الدرس الثاني: الخصائص الدورية للعناصر
الثانوي - الصف العاشر
الخصائص الدورية للعناصر
١. مقدمة ونتاجات التعلم
لكل ذرة تركيب خاص يحدد خصائصها. تملك العناصر صفات مرتبطة بتوزيعها الإلكتروني وموقعها في الجدول الدوري تتكرر بشكل دوري.
أهم المفاهيم:
- نصف القطر الذري (Atomic Radius)
- طاقة التأين (Ionization Energy)
- السالبية الكهربائية (Electronegativity)
- الألفة الإلكترونية (Electron Affinity)
٢. نصف القطر الذري: المفهوم والقياس
بما أن الذرة ليس لها حدود واضحة تماماً (بسبب السحابة الإلكترونية)، لا يمكن قياس نصف قطرها مباشرة لذرة مفردة. لذلك يعتمد العلماء على المسافة بين أنوية الذرات المتجاورة لتقدير الحجم.
كيف يقاس نصف القطر الذري؟
يُقاس في العناصر الفلزية (الحالة الصلبة). هو نصف المسافة بين نواتي ذرتين متجاورتين في التركيب البلوري.
يُقاس في اللافلزات (الجزيئات). هو نصف المسافة بين نواتي ذرتين مرتبطتين برابطة تساهمية (مثل Cl-Cl).
٣. العوامل المؤثرة في الحجم الذري
لفهم لماذا يختلف حجم الذرات، يجب دراسة عاملين رئيسيين:
1- عدد الكم الرئيسي (n) (↑)
يمثل رقم الغلاف الرئيسي الذي تتواجد فيه إلكترونات التكافؤ.
الأثر: كلما زاد (n)، زاد عدد الأغلفة، مما يعني ابتعاد الإلكترونات الخارجية عن النواة وبالتالي زيادة الحجم +.
2- شحنة النواة الفعالة (Zeff) (↓)
هي الشحنة الموجبة الفعلية التي تؤثر بها النواة على إلكترونات الغلاف الخارجي.
الأثر: كلما زادت شحنة النواة الفعالة، زاد جذب النواة للإلكترونات وسحبها نحو المركز، مما يؤدي إلى تقلص الحجم -.
٤. تدرج نصف القطر الذري في الجدول الدوري
الاتجاهات العامة:
عبر المجموعة (من أعلى لأسفل) ↓ +
يزداد الحجم الذري
عبر الدورة (من اليسار لليمين) ← -
يقل الحجم الذري
التفسير العلمي (لماذا يتغير؟):
بسبب زيادة عدد مستويات الطاقة الرئيسية (n). امتلاء مستويات جديدة بالإلكترونات يبعد إلكترونات التكافؤ عن النواة، ويقلل من تأثير جذب النواة لها (بسبب حجب المستويات الداخلية)، مما يؤدي لزيادة نصف القطر.
لأننا نضيف بروتونات وإلكترونات في نفس مستوى الطاقة الرئيسي (n ثابت). هذا يؤدي لزيادة شحنة النواة الفعالة (Zeff) وزيادة قوة جذب النواة للإلكترونات، مما يقلص حجم الذرة.
أمثلة تطبيقية: مقارنة وترتيب الحجم الذري
١. مقارنة عنصرين في نفس المجموعة:
سؤال: أيهما أكبر حجماً: الليثيوم (₃Li) أم الصوديوم (₁₁Na)؟
- التوزيع الإلكتروني: Li: [He] 2s¹ (ينتهي بالمستوى 2) | Na: [Ne] 3s¹ (ينتهي بالمستوى 3).
- السبب: الصوديوم يمتلك عدد مستويات طاقة رئيسية أكثر (3 مستويات) من الليثيوم (مستويين).
- النتيجة: حجم Na > Li.
٢. مقارنة عنصرين في نفس الدورة:
سؤال: أيهما أكبر حجماً: الصوديوم (₁₁Na) أم المغنيسيوم (₁₂Mg)؟
- الموقع: كلاهما في الدورة الثالثة (نفس عدد المستويات n=3).
- السبب: المغنيسيوم (12 بروتون) يمتلك شحنة نواة فعالة أكبر من الصوديوم (11 بروتون)، مما يزيد جذب النواة للإلكترونات ويقلص الحجم.
- النتيجة: حجم Na > Mg.
٣. ترتيب العناصر:
سؤال: رتب العناصر التالية تنازلياً حسب الحجم الذري (من الأكبر للأصغر): ₈O, ₆C, ₃Li, ₉F
1. نحدد موقع العناصر: جميعها في الدورة الثانية.
2. القاعدة: في الدورة، يقل الحجم بزيادة العدد الذري (كلما اتجهنا لليمين).
3. ترتيب العدد الذري: Li(3) < C(6) < O(8) < F(9).
4. إذن ترتيب الحجم هو العكس:
الأكبر حجماً (Li) ← الأصغر حجماً (F)
٥. نصف القطر الأيوني
أصغر حجماً من ذرته المتعادلة. (فقدان الإلكترونات يقلل التنافر وأحياناً يلغي مستوى طاقة كامل، وتزداد شحنة النواة الفعالة).
أكبر حجماً من ذرته المتعادلة. (كسب الإلكترونات يزيد التنافر بين إلكترونات الغلاف الخارجي فيتوسع المدار).
محاكاة نصف القطر الأيوني
قارن بين حجم الذرة المتعادلة وحجم أيونها (+ أو -).
كلما زاد العدد الذري (عدد البروتونات)، زاد جذب النواة وقل الحجم.
الترتيب: Mg²⁺ < Na⁺ < F⁻ < O²⁻
٦. طاقة التأين (Ionization Energy)
التعريف: الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لنزع الإلكترون الأبعد عن النواة من الذرة المفردة وهي في الحالة الغازية.
بسبب زيادة الحجم وبعد الإلكترون عن النواة وضعف الجذب.
بسبب صغر الحجم وزيادة شحنة النواة الفعالة.
محاكاة طاقة التأين
جرب تطبيق الطاقة لنزع الإلكترون من ذرات مختلفة.
٧. الألفة الإلكترونية (Electron Affinity)
التعريف: كمية الطاقة المنطلقة عند إضافة إلكترون إلى ذرة غازية متعادلة لتكوين أيون سالب.
تعتبر مقياساً لمدى قابلية الذرة لكسب الإلكترونات.
محاكاة الألفة الإلكترونية
شاهد كيف تكتسب الذرات إلكتروناً وتطلق طاقة (أو لا).
ملاحظة: الفلور والكلور هما الأعلى في الألفة الإلكترونية.
٨. السالبية الكهربائية (Electronegativity)
التعريف: قدرة الذرة في الجزيء التساهمي على جذب إلكترونات الرابطة نحوها.
محاكاة السالبية الكهربائية
لاحظ تأثير فرق السالبية على توزيع الإلكترونات.
تدرج السالبية الكهربائية:
- في الدورة: تزداد بزيادة العدد الذري (نحو اليمين) + لصغر الحجم وزيادة جذب النواة.
- في المجموعة: تقل بزيادة العدد الذري (نحو الأسفل) - لكبر الحجم وبعد إلكترونات الرابطة عن النواة.
٩. محاكاة تفاعلية للخصائص الدورية
استكشف كيف تتغير الخصائص عبر الجدول الدوري.
ملخص العلاقات الدورية
| الخاصية | عبر الدورة (←) | عبر المجموعة (↓) |
|---|---|---|
| نصف القطر الذري | يقل - | يزداد + |
| طاقة التأين | تزداد + | تقل - |
| السالبية الكهربائية | تزداد + | تقل - |
أسئلة تفكير
- فسر: لماذا حجم أيون الصوديوم (Na⁺) أصغر بكثير من ذرة الصوديوم (Na)؟
- قارن: رتب العناصر التالية تصاعدياً حسب طاقة التأين: (Li, F, C, Ne).
- تحليل: لماذا تزداد السالبية الكهربائية كلما اتجهنا يميناً في الجدول الدوري؟