אנשים רבים אינם מבינים את חשיבותה של הטבלה המחזורית. הם יטענו שמדובר בסך הכל בצורת סידור של היסודות בטבע. כדי להבין את חוכמתה ולדעת איך לדלות ממנה את המידע הרב שמציעה הדרך שבה היסודות השונים מסודרים בה, צריך לדעת איך לקרוא אותה. דמיטרי מנדלייב, שפיתח אותה, הצליח לסדר את היסודות בצורה שתעיד על המאפיינים שלהם. הוא השתמש בכל הידע שהיה זמין בשנת 1869 על היסודות שהיו ידועים באותה תקופה וחיפש דרך להכיל את כל הידע האנושי על היסודות הללו כך שיהיה פרוש בפני קוראי הטבלה רק על פי צורתה.

בשנים ההן יסודות רבים עוד לא התגלו, וגם הידע על היסודות המוכרים היה מצומצם יחסית. מנדלייב נעזר בעבודותיהם של דלתון, שקבע את המסה האטומית של כל יסוד, ושל דובריינר שבחן את התגובות הכימיות האופייניות של יסודות שונים.

 

איך נכון להסתכל על הטבלה המחזורית?
נתחיל בסידור הבולט ביותר – המספר האטומי. היסודות מסודרים לפי מספר אטומי עולה. לכל יסוד ניתן מספר אטומי שאומר לנו כמה פרוטונים, כמה ניוטרונים וכמה אלקטרונים יש לו. ניקח לדוגמה את אטום החמצן: מספרו האטומי הוא 8, ולכן אנו יודעים שלאטום החמצן יש שמונה פרוטונים, שמונה ניוטרונים ושמונה אלקטרונים.

לפי המספר האטומי של היסוד אפשר לדעת בקירוב את מסתו, לפחות עבור עשרים היסודות הראשונים בטבלה. המספר מעיד כמה פרוטונים יש ליסוד, משום שידוע שכל פרוטון מצומד לניוטרון ששוקל בדיוק כמוהו, והמשקל של האלקטרונים קטן עד כדי כך שאפשר להזניח אותו. 

לדוגמה, המספר האטומי של פחמן(C) הוא 6, כלומר המסה של מול אטומי פחמן תהיה 12 גרם. חשוב לזכור שיש עוד גורמים שמשפיעים על מסת האטום, ולכן השיטה הזו אמנם מדויקת מספיק עבור עשרים היסודות הראשונים, אך לא עבור הכבדים מהם. אם ניקח יסוד כבד כמו הזהב שמספרו האטומי הוא 79, נגלה שלמרות שיש לו 79 פרוטונים בגרעין, המסה של מול אטומי זהב תהיה בערך 197 גרם, ולא 158 גרם כפי שאפשר היה לצפות מהכפלה פשוטה.

הסידור הבא הוא סידור היסודות בטורים. כל טור בטבלה הוא משפחה כימית, כלומר המאפיינים הכימיים של היסודות בו דומים. הדמיון הזה נובע מכך שלכל היסודות בטור יש אותו מספר של אלקטרונים בקליפה החיצונית שלהם. האלקטרונים האלו משפיעים בצורה משמעותית ביותר על הנטייה של היסוד להגיב עם חומרים ויסודות אחרים. לכל היסודות בטור הראשון, לדוגמה, יש אלקטרון אחד בקליפתם החיצונית, ולכן התגובה שלהם עם מים תהיה חזקה מאוד.
 

מה קורה כשנתרן פוגש מים; נוצר על ידי ScienceFix

 

ארבעה טורים בטבלה – שני הראשונים ושני האחרונים, הם בעלי הדמיון המשפחתי הגדול ביותר.

הטור הראשון בטבלה הוא הטור של המתכות האלקליות. לכל היסודות האלו יש אלקטרון אחד בקליפה החיצונית. האלקטרון הזה גורם להם להיות פעילים מאוד מבחינה כימית, ולכן יש לאחסן אותם בשמן כדי למנוע מהם להגיב עם האוויר או עם אדי מים. המתכות האלו רכות מאוד, מוליכות, בעלות טמפרטורת התכה נמוכה וניתנות לריקוע. ככל שיורדים בטור, המתכות הופכות רכות יותר וטמפרטורת ההתכה שלהן פוחתת.

