الاتجاهات الدورية: كيف يتغير نصف القطر الذري والكهرسلبية وطاقة التأين

فكرتان وراء كل اتجاه

يأتي كل اتجاه تقريباً من تأثيرين. الأول هو الشحنة النووية. فعبر دورة، يكون لكل عنصر بروتون واحد إضافي، لذا تشدّ النواة الإلكترونات بقوة أكبر. والإلكترونات المضافة إلى الغلاف نفسه لا تحجب بعضها بعضاً إلا قليلاً، لذا تشعر الإلكترونات الخارجية بجذب أقوى، يسمى الشحنة النووية الفعالة، من اليسار إلى اليمين.

والثاني هو عدد الأغلفة. فعند النزول في مجموعة، يكون لكل عنصر غلاف مشغول إضافي، لذا تقع الإلكترونات الخارجية أبعد عن النواة ويحجبها عدد أكبر من الإلكترونات الداخلية. فهي مشدودة بإحكام أقل، مع أن في النواة بروتونات أكثر.

نصف القطر الذري

يقيس نصف القطر الذري حجم الذرة. وهو يقل عموماً عبر الدورة، لأن الجذب الأقوى يسحب سحابة الإلكترونات إلى الداخل. ويزداد عند النزول في المجموعة، لأن كل غلاف جديد يقع أبعد إلى الخارج. والأيونات الموجبة أصغر من ذراتها، والأيونات السالبة أكبر.

تُظهر الفلزات القلوية اتجاه المجموعة بوضوح في بيانات هذا الموقع: الليثيوم 182 pm، والصوديوم 227 pm، والبوتاسيوم 275 pm، والروبيديوم 303 pm، والسيزيوم 343 pm. وتعتمد قيم نصف القطر على طريقة القياس (أنصاف الأقطار التساهمية أو الفلزية أو أنصاف أقطار فان دير فالس)، لذا تعطي الجداول المختلفة أعداداً مختلفة، والاتجاه عبر الدورة نمط عام وليس نمطاً سلساً تماماً.

الكهرسلبية

تقيس الكهرسلبية مدى قوة جذب الذرة للإلكترونات المشتركة في رابطة كيميائية. وعلى مقياس بولنغ، ترتفع عبر الدورة وتنخفض عند النزول في المجموعة.

في الدورة 2 ترتفع من الليثيوم (0.98) مروراً بالكربون (2.55) والأكسجين (3.44) إلى الفلور (3.98)، وهو أكثر العناصر كهرسلبية. وعند النزول في المجموعة 17 تنخفض من الفلور إلى الكلور (3.16) والبروم (2.96) واليود (2.66). وتقع أدنى القيم في أسفل اليسار، مثل السيزيوم عند 0.79. أما الهيليوم والنيون والأرغون فليس لها قيمة لأنها لا تكوّن مركبات مستقرة.

يتنبأ الفرق في الكهرسلبية بنوع الرابطة. فالفرق الكبير، كما بين الصوديوم (0.93) والكلور (3.16)، يعطي رابطة أيونية، بينما يعطي الفرق الصغير رابطة تساهمية.

طاقة التأين

طاقة التأين هي الطاقة اللازمة لنزع الإلكترون الأخير من ذرة في الطور الغازي. وهي ترتفع عبر الدورة لأن الإلكترونات تُمسك بإحكام أكبر، وتنخفض عند النزول في المجموعة لأن الإلكترون الخارجي أبعد عن النواة.

عبر الدورة 3 ترتفع من 5.139 eV للصوديوم إلى 15.76 eV للأرغون، وعند النزول في المجموعة 1 تنخفض من 5.392 eV للليثيوم إلى 3.894 eV للسيزيوم. وللهيليوم أعلى طاقة تأين أولى بين جميع العناصر، 24.587 eV. وتوجد انخفاضات صغيرة على الطريق: فالبورون أدنى من البريليوم لأن إلكترونه الخارجي في غلاف فرعي 2p أعلى طاقة، والأكسجين أدنى من النيتروجين لأن إلكترونه 2p الرابع يشارك أوربيتالاً، حيث يجعل التنافر نزعه أسهل.

الصفة الفلزية والتفاعلية

تصف الصفة الفلزية مدى سهولة فقد الذرة للإلكترونات. وهي تتبع نمطاً معاكساً لطاقة التأين: فهي تقل عبر الدورة وتزداد عند النزول في المجموعة. ولهذا تقع أكثر العناصر فلزية، مثل السيزيوم والفرانسيوم، في أسفل اليسار، وتقع أكثرها لافلزية، مثل الفلور والأكسجين، في أعلى اليمين.

تنتج التفاعلية عن هذه الاتجاهات لكنها تعتمد على المجموعة. فتزداد تفاعلية الفلزات القلوية عند النزول في المجموعة لأن إلكترون تكافؤها الوحيد يسهل فقده: فالليثيوم يتفاعل مع الماء بثبات، بينما يتفاعل البوتاسيوم بعنف. وتقل تفاعلية الهالوجينات عند النزول في المجموعة لأن الذرات الأكبر تجذب إلكتروناً إضافياً بقوة أقل، لذا فالفلور أكثر الهالوجينات تفاعلاً.