מגמות מחזוריות: איך משתנים רדיוס אטומי, שליליות חשמלית ואנרגיית יינון

שני רעיונות שמאחורי כל מגמה

כמעט כל מגמה נובעת משתי השפעות. הראשונה היא המטען הגרעיני. לאורך מחזור, לכל יסוד יש פרוטון אחד נוסף, ולכן הגרעין מושך חזק יותר את האלקטרונים. אלקטרונים שמתווספים לאותה קליפה כמעט אינם מסתירים זה את זה, ולכן האלקטרונים החיצוניים חשים משיכה חזקה יותר, הנקראת המטען הגרעיני האפקטיבי, משמאל לימין.

השנייה היא מספר הקליפות. כשיורדים בקבוצה, לכל יסוד יש קליפה תפוסה אחת נוספת, ולכן האלקטרונים החיצוניים רחוקים יותר מהגרעין ומוסתרים על ידי יותר אלקטרונים פנימיים. הם מוחזקים פחות בחוזקה, אף שבגרעין יש יותר פרוטונים.

רדיוס אטומי

הרדיוס האטומי מודד את גודל האטום. לאורך מחזור הוא קטן בדרך כלל, כי המשיכה החזקה יותר מושכת את ענן האלקטרונים פנימה. כשיורדים בקבוצה הוא גדל, כי כל קליפה חדשה נמצאת רחוק יותר. יונים חיוביים קטנים מהאטומים שלהם, ויונים שליליים גדולים מהם.

המתכות האלקליות מראות את המגמה בקבוצה בבירור בנתוני האתר הזה: ליתיום 182 pm, נתרן 227 pm, אשלגן 275 pm, רובידיום 303 pm וצזיום 343 pm. ערכי הרדיוס תלויים באופן המדידה (רדיוס קוולנטי, מתכתי או ואן דר ואלס), ולכן טבלאות שונות נותנות מספרים שונים, והמגמה לאורך מחזור היא דפוס כללי ולא דפוס חלק לחלוטין.

שליליות חשמלית

שליליות חשמלית מודדת באיזו עוצמה אטום מושך אליו את האלקטרונים המשותפים בקשר כימי. בסולם פאולינג, היא עולה לאורך מחזור ויורדת כשיורדים בקבוצה.

במחזור 2 היא עולה מליתיום (0.98) דרך פחמן (2.55) וחמצן (3.44) עד פלואור (3.98), היסוד בעל השליליות החשמלית הגבוהה ביותר. בקבוצה 17 היא יורדת מפלואור לכלור (3.16), לברום (2.96) וליוד (2.66). הערכים הנמוכים ביותר נמצאים בפינה השמאלית התחתונה, כמו צזיום ב-0.79. להליום, לניאון ולארגון אין ערך כי הם אינם יוצרים תרכובות יציבות.

ההפרש בשליליות החשמלית מנבא את סוג הקשר. הפרש גדול, כמו בין נתרן (0.93) לכלור (3.16), יוצר קשר יוני, ואילו הפרש קטן יוצר קשר קוולנטי.

אנרגיית יינון

אנרגיית יינון היא האנרגיה הדרושה להסרת האלקטרון החיצוני ביותר מאטום בפאזה גזית. היא עולה לאורך מחזור, כי האלקטרונים מוחזקים בחוזקה רבה יותר, ויורדת כשיורדים בקבוצה, כי האלקטרון החיצוני רחוק יותר מהגרעין.

לאורך מחזור 3 היא עולה מ-5.139 eV בנתרן ל-15.76 eV בארגון, ובקבוצה 1 היא יורדת מ-5.392 eV בליתיום ל-3.894 eV בצזיום. להליום יש אנרגיית היינון הראשונה הגבוהה ביותר מבין כל היסודות, 24.587 eV. יש בדרך שקעים קטנים: בור נמוך מבריליום כי האלקטרון החיצוני שלו נמצא בתת-קליפה 2p בעלת אנרגיה גבוהה יותר, וחמצן נמוך מחנקן כי האלקטרון הרביעי שלו ב-2p חולק אורביטל, ושם הדחייה מקלה על הסרתו.

אופי מתכתי ותגובתיות

אופי מתכתי מתאר באיזו קלות אטום מאבד אלקטרונים. הוא פועל בדפוס הפוך לאנרגיית היינון: הוא קטן לאורך מחזור וגדל כשיורדים בקבוצה. לכן היסודות המתכתיים ביותר, כמו צזיום ופרנציום, נמצאים בפינה השמאלית התחתונה, והלא-מתכתיים ביותר, כמו פלואור וחמצן, נמצאים בפינה הימנית העליונה.

תגובתיות נובעת מהמגמות האלה אך תלויה בקבוצה. מתכות אלקליות נעשות תגובתיות יותר כשיורדים בקבוצה כי קל יותר לאבד את אלקטרון הערכיות היחיד שלהן: ליתיום מגיב עם מים בקצב יציב, ואילו אשלגן מגיב באלימות. הלוגנים נעשים פחות תגובתיים כשיורדים בקבוצה כי אטומים גדולים יותר מושכים אלקטרון נוסף בחוזקה פחותה, ולכן פלואור הוא ההלוגן התגובתי ביותר.