הטור השני הוא של המתכות העפרתיות-אלקליות, שלכולן יש שני אלקטרונים בקליפה החיצונית. היסודות במשפחה הזו דומים למתכות האלקליות אבל פחות פעילים מהן מבחינה כימית. מפני שיש להם שני אלקטרונים בקליפה, הם נוטים ליצור תרכובות שונות מהמתכות האלקליות.

הטור השביעי מכיל את ההלוגנים. אלו הן אל-מתכות עם שבעה אלקטרונים בקליפתן החיצונית, כך שחסר להם אלקטרון אחד כדי להשלים קליפה מלאה. ההלוגנים פעילים מאוד מבחינה כימית, משום שהם רוצים לקבל עוד אלקטרון אחד מיסוד אחר כדי להשלים שמונה אלקטרונים בקליפה. כל ההלוגנים מתאפיינים בריח חריף ונמצאים בטבע בצורה דו-אטומית, למשל הכלור: Cl2.

הטור השמיני והאחרון הוא הטור של הגזים האצילים – כולם גזים חסרי טעם, ריח וצבע. ליסודות האלה יש קליפה חיצונית מלאה בשמונה אלקטרונים (פרט להליום שקליפתו המלאה כוללת שני אלקטרונים). הם לא רוצים לקבל אלקטרונים או לתת אותם בתגובה כימית, ולכן אינם נוטים ליצור תרכובות (אם בכלל). מכאן נגזר שמם, "גזים אצילים" – כלומר כאלה שלא מתערבבים עם אחרים.

סידור השורות
כל שורה בטור נקראת "מחזור", משום שהיא מתחילה ביסוד מהטור הראשון, שמתנהג כמתכת אלקאלית, ממשיכה במתכת אלקלית עפרורית ומסיימת בהלוגן כלשהו ובגז אציל. בכל שורה יש ביטוי למנעד שלם של יסודות, עם התכונות הכימיות האופייניות להם.

השורה נותנת ביטוי למספר רמות האנרגיה של האלקטרון. ניקח לדוגמה את טור המתכות האלקליות. בשורה השנייה שלו נמצא הליתיום (Li) שלו שתי רמות אנרגיה של אלקטרונים. בשורה השלישית נמצא הנתרן (Na) עם שלוש רמות, בשורה הרביעית אשלגן (K) עם ארבע רמות, וכן הלאה.

תופעות נוספות
עכשיו, אחרי שהבנו את הסידור של המספרים האטומיים, השורות והטורים, נוכל להסתכל על מגמות כלליות שיכולות לעזור לנו לחזות את ההתנהגות הכימית של היסודות.

אם נביט בטור כלשהו בטבלה ונרד לאורכו, ככל שנרד המספר האטומי יגדל, כלומר הגרעין של היסוד יהיה גדול יותר וגם יהיו לו יותר אלקטרונים שיסתדרו ביותר רמות אנרגיה, כך שקליפת האלקטרונים החיצונית תהיה רחוקה יותר מהגרעין.

בעקבות הסידור הזה אפשר לתת כמה כללי אצבע כלליים, למשל עבור אנרגיית היינון. אנרגיית היינון מוגדרת ככמות האנרגיה שעלינו להשקיע כדי להוציא אלקטרון מאטום במצב גזי. האנרגיה הזאת יכולה ללמד אותנו על רמת הפעילות הכימית של האטום, כמו גם על תכונותיו הכימיות והפיסיקליות.

למשל אם נביט בטור ספציפי נראה שירידה בטור מביאה ליסודות שבהם האלקטרונים בקליפה רחוקים יותר מהגרעין ולכן קל יותר להוציא מהם אלקטרון. ככל שנמשיך לרדת לאורך טור, כך אנרגיית היינון תקטן. אם נביט בשורה ספציפית, ככל שנעלה במספר האטומי הגרעין יהיה גדול יותר וחיובי יותר, כך שיהיה קשה יותר להוציא אלקטרון מהאטום. ככל שנעלה לאורך שורה, אנרגיית היינון תקטן.


התנהגויות בטבלה המחזורית | תרשים: על פי ויקיפדיה

הטבלה המחזורית אוגרת בתוכה ידע נוסף רב וכימאים מנוסים ומתחילים גם יחד משתמשים בה כדי ללמוד על המאפיינים המתכתיים, הסידור האלקטרוני, המספרים הקוונטיים, אלקטרו-שליליות, ההתנהגות היונית, התרכובות הצפויות במפגש בין יסודות שונים ועוד.

הטבלה המחזורית נחשבת כתולדה של פרץ גאונות. היא הרבה יותר מסתם סידור של יסודות – הטבלה ממיינת את היסודות על פי משפחות כימיות והתנהגויות כימיות, כך שעיקרי הסידור מאפשרים לחזות את ההתנהגות של יסודת לא מוכרים על פי ההיכרות שלנו עם היסודות הסמוכים להם. אם נדע לקרוא נכון את הטבלה המחזורית נוכל להרחיב את הידע הכימי שלנו וכך נבין טוב יותר את עולם היסודות והחומרים.

.

7 תגובות

  • רחל

    כתבה מאד בעיתית

    כפי שהעיר קודמי, ההסבר על המסה, שגויי , פשטני ומטעה. כבר לאיזוטופ השכיח של מימן אין נויטרון ובליתיום לשכיח 3 פרוטונים וארבעה נויטרונים. ההסבר על אלקטרוני הערכיות מנותק מכל רקע והקשר. עדיף היה להישאר בתאור התכונות של היסודות. אני מציעה לתקן משמעותית או לגנוז לגמרי את הכתבה הזו שלא מוסיפה כבוד לכותב שלה ולמכון דוידסון.

  • אנונימי

    יש טעות מהותית בהסבר על המסה

    יש טעות מהותית בהסבר על המסה של האטום יחסית למספר הפרוטונים, זה לא נכון שלכל פרוטון מצומד ניוטרון, ככל שעולים במספר האטומי היחס בין מספר הניוטרונים למספר הפרוטונים עולה ולכן לזהב יש מסה גדולה יותר מפי 2 מספר הפרוטונים. גם לא מדוייק להגיד שהמסה של פרוטון וניוטרון שווה בדיוק, כי לניוטרון מסה טיפה גדולה יותר.

  • ברק

    לא ההפך?

    שלום רב,
    במאמר כתבת: "ככל שנעלה לאורך שורה, אנרגיית היינון תקטן." לא התכוונת להפך, כלומר במקום המילה תקטן => תגדל?

  • רוני פיזם

    החמצה של הסיפור הגדול של מנדלייב

    אני מורה לכימיה בתיכון קרית טבעון. התחלת יפה 1869 ומייד ברחת לפרוטונים ניוטרונים ואלקטרוני ערכיות. זו החמצה. למה לא להתחיל מהקסם שסדרו מערכה מחזורית על בסיס מידע מאד מצומצם, מסה אטומית יחסית ,תכונות כימיות ופיזקליות ויחסי התרכבות ,ועל בסיס זה נבנתה המערכה המחזורית. כל המודלים המאוחרים רק מסבירים את התכונות , את ההדרגתיות וכו'. זה הכל פרשנות לעובדות ולא הסיבה למיקום. חבל

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    בשורה הראשונה

    היי רוני,
    אולי פספסת, בשורה הראשונה בכתבה יש קישור לכתבה קודמת, המספרת את כל הסיפור הגדול של מנדלייב, זאת כתבת המשך על הפרטים המדעיים. הנה הקישור שוב:
    http://davidson.weizmann.ac.il/online/maagarmada/chemistry/%D7%94%D7%92%...

  • חיים

    לגבי התמונה האחרונה

    האם זה לא נכון שככול שהיסוד נמצא בפינה היותר תחתונה ומשמאל היא יותר מתכתית ולא הפוך כפי שמראה הציור? שכן יסודות אל מתכתיים כמו חמצן,חנקן,פלואר וכו' נמצאים בפינה הימינת מימן לעומת בריום וצסיום אשר הם מתכתיים.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    צודק

    היי חיים,
    אתה צודק לחלוטין.
    זו היתה טעות והיא תוקנה.
    תודה על ההערה.