ساختار اتم و جدول تناوبی (شیمی ۱)

مهبانگ و پیدایش عنصرها

طبق نظریهٔ مهبانگ، جهان با انفجاری عظیم آغاز شد و در دماهای بسیار بالای لحظات اولیه، تنها ذرات زیراتمی (الکترون، پروتون، نوترون) وجود داشتند: $\text{انرژی عظیم}\rightarrow\text{الکترون}+\text{پروتون}+\text{نوترون}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. با کاهش دما، این ذرات به هستهٔ هیدروژن و هلیم تبدیل شدند: مسیر کامل پیدایش عنصرها این‌گونه است — مهبانگ ← ذرات زیراتمی ← هیدروژن و هلیم ← سحابی گازی ← ستاره‌ها ← واکنش‌های هسته‌ای ← عنصرهای سنگین‌تر ← انفجار ابرنواختر ← پراکندگی عنصرها در فضا. ستاره‌ها «کارخانهٔ تولید عنصر» نام دارند: در دل آن‌ها واکنش‌های هسته‌ای عنصرهای سنگین‌تر را می‌سازند، و عنصرهای سنگین‌تر از آهن تنها در انفجار ابرنواختری پدید می‌آیند. هیدروژن و هلیم نزدیک به ۹۸٪ جرم کیهان را تشکیل می‌دهند، اما هلیم روی زمین کمیاب است چون گرانش زمین نمی‌تواند این گاز سبک را نگه دارد. همین تفاوت گرانشی توضیح می‌دهد چرا مشتری عمدتاً از $\text{H}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{He}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی انباشته شده، در حالی‌که زمین از عنصرهای سنگین‌تری مانند اکسیژن، سیلیسیم، آهن و منیزیم ساخته شده است — گازهای سبک از گرانش کمتر زمین گریخته‌اند و تنها عنصرهای سنگین‌تر ماندگار شده‌اند.

ساختار اتم، ایزوتوپ‌ها و جرم اتمی

هر اتم با نماد $^A_ZE$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نشان داده می‌شود که در آن $Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (عدد اتمی) تعداد پروتون‌ها، $A$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (عدد جرمی) مجموع پروتون و نوترون، و $N=A-Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی عدد نوترونی است؛ برای آهن-۵۶: $Z=26،A=56،N=30$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. عدد اتمی هویت عنصر را تعیین می‌کند؛ اگر $Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تغییر کند، عنصر عوض می‌شود. ایزوتوپ‌ها اتم‌هایی از یک عنصرند که $Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یکسان اما $N$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (و در نتیجه $A$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) متفاوت دارند؛ خواص شیمیایی‌شان (وابسته به $Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) یکسان است، خواص فیزیکیِ وابسته به جرم (مثل چگالی) و جایگاهشان در جدول تناوبی یکسان است اما فقط جرم و برخی خواص فیزیکی فرق دارد. ایزوتوپ‌ها یا پایدارند (هستهٔ سالم، مثل کربن-۱۲) یا رادیوایزوتوپ (ناپایدار، با گذشت زمان با گسیل پرتو متلاشی می‌شوند، مانند کربن-۱۴ که در تعیین سن اشیاء باستانی کاربرد دارد). برای نمونه هیدروژن هفت ایزوتوپ شناخته‌شده دارد که پنج‌تای آن‌ها رادیوایزوتوپ‌اند، و اورانیم-۲۳۵ در اورانیم طبیعی تنها ۰.۷۲٪ فراوانی دارد؛ فرایند «غنی‌سازی» این درصد را برای مصارف نیروگاهی (۳ تا ۵٪)، پژوهشی (نزدیک ۲۰٪) یا نظامی (بیش از ۹۰٪) بالا می‌برد.

جرم هر ایزوتوپ بر حسب یکای جرم اتمی ($1\ \text{amu}=1.66054\times10^{-27}\ \text{kg}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، یک‌دوازدهم جرم کربن-۱۲) سنجیده می‌شود؛ جرم الکترون در برابر پروتون و نوترون آن‌قدر کوچک است که در محاسبات جرم اتمی نادیده گرفته می‌شود. چون عنصرها در طبیعت مخلوطی از ایزوتوپ‌هایند، جرم اتمیِ نوشته‌شده در جدول تناوبی میانگین وزنی جرم ایزوتوپ‌هاست: $\bar{m}=\sum_i f_i\times m_i$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، که $f_i$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد فراوانی هر ایزوتوپ است. برای نمونه جرم اتمی میانگین کلر از ترکیب ۷۵.۷۷٪ کلر-۳۵ و ۲۴.۲۳٪ کلر-۳۷ برابر ۳۵.۴۹ به دست می‌آید — به همین دلیل جرم اتمی در جدول تناوبی عددی صحیح نیست.

مول و عدد آووگادرو

یک مول از هر ماده برابر $N_A=6.022\times10^{23}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ذره (اتم، مولکول یا یون) از آن ماده است — مفهومی مشابه «شانه» برای شمارش گروهی به‌جای شمارش تک‌تک تخم‌مرغ. رابطهٔ کلیدی جرم مولی: $M=\dfrac{m}{n}\Rightarrow n=\dfrac{m}{M}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، و تعداد ذرات: $N=n\times N_A=\dfrac{m}{M}\times N_A$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. جرم مولی (بر حسب g/mol) عدداً با جرم اتمی میانگین (بر حسب amu) برابر است؛ مثلاً ۳۶ گرم گرافیت خالص ($M=12$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی g/mol) برابر با ۳ مول و $1.807\times10^{24}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اتم کربن است، و $3.01\times10^{23}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اتم مس معادل نیم مول و ۳۱.۷۵ گرم است.

جدول تناوبی

جدول تناوبی ۱۱۸ عنصر شناخته‌شده را در ۷ دوره (ردیف افقی، عنصرها بر اساس افزایش $Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی چیده شده‌اند) و ۱۸ گروه (ستون عمودی، عنصرها خواص شیمیایی مشابه دارند) سازمان می‌دهد. برای هر عنصر معمولاً نماد شیمیایی، عدد اتمی، جرم اتمی میانگین و نام آن آورده می‌شود. عنصرها بسته به زیرلایهٔ در حال پرشدنشان به چهار دستهٔ $s$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $p$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $d$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $f$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تقسیم می‌شوند.

نور، طیف و مدل بور

نور پرتوی الکترومغناطیسی است که با خود انرژی حمل می‌کند: $E=hf=\dfrac{hc}{\lambda}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، با رابطهٔ $c=f\times\lambda$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی میان سرعت نور، بسامد و طول موج. در طیف الکترومغناطیسی از امواج رادیویی تا پرتو گاما، طول موج کاهش و انرژی افزایش می‌یابد؛ در نور مرئی نیز هرچه طول موج کوتاه‌تر باشد (بنفش در برابر قرمز)، انرژی فوتون بیشتر است. طیف پیوسته همهٔ طول‌موج‌ها را دربردارد (مانند نور سفید خورشید)، اما طیف خطی (نشری) هر عنصر — مانند اثر انگشت — منحصربه‌فرد است و مبنای طیف‌سنجی برای شناسایی عنصرهاست؛ برای نمونه شعلهٔ سدیم زرد، پتاسیم بنفش، مس سبز و لیتیم قرمز رنگ است.

نیلز بور در سال ۱۹۲۲ مدلی ارائه داد که در آن الکترون‌ها در لایه‌های معین با انرژی مشخص و کوانتیده (گسسته، نه پیوسته) حرکت می‌کنند؛ جذب انرژی الکترون را به لایهٔ بالاتر برانگیخته و بازگشت آن به لایهٔ پایین‌تر فوتونی با طول‌موج مشخص گسیل می‌کند ($\Delta E=hf$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی). حداکثر الکترون هر لایهٔ $n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر $2n^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. هر لایه از زیرلایه‌های $s,p,d,f$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (متناظر با $l=0,1,2,3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) با گنجایش ترتیبی $2,6,10,14$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تشکیل شده که فرمول کلی آن $4l+2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.

آرایش الکترونی

الکترون‌ها طبق قاعدهٔ آفبا به ترتیب افزایش انرژی زیرلایه‌ها ($1s\to2s\to2p\to3s\to3p\to4s\to3d\to4p\to5s\to\ldots$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) پر می‌شوند. برای عنصرهای دستهٔ $s$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $p$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، شمارهٔ دوره برابر بزرگ‌ترین $n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در آرایش الکترونی و شمارهٔ گروه برابر تعداد الکترون‌های لایهٔ ظرفیت است؛ برای دستهٔ $d$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، شمارهٔ گروه از مجموع الکترون‌های $(n-1)d+ns$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به دست می‌آید (مثلاً آهن با آرایش $[\text{Ar}]3d^64s^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در گروه ۸ جای می‌گیرد). استثناهای مهم کروم و مس‌اند: به دلیل پایداری ویژهٔ زیرلایهٔ نیمه‌پر ($d^5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) یا کاملاً پر ($d^{10}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، یک الکترون از $4s$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به $3d$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی منتقل می‌شود ($_{24}\text{Cr}:[\text{Ar}]3d^54s^1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، نه $3d^44s^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ $_{29}\text{Cu}:[\text{Ar}]3d^{10}4s^1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی).

پیوند یونی و کووالانسی

اتم‌ها طبق قانون هشت‌تایی تمایل دارند با از دست دادن، گرفتن یا اشتراک‌گذاری الکترون به آرایش گاز نجیب (۸ الکترون در لایهٔ ظرفیت) برسند (استثنا: هلیم فقط با ۲ الکترون). فلزها با ۱ تا ۳ الکترون ظرفیت کاتیون و نافلزها با ۵ تا ۷ الکترون آنیون می‌سازند؛ نیمه‌فلزها معمولاً الکترون به اشتراک می‌گذارند و گازهای نجیب با ۸ الکترون واکنش نمی‌دهند. نیروی جاذبهٔ الکتروستاتیک بین کاتیون و آنیون پیوند یونی را می‌سازد (مثال: $\text{Ca}\rightarrow\text{Ca}^{2+}+2e^-$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{O}+2e^-\rightarrow\text{O}^{2-}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی که به $\text{CaO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌انجامد)، و در ترکیب یونی مجموع بارهای مثبت و منفی همواره صفر است — برای همین ترکیب آلومینیم و اکسیژن به فرمول $\text{Al}_2\text{O}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌رسد. وقتی دو اتم نافلز الکترون به اشتراک می‌گذارند تا هر دو به آرایش هشت‌تایی برسند، پیوند اشتراکی (کووالانسی) شکل می‌گیرد؛ نمونهٔ کلاسیک آن مولکول $\text{Cl}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است که هر اتم کلر با یک الکترون مشترک به آرایش پایدار می‌رسد. آرایش نقطه‌ای لوویس، ابداع گیلبرت نیوتن لوویس، روشی برای نمایش الکترون‌های ظرفیت دور نماد شیمیایی هر عنصر است و پایهٔ رسم ساختار مولکول‌هاست.