מבנה האטום והטבלה המחזורית

מסנן יכול להפריד חול מממיס מלח, אך אינו יכול להפריד נתרן מכלור בתריס מלח. ההבדל הוא בקישור כימי. נושא זה מקשר בין חלקיקים בחומר להפרדה, דגמי אטום ותבניות תגובות.

השתמש בשולחן המחזורית המסופק לזיהוי יסודות. ספור אטומים לפני איזון משוואה; ספור פרוטונים לפני זיהוי יסוד. משוואות יוניות/חצי-משוואות ברמה הגבוהה ותוכן כימיה ייעודי למתכות מעבר מסומנות למטה.

אטום הוא החלק הקטן ביותר של יסוד שיכול להתקיים. יסוד מכיל אטומים עם מספר אטומי אחד. הוא עשוי לכלול אטומים בודדים, כמו הליום, או מולקולות, כמו O₂. O₂ מכיל שני אטומים אך יסוד אחד בלבד.

תרכובת מכילה שני יסודות או יותר המשולבים כימית ביחסים קבועים. H₂O תמיד מכיל שני אטומי מימן לכל אטום חמצן. לתרכובות יש תכונות שונות מאלו של יסודותיהן והן ניתנות להפרדה ליסודות רק באמצעות תגובות כימיות. תגובה כימית יוצרת חומר אחד או יותר חדשים ולעיתים קרובות כרוכה בשינוי אנרגיה מורגש.

למד שמות וסמלים מודפקים נכון: Co פירושו קובלט, בעוד CO הוא חמצן חד-פחמני. השתמש ב-20 היסודות הראשונים, קבוצות 1 ו-7 ויסודות אחרים המצוינים בקורס. ה-20 הראשונים הם:

נוסחאות מציגות הרכב: MgCl₂ הוא כלור מגנזיום; Na₂O הוא חמצן נתרן. משוואה מילולית מפרטת תגובות ומוצרים: מגנזיום + חמצן → חמצן מגנזיום. משוואה סימולית משתמשת בנוסחאותיהן.

שיטה מודגמת — איזון: התחילו ב-Mg + O₂ → MgO. ישנם שני אטומי חמצן בצד שמאל ואחד בצד ימין. הניחו 2 לפני MgO, ולאחר מכן 2 לפני Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO. בדקו את המגנזיום: 2 = 2; את החמצן: 2 = 2. שינו מקדמים של חלקיקים שלמים, אך אל תשנו תת-מדדים בנוסחת חומר. MgO₂ הייתה נוסחה שונה. שלושה מולקולות H₂O מכילות שישה אטומי מימן ושלושה אטומי חמצן.

רמה גבוהה — מטען וגם אטומים: אבץ יוצר Zn²⁺ על ידי אובדן שני אלקטרונים: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. לשני הצדדים יש מטען כולל אפס. יון נחושת קולט שניים: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. חיבור המשוואות החצי-משוויות מבטל אלקטרונים: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. יוני סולפט הנוכחים ללא שינוי בתמיסה הם יוני צופים והם מושמטים. בדקו אטומים ומטען כולל לאחר הביטול; אל תבטלו מינים שהשתנו.

ערבוב מכיל חומרים שאינם מחוברים כימית. כל אחד שומר על תכונותיו הכימיות. הפרדה פיזיקלית אינה יוצרת חומר חדש; בחרו שיטה באמצעות תכונות המרכיבים והמוצר הרצוי.

שיטה מודגמת — מלח טהור ויבש מחול, מלח ומים: ערבבו כדי להמיס כל מלח שנותר. סננו; חול נשאר על הנייר ותמיסת המלח עוברת דרכו. חממו את תמיסת הסינון בעדינות כדי לאדות חלק מהמים, ולאחר מכן קררו ליצירת גבישים. סננו את הגבישים וייבשו אותם בין ניירות סינון. שטיפת החול בכמות מעטה של מים יכולה להשיב תמיסת מלוח שנכלאה איתו. סינון לבדו אינו מסוגל לאסוף מלח מומס.

מיסול משחזר נוזל באמצעות אידוי ולאחר מכן עיבוי.

הסבר מודגם — שחזרו את המים במקום זאת: השתמשו במיסול פשוט. חממו את תמיסת המלח; קיטור המים יוצא מהבקבוק, מתקרר בעריכך ומתקבל כמים נוזליים. אידוי ללא איסוף הקיטור גורם לאובדן המוצר הרצוי. בחרו במיסול פרקציונלי לשני נוזלים התמזגים זה עם זה; מסנן אינו יכול להפריד ביניהם. עבור כרומטוגרפיה, שמרו על קו ההתחלה העפרוני מעל הנוזל כך שהדגימה תעלה בחומר הנעול במקום להתמוסס ישירות במאגר הנוזל.

דגם מדעי הוא נציגות המסבירה עדות. תצפיות חדשות עשויות לשנות או להחליף אותו. אטומים מוקדמים היו כדורים זעירים שאינם ניתנים לחלוקה. גילוי האלקטרון השלילי דרש מבנה פנימי, מה שנתן את דגם עוגת הסוכר: אלקטרונים טבועים בכדור מפוזר של מטען חיובי.

פיזור אלפא, רוב חלקיקי האלפא החיוביים עברו דרך דקית מתכת, חלק מהם הוסטו וחלק ספורים מאוד חזרו לאחור. תצפיות אלו תומכות במסקנות שונות:

הדגם הגרעיני החליף את המטען החיובי המפוזר בגרעין חיובי זעיר ואלקטרונים סביבו. בורthen הציע אלקטרונים תופסים מרחקים/רמות אנרגיה ספציפיים, תואם לתצפיות. עבודות מאוחרות זיהו פרוטונים כיחידות של מטען חיובי גרעיני. עדותו של צ'אדוויק קבעה נייטרונים בגרעין כעשרים שנה לאחר שהדגם הגרעיני התקבל. איננו נדרש ציוד ניסויים מפורט של בורthen/צ'אדוויק.

הסבר מודגם: "חלק מהחלקיקים קפוץ אחורה, ולכן כל האטום מוצק" סותר את התצפית שרובם עברו. העדות המשולבת דורשת גרעין צפוף קטן בתוך אטום ריק ברובו. דגם חייב לקחת בחשבון את הדפוס המלא, ולא תצפית בודדת שנבחרה.

המספר האטומי Z הוא מספר הפרוטונים ומזהה את היסוד. לכל אטומי היסוד הזה יש אותה Z. מספר המסה A הוא פרוטונים + נייטרונים. אטום ניטרלי יש לו מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים, ולכן המטענים ביטולים. יון נוצר על ידי שינוי אלקטרונים; שינוי מספר פרוטונים ישנה את היסוד.

ספירת חלקיקים מודגמת: אטום כלור-37 יש לו Z = 17. פרוטונים = 17; נייטרונים = 37 − 17 = 20; אלקטרונים = 17. Cl⁻ קיבל אלקטרון אחד, מה שנותן 18 אלקטרונים בעוד פרוטונים/נייטרונים נשארים 17/20. עבור סידן-40, Z = 20: Ca²⁺ יש לו 20 פרוטונים, 20 נייטרונים ו18 אלקטרונים.

איזוטופים הם אטומים של אותו יסוד עם מספרים שונים של נייטרונים. כלור-35 וכלור-37 יש להם שתיהם 17 פרוטונים, אך 18 ו20 נייטרונים בהתאמה. הם נשארים כלור; מספר מסה שונה אינו אומר יסוד שונה.

רדיוס אטום טיפוסי הוא כ-0.1 ננומטר = 1 × 10⁻¹⁰ מטר; 1 ננומטר = 10⁻⁹ מטר. רדיוס הגרעין קטן מאחוז האטום, בסדר גודל של 10⁻¹⁴ מטר. כמעט כל המסה ממוקמת בגרעין. אלו סדרי גודל משוערים, ולא מידות מדויקות של כל אטום.

Worked scale: if an atom's radius were enlarged to 1 m, a nucleus one ten-thousandth as large would have radius 1/10 000 m = 0.0001 m = 0.1 mm. The actual specified nucleus is smaller than that ratio. Compare radius with radius; an atom's diameter is twice its radius. Atoms of diameter about 2 × 10⁻¹⁰ m would number about 5 × 10⁶ along a 1 mm line, ignoring gaps: (1 × 10⁻³)/(2 × 10⁻¹⁰).

מסה אטומית יחסית Aᵣ היא ממוצע משוקל לפי שכיחות, ללא יחידת מידה. אינה חייבת להיות מספר שלם. השתמש בשכיחויות באחוזים, ולא בממוצע לא משוקל:

Worked mean: 75% chlorine-35 and 25% chlorine-37 give (35 × 75 + 37 × 25)/100 = (2625 + 925)/100 = 35.5. This is closer to 35 because that isotope is more abundant; it lies between 35 and 37. No single atom has “35.5 neutrons” or a mass number of 35.5.

אלקטרון מעטפת חיצונית נמצא במעטפת התפוסה הגבוהה ביותר באטום ועוזר לקבוע את תגובותיו.

Electrons occupy the lowest available energy levels first. For the first twenty neutral atoms, use the GCSE shell model: first shell up to 2, second up to 8, then 8 before the fourth begins. This is the required limited model, not a universal rule for all elements.

Worked arrangement: calcium has Z = 20 and therefore 20 electrons. Place 2 in the first shell, 8 in the second, 8 in the third and 2 in the fourth: 2,8,8,2. A diagram must show those four shells and the same total number of electrons. Chlorine is 2,8,7, with three occupied shells and seven outer electrons.

הטבלה המחזורית המודרנית מסדרת את היסודות לפי מספר הפרוטונים. מחזור הוא שורה; מספר המעטפות התפוסות קובע את המחזור. קבוצה היא עמודה המכילה יסודות בעלי תכונות כימיות קשורות. עבור הקבוצות הראשיות 1–7, מספר הקבוצה נותן את מספר האלקטרונים החיצוניים. לקבוצה 0 יש מעטפה חיצונית מלאה: הליום ישנם שני אלקטרונים, בעוד שאר הגזים האצילים בדגם זה ישנם שמונה. יוצא מן הכלל זה מונע טיפול בכל חבר בקבוצה כבעל אותה כמות אלקטרונים.

חישוב הדמיה: יסוד לא ידוע מהעשרה הראשונים יש לו 2,8,1. יש לו 11 אלקטרונים/פרוטונים, ולכן הוא נתרן, במחזור 3 ובקבוצה 1. האלקטרון החיצוני היחיד שלו עוזר לחזות יצירת יון +1 ותגובות דומות לליthium/קוטאסיום. יסוד עם 2,8,7 במקום זאת נוטה לקבל אלקטרון אחד בתגובות יוניות. מיקום תומך בחישובים; אינו מחליף את עדות התגובה.

טבלות מוקדמות השתמשו במשקל אטומי עולה לפני שחלקיקים תת-אטומיים נתגלו. הן היו חסרות וחילוק מדויק לפי מסה שימוץ כמה יסודות עם שכנים לא דומים. מנדלייב השאיר רווחים ליסודות שלא נתגלו ועיתים רבות שינה את סדר המשקלים כדי לשמור על תכונות דומות יחד. הוא תחזה תכונות של יסודות חסרים; גילויים מאוחרים שתאימו לתחזיות אלו תמכו בסידור שלו. ידע על איזוטופים הסביר מדוע סדר המשקל האטומי הממוצע לא תמיד התאים לזהות היסוד. סידור מודרני משתמש במספר פרוטונים.

שיפוט ערכים: מציאת יסוד עם התכונות המתוחזות ברווח תומכת בטבלה בחוזקה רבה יותר מאשר פשוט מציאת יסוד חדש כלשהו. תחזית שנכשלה תוביל לבדיקה מחודשת של הסידור. השארת רווחים הייתה הצעה ניתנת לבדיקה, ולא הוכחה בעצמה.

מתכות, בעיקר בצד שמאל/תחתון, יוצרות יונים חיוביים בתגובות על ידי אובדן אלקטרונים. לא-מתכות, בעיקר בצד ימין/עליון, אינן יוצרות אופיינית יונים חיוביים; הן עשויות לקבל אלקטרונים או לחלק בהם בקשרים קוