التكافؤ عند الانتقال عبر الدورة.
غالبًا ما توصف هذه الفكرة باستخدام الشحنة النووية الفعالة: أي صافي قوة التجاذب الموجبة التي يشعر بها الإلكترون بعد أخذ الحجب في الاعتبار.
لا تحتاج إلى تصور الحجب على أنه يُلغي تمامًا تأثير عدد محدد من البروتونات. الاتجاه المهم هو أنه عبر الدورة تزداد الشحنة النووية، بينما يتغير الحجب الناتج عن الأغلفة الداخلية بدرجة قليلة نسبيًا.
04طاقة التأين تجمع هذه الأفكار معًا
طاقة التأين الأولى هي الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون واحد من كل ذرة في مول واحد من الذرات الغازية.
بالنسبة إلى فلز \(\ce{M}\):
\[
\ce{M(g) -> M+(g) + e^-}
\]
تعني طاقة التأين الأولى المنخفضة أن إزالة الإلكترون الأول تحتاج إلى طاقة قليلة نسبيًا.
أما طاقة التأين الأولى المرتفعة فتعني أن الإلكترون مرتبط بقوة أكبر.
إذن توقّع قبل أن تواصل: ماذا ينبغي أن يحدث لطاقة التأين الأولى نزولًا في المجموعة 1؟
ينبغي أن تنخفض.
نزولًا في المجموعة:
- يزداد نصف القطر الذري
- يزداد الحجب
- يشعر الإلكترون الخارجي بجذب أضعف نحو النواة
- تقل الطاقة اللازمة لنزعه
لذلك تنخفض طاقة التأين الأولى، بينما يزداد نشاط الفلز.
مثال محلول: أي فلز من المجموعة 1 ينبغي أن يتفاعل بسهولة أكبر؟
الليثيوم والبوتاسيوم كلاهما من فلزات المجموعة 1. توقّع أي الفلزين ينبغي أن يفقد إلكترون التكافؤ بسهولة أكبر، وبالتالي يُظهر نشاطًا فلزيًا أكبر.
الخطوة 1
يُكوّن كلا الفلزين أيونات ذات شحنة \(+1\) بفقد إلكترون واحد:
\[
\ce{Li -> Li+ + e^-}
\]
\[
\ce{K -> K+ + e^-}
\]
الخطوة 2
يقع البوتاسيوم أسفل الليثيوم في المجموعة 1. ولديه عدد أكبر من الأغلفة الإلكترونية المشغولة، لذلك يكون نصف قطره الذري أكبر ويتعرض إلكترون التكافؤ لديه إلى حجب أكبر.
الخطوة 3
يتعرض إلكترون التكافؤ في البوتاسيوم إلى قوة جذب أضعف نحو النواة. ولذلك تكون طاقة التأين الأولى للبوتاسيوم أقل منها لليثيوم.
الخطوة 4
يفقد البوتاسيوم إلكترون التكافؤ بسهولة أكبر، ولذلك فهو عمومًا أكثر نشاطًا كفلز من الليثيوم.
إذن يكون الاتجاه الدوري:
\[
\ce{Li < Na < K}
\]
بالنسبة إلى نشاط الفلزات.
ولا يخبرك ذلك بالمعدل الدقيق لكل تفاعل محتمل تحت جميع الظروف. وإنما يتنبأ بالاتجاه الأساسي لمدى سهولة تعرض هذه الفلزات للأكسدة.
05لماذا تصبح الفلزات عمومًا أقل نشاطًا عبر الدورة
قارن الآن بين الصوديوم والمغنيسيوم.
كلاهما فلزان في الدورة 3، لكن الصوديوم يقع إلى اليسار أكثر.
يُكوّن الصوديوم \(\mathrm{Na}^{+}\):
\[
\ce{Na -> Na+ + e^-}
\]
ويُكوّن المغنيسيوم عادةً \(\mathrm{Mg}^{2+}\):
\[
\ce{Mg -> Mg^2+ + 2e^-}
\]
عند الانتقال من الصوديوم نحو المغنيسيوم:
- يزداد عدد البروتونات
- تبقى إلكترونات التكافؤ في الغلاف الرئيسي نفسه
- يتغير الحجب الناتج عن الأغلفة الداخلية بدرجة قليلة نسبيًا
- ينخفض نصف القطر الذري
- يصبح جذب إلكترونات التكافؤ أقوى
- تزداد طاقة التأين عمومًا
وبالتالي يصبح نزع الإلكترونات أكثر صعوبة.
ويسهم ذلك في الانخفاض العام في نشاط الفلزات من اليسار إلى اليمين عبر الجزء الفلزي من الدورة.
هذا هو النمط العام، وليس ضمانًا بأن معدل كل تفاعل مُلاحظ سيتبع تسلسلًا منتظمًا تمامًا.
06السالبية الكهربية تروي القصة نفسها من زاوية أخرى
تصف السالبية الكهربية مدى قوة جذب الذرة للإلكترونات المشتركة نحوها في الرابطة الكيميائية.
بالنسبة إلى الفلزات، ترتبط السالبية الكهربية المنخفضة عادةً بالميل إلى فقد الإلكترونات بدلًا من جذبها بقوة.
لذلك تميل الفلزات النشطة إلى امتلاك:
| الخاصية | تميل الفلزات الأكثر نشاطًا إلى امتلاك |
|---|---|
| نصف القطر الذري | قيمة أكبر |
| الحجب | قيمة أكبر، خاصةً نزولًا في المجموعة |
| طاقة التأين | قيمة أقل |
| السالبية الكهربية | قيمة أقل |
| الميل إلى فقد الإلكترونات | ميل أكبر |
هذه ليست خمسة أسباب مستقلة.
يؤثر نصف القطر الذري والحجب في مدى قوة ارتباط إلكترونات التكافؤ. وتقيس طاقة التأين الطاقة اللازمة لنزع إلكترون. وتعكس السالبية الكهربية قوة جذب الذرة للإلكترونات في الروابط.
إنها طرق مختلفة لوصف نتائج مترابطة للبنية الذرية.
07نزولًا في المجموعة مقابل الانتقال عبر الدورة
من المفيد فصل الاتجاهين.
الانتقال إلى أسفل مجموعة فلزية
عمومًا:
\[
\text{نصف القطر} \uparrow
\]
\[
\text{الحجب} \uparrow
\]
\[
\text{طاقة التأين} \downarrow
\]
\[
\text{السالبية الكهربية} \downarrow
\]
وبذلك يزداد الميل إلى فقد الإلكترونات.
لذلك يزداد نشاط الفلزات عمومًا نزولًا في مجموعات مثل المجموعة 1 والمجموعة 2.
الانتقال من اليسار إلى اليمين عبر الجزء الفلزي من الدورة
عمومًا:
\[
\text{الجذب النووي الفعال} \uparrow
\]
\[
\text{نصف القطر} \downarrow
\]
\[
\text{طاقة التأين} \uparrow
\]
\[
\text{السالبية الكهربية} \uparrow
\]
وبذلك يصبح فقدان الإلكترون أقل ملاءمة.
لذلك ينخفض نشاط الفلزات عمومًا.
08الخطأ المغري: اعتبار خاصية دورية واحدة تفسيرًا كاملًا
افترض أن طالبًا يقول:
طاقة التأين الأولى للألومنيوم أقل من طاقة التأين الأولى للمغنيسيوم، لذلك لا بد أن يكون الألومنيوم دائمًا أكثر نشاطًا من المغنيسيوم.
هناك مشكلتان هنا.
أولًا، لا تتضمن تفاعلات الفلزات بالضرورة إزالة إلكترون واحد فقط.
يُكوّن المغنيسيوم عادةً \(\mathrm{Mg}^{2+}\)، بينما يُكوّن الألومنيوم عادةً \(\mathrm{Al}^{3+}\). وتشمل الطاقة الكلية للتفاعل أكثر من خطوة التأين الأولى.
ثانيًا، لا يتحدد النشاط المُلاحظ فقط بمدى ملاءمة فقد الإلكترون.
يُكوّن الألومنيوم بسرعة طبقة رقيقة وشديدة الالتصاق من أكسيد الألومنيوم على سطحه. ويمكن لهذه الطبقة أن تمنع المواد المتفاعلة من الوصول إلى فلز الألومنيوم الموجود تحتها. ولذلك قد يبدو الألومنيوم أقل نشاطًا بكثير مما قد يوحي به ميله الكيميائي الأساسي.
يُسمى ذلك التخميل.
لذلك يجب أن تميز بين:
- العوامل الذرية التي تؤثر في ميل الفلز إلى فقد الإلكترونات
- المعدل الفعلي المُلاحظ لتفاعل معين
يمكن أن يعتمد الثاني أيضًا على الطلاءات السطحية والتركيز ودرجة الحرارة والشكل الفيزيائي والمادة المتفاعلة الأخرى المشاركة.
ولهذا يقدم الجدول الدوري اتجاهات قوية، لكنه لا يحل محل الأدلة التجريبية بالكامل.
مثال محلول: المغنيسيوم أم الألومنيوم؟
أُعطي طالب بيانات مبسطة لطاقة التأين الأولى كما يلي:
| الفلز | طاقة التأين الأولى |
|---|---|
| \(\ce{Mg}\) | \(738\ \text{kJ mol}^{-1}\) |
| \(\ce{Al}\) | \(578\ \text{kJ mol}^{-1}\) |
استنتج الطالب أن الألومنيوم لا بد أن يتفاعل أسرع من المغنيسيوم في الحمض المخفف لأن للألومنيوم طاقة تأين أولى أقل. اشرح لماذا لا يكون هذا الاستنتاج مبررًا.
الخطوة 1
تعني طاقة التأين الأولى الأقل للألومنيوم أن العملية
\[
\ce{Al(g) -> Al+(g) + e^-}
\]
تتطلب طاقة أقل من العملية
\[
\ce{Mg(g) -> Mg+(g) + e^-}
\]
وتعني الوحدات \( \text{kJ mol}^{-1} \) كيلوجولًا من الطاقة لكل مول من الذرات الغازية.
الخطوة 2
يُكوّن المغنيسيوم عادةً \(\mathrm{Mg}^{2+}\)، بينما يُكوّن الألومنيوم عادةً \(\mathrm{Al}^{3+}\).
لذلك لا يمكن إجراء مقارنة حقيقية اعتمادًا على طاقة التأين الأولى وحدها. فعمليات نزع الإلكترونات الإضافية وبقية طاقة التفاعل مهمة أيضًا.
الخطوة 3
يكون الألومنيوم عادةً مغطى بطبقة من الأكسيد على سطحه. ويمكن لهذه الطبقة المخمِّلة أن تمنع الحمض من الوصول فورًا إلى الفلز الموجود تحتها.
لذلك قد يبدو المغنيسيوم أسرع تفاعلًا في بعض الظروف التجريبية، حتى وإن أوحت قيمة واحدة لطاقة التأين الأولى بخلاف ذلك.
الخطوة 4
تُعد طاقة التأين الأولى دليلًا مفيدًا فيما يتعلق بفقد الإلكترونات، لكنها لا تحدد بمفردها معدل التفاعل المُلاحظ للمغنيسيوم والألومنيوم في الحمض.
وعندما تكون طبقة الأكسيد والظروف التجريبية مؤثرتين، يجب أخذهما في الاعتبار أيضًا.
لإلقاء نظرة أقرب على ما تلاحظه فعليًا في هذا النوع من التجارب، راجع نشاط الفلزات مع الأحماض المخففة: دليل كيمياء HSC.
09قاعدة لاتخاذ القرار أفضل من حفظ اتجاهات الأسهم
عندما يُطلب منك تفسير اتجاه دوري في نشاط الفلزات، تتبّع السبب بدلًا من حشد أربع عبارات عن الاتجاهات في الإجابة.
اسأل:
- هل تتم مقارنة الفلزات نزولًا في مجموعة أم عبر دورة؟
- كيف يتغير عدد الأغلفة الإلكترونية المشغولة؟
- ماذا يحدث للحجب؟
- ماذا يحدث للمسافة بين النواة وإلكترونات التكافؤ؟
- هل تصبح قوة جذب إلكترونات التكافؤ أقوى أم أضعف؟
- ماذا يحدث لطاقة التأين ولسهولة الأكسدة؟
- هل يوجد تأثير سطحي أو شرط من شروط التفاعل يمكن أن يغير ما يُلاحظ تجريبيًا؟
ينتج عن ذلك تفسيرات مثل:
الكالسيوم أكثر نشاطًا من المغنيسيوم لأن الكالسيوم لديه غلاف إلكتروني مشغول إضافي. وتكون إلكترونات تكافؤه أبعد عن النواة وتتعرض لحجب أكبر، ولذلك يكون جذب النواة لها أضعف. ومن ثم تكون طاقة التأين الأولى للكالسيوم أقل ويفقد الإلكترونات بسهولة أكبر.
وهذا أقوى بكثير من الاكتفاء بقول: “يزداد النشاط نزولًا في المجموعة”.
10الأسئلة والحلول
السؤال 1
المغنيسيوم والكالسيوم كلاهما من فلزات المجموعة 2.
توقّع أيهما أكثر نشاطًا واشرح إجابتك باستخدام نصف القطر الذري والحجب وطاقة التأين.
الحل 1
الكالسيوم أكثر نشاطًا من المغنيسيوم.
يقع الكالسيوم أسفل المغنيسيوم في المجموعة 2 ولديه غلاف إلكتروني مشغول إضافي. ولذلك تكون إلكترونات تكافؤه أبعد عن النواة وتتعرض لحجب أكبر من الإلكترونات الداخلية.
وبالتالي تكون قوة جذب النواة المؤثرة في الإلكترونات الخارجية للكالسيوم أضعف. وللكالسيوم طاقة تأين أولى أقل، ويمكنه فقد إلكترونات التكافؤ بسهولة أكبر:
\[
\ce{Ca -> Ca^2+ + 2e^-}
\]
الاختصار المغري هو الاكتفاء بالقول إن الكالسيوم “أدنى في المجموعة”. هذا يحدد الاتجاه لكنه لا يفسره. والرابط السببي هو: نصف قطر أكبر وحجب أكبر \(\rightarrow\) جذب أضعف \(\rightarrow\) فقد إلكترونات أسهل \(\rightarrow\) نشاط فلزي أكبر.
السؤال 2
لفلزين افتراضيين من المجموعة 1، X وY، الخواص التالية:
| الخاصية | X | Y |
|---|---|---|
| نصف القطر الذري | \(190\ \text{pm}\) | \(240\ \text{pm}\) |
| طاقة التأين الأولى | \(500\ \text{kJ mol}^{-1}\) | \(420\ \text{kJ mol}^{-1}\) |
هنا، تعني \(\text{pm}\) بيكومتر.
يرى طالب أنه لا توجد معلومات كافية للتنبؤ بأي الفلزين أكثر نشاطًا لأن قيم السالبية الكهربية غير معطاة.
قيّم منطق الطالب وتوقّع أي الفلزين ينبغي أن يكون أكثر نشاطًا.
الحل 2
ينبغي أن يكون Y أكثر نشاطًا، ولا نحتاج إلى بيانات السالبية الكهربية المفقودة لإجراء هذا التنبؤ.
لدى Y نصف القطر الذري الأكبر، \(240\ \text{pm}\)، مقارنةً بـ \(190\ \text{pm}\) لـ X. كما أن طاقة تأينه الأولى أقل:
\[
420\ \text{kJ mol}^{-1} < 500\ \text{kJ mol}^{-1}
\]
وهذا يعني أن نزع الإلكترون الخارجي من Y يحتاج إلى طاقة أقل. وتشير كلتا المعلومتين إلى سهولة أكبر في الأكسدة:
\[
\ce{Y -> Y+ + e^-}
\]
الحجة المغرية هي الاعتقاد بأن الخواص الدورية الأربع كلها يجب أن تكون معطاة قبل التوصل إلى أي استنتاج. وهذا غير صحيح. فهذه الخواص أدلة مترابطة، وليست خانات يجب وضع علامة في كل واحدة منها بصورة منفصلة.
بيانات نصف القطر وطاقة التأين المعطاة كافية بالفعل للتنبؤ بأن Y يفقد إلكترونه الخارجي بسهولة أكبر، ومن ثم ينبغي أن يكون الفلز الأكثر نشاطًا من فلزات المجموعة 1.
السؤال 3
تجري مقارنة بين ثلاثة فلزات من الدورة 3، وهي \(\ce{Na}\) و\(\ce{Mg}\) و\(\ce{Al}\).
يقترح طالب التفسير التالي:
“يحتوي كل عنصر على إلكترونات أكثر من العنصر الذي يسبقه، لذلك يزداد الحجب باستمرار من الصوديوم إلى الألومنيوم. وينبغي أن تجعل زيادة الحجب الألومنيوم أكثرها نشاطًا.”
حدّد الخلل في هذا الاستدلال واذكر الاتجاه الدوري العام المتوقع في النشاط الفلزي.
الحل 3
الاتجاه العام هو انخفاض النشاط الفلزي من الصوديوم نحو المغنيسيوم والألومنيوم، والخطأ الرئيسي للطالب هو التعامل مع كل إلكترون مضاف كما لو أنه أنشأ طبقة حجب جديدة من غلاف داخلي.
توجد إلكترونات التكافؤ في الصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم جميعها في الغلاف الإلكتروني الرئيسي الثالث. والانتقال من \(\ce{Na}\) إلى \(\ce{Mg}\) ثم إلى \(\ce{Al}\) يضيف إلكترونات بالفعل، لكنه يضيف أيضًا بروتونًا إلى النواة في كل مرة.
ويظل الحجب الرئيسي الناتج عن الغلافين الداخليين \(n=1\) و\(n=2\) متشابهًا إلى حد كبير، لأنه لا يُضاف غلاف إلكتروني داخلي جديد عبر الدورة 3.
لذلك يكون لازدياد الشحنة النووية تأثير كبير. وتنجذب إلكترونات التكافؤ بقوة أكبر إجمالًا، وينخفض نصف القطر الذري عمومًا عبر الدورة.
وهذا يجعل نزع الإلكترونات أكثر صعوبة عمومًا ويسهم في ارتفاع طاقة التأين عبر الجزء الفلزي من الدورة.
لذلك يكون الاتجاه العام المتوقع:
\[
\ce{Na -> Mg -> Al}
\]
مع انخفاض الصفة الفلزية وسهولة فقد الإلكترونات عمومًا من اليسار إلى اليمين.
وهناك تعقيد مهم. لا ترتفع طاقة التأين الأولى ارتفاعًا منتظمًا عند كل خطوة منفردة: فطاقة التأين الأولى للألومنيوم أقل من طاقة التأين الأولى للمغنيسيوم لأن الإلكترون الأول في الألومنيوم يُنزع من تحت مستوى \(3p\) الأعلى طاقة. ولا يعكس هذا الاستثناء التفسير العام الأوسع للسلوك الفلزي الدوري، كما أن قيمة طاقة التأين الأولى وحدها لا تحدد معدلات التفاعل المُلاحظة.
كان المسار المغري هو مساواة “المزيد من الإلكترونات” بـ “حجب أكبر بكثير”. والقيد الدقيق هنا هو موضع إضافة تلك الإلكترونات.
السؤال 4
يقع الفلزان A وB في المجموعة نفسها، ويقع B أسفل A.
يمتلك الفلز B طاقة تأين أولى أقل ونصف قطر ذري أكبر من A. ومع ذلك، في تجربة وُضعت فيها عينات متساوية الحجم من B وA في الحمض المخفف نفسه، أنتج A غاز الهيدروجين في البداية بسرعة أكبر.
افترض أن القياسات موثوقة.
يستنتج طالب أن الاتجاه الدوري لا بد أن يكون خاطئًا.
هل هذا الاستنتاج صحيح؟ قدّم تفسيرًا كيميائيًا يتفق مع جميع الملاحظات.
الحل 4
لا. النتيجة لا تدحض الاتجاه الدوري؛ بل تُظهر أن معدل التفاعل المُلاحظ يعتمد على أكثر من مجرد سهولة نزع الإلكترونات من الذرات الغازية المنفردة.
لا تزال الأدلة الدورية تشير إلى أن B ينبغي أن يمتلك ميلًا أساسيًا أكبر إلى فقد الإلكترونات:
- لدى B نصف قطر ذري أكبر
- إلكترونات تكافؤه أبعد عن النواة
- يُتوقع أن تتعرض لحجب أكبر
- طاقة تأينه الأولى أقل
هذه العوامل ترجّح أكسدة B.
لكن التجربة تقيس المعدل الذي يتفاعل به الفلز الصلب مع الحمض. ولكي يحدث انتقال الإلكترونات، يجب أن يصل الحمض إلى سطح الفلز.
ومن التفسيرات المتسقة أن B لديه طلاء سطحي واقٍ، مثل طبقة أكسيد، تقلل في البداية تماس الحمض مع الفلز الموجود تحتها. ولذلك يمكن أن ينتج A الهيدروجين بسرعة أكبر في البداية، حتى وإن كانت ذرات B، بعد انكشافها ومشاركتها في التفاعل، تمتلك ميلًا أكبر إلى فقد الإلكترونات.
على سبيل المثال، يمكن تمثيل التفاعل العام مع الحمض بأنه أكسدة فلز مقترنة باختزال أيونات الهيدروجين. بالنسبة إلى فلز يُكوّن أيونًا بشحنة \(2+\):
\[
\ce{M -> M^2+ + 2e^-}
\]
و
\[
\ce{2H+ + 2e^- -> H2}
\]
الاستنتاج المغري هو اعتبار عبارة “فلز أكثر نشاطًا” مطابقة لعبارة “فقاعات أولية أسرع في كل تجربة”. وهذا يتجاهل الحركية وإمكانية الوصول إلى السطح.
القيد الأساسي هو أن الخواص الدورية تصف ميول الذرات، بينما يعتمد معدل التفاعل المُلاحظ تجريبيًا أيضًا على الظروف الفيزيائية والكيميائية عند السطح المتفاعل.
السؤال 5
يقع فلزان مجهولان، P وQ، في الدورة نفسها.
يقع P إلى يسار Q.
وقد أُجريت الملاحظات التالية:
- نصف القطر الذري لـ P أكبر من نصف القطر الذري لـ Q.
- السالبية الكهربية لـ P أقل من السالبية الكهربية لـ Q.
- يتفاعل P بسرعة مع الماء.
- لعينة نظيفة من Q أيضًا ميل قوي إلى الأكسدة، لكن قطعة غير معالجة من Q تبدو شبه ثابتة في الماء لأنها تحمل طبقة أكسيد مستقرة.
- طاقة التأين الأولى لـ Q أقل قليلًا من طاقة التأين الأولى للعنصر الواقع مباشرةً إلى يساره في الجدول الدوري.
يقول طالب إن الملاحظة الأخيرة تثبت أن الاستدلال المعتاد عبر الدورة قد فشل، وإن Q ينبغي لذلك أن يكون أكثر فلزية وأكثر نشاطًا من كل فلز يقع مباشرةً إلى يساره.
قيّم هذا الادعاء. يجب أن تشرح إجابتك كيف يمكن أن تكون الملاحظات الخمس جميعها متسقة مع البنية الدورية.
الحل 5
الادعاء غير مبرر. فالانخفاض الموضعي في طاقة التأين الأولى لا يمحو الاتجاهات الأوسع عبر الدورة، كما أن التفاعل المُلاحظ يمكن أن يتغير أيضًا بسبب التخميل.
كون P إلى يسار Q يتفق مع امتلاك P نصف قطر ذري أكبر وسالبية كهربية أقل. فعبر الدورة يزداد عدد البروتونات، بينما يتغير الحجب الرئيسي الناتج عن الأغلفة الداخلية بدرجة قليلة نسبيًا. ويؤدي ازدياد الجذب النووي الفعال عمومًا إلى سحب إلكترونات التكافؤ إلى مسافة أقرب وزيادة قدرة الذرة على جذب الإلكترونات.
لذلك فإن الملاحظتين
\[
r_{\mathrm{P}} > r_{\mathrm{Q}}
\]
و
\[
\text{السالبية الكهربية لـ P} < \text{السالبية الكهربية لـ Q}
\]
تتفقان مع النمط الدوري المعتاد، حيث يمثل \(r\) نصف القطر الذري.
كما أن تفاعل P السريع مع الماء يتفق مع سلوكه الفلزي القوي وسهولة فقدانه للإلكترونات.
أما الملاحظة التي تبدو مثيرة للمشكلة فهي أن Q لديه طاقة تأين أولى أقل قليلًا من العنصر الواقع مباشرةً إلى يساره. لكن طاقات التأين عبر الدورة تتضمن بعض الاختلافات الصغيرة لأن التوزيع الإلكتروني مهم.
فعلى سبيل المثال، قد يؤدي بدء ملء تحت مستوى أعلى طاقة إلى جعل نزع إلكترون معين أسهل، حتى وإن كان الاتجاه الأوسع عبر الدورة يتجه نحو نصف قطر أصغر وسالبية كهربية أعلى وصفة فلزية أقل.
ولهذا تحديدًا لا ينبغي التعامل مع طاقة التأين الأولى بوصفها ترتيبًا للنشاط يعتمد على رقم واحد.
وهناك مسألة ثانية. فعينة Q غير المعالجة محمية بطبقة أكسيد. ولذلك فإن ضعف تفاعلها المرئي مع الماء يقدم معلومات عن سطحها إلى جانب خواصها الذرية. وحقيقة أن العينة النظيفة تتأكسد بسهولة توضح سبب أهمية حالة السطح.
المسار المغري هو:
\[
\text{طاقة تأين أولى أقل} \Rightarrow \text{نشاط أكبر بكل معنى}
\]
لكن هناك قيدان يكسران هذا الاستدلال.
أولًا، قد تتطلب أكسدة الفلز فقدان أكثر من إلكترون واحد، ولذلك تصف طاقة التأين الأولى مرحلة واحدة فقط من العملية. ثانيًا، قد يكون معدل التفاعل المُلاحظ محكومًا بإمكانية الوصول إلى سطح الفلز.
لذلك يمكن أن تتعايش الملاحظات الخمس كلها. فما تزال البنية الدورية تفسر التغيرات العامة في نصف القطر والسالبية الكهربية وسهولة فقد الإلكترونات، في حين يمكن للتوزيع الإلكتروني أن يُحدث استثناءات موضعية في طاقة التأين، ويمكن للتخميل أن يغير ما يُلاحظ تجريبيًا.
وهذه هي الخلاصة المفيدة للاتجاهات الدورية: ليس مجرد حفظ أن النشاط يزداد باتجاه أسفل يسار الجدول الدوري، بل القدرة على تفسير سبب وجود هذا الاتجاه، والتعرف على الحالات التي لا تكفي فيها خاصية واحدة، ثم ربط البنية الذرية بالملاحظات الفعلية مثل التفاعلات مع الأكسجين والعوامل المؤكسدة الأخرى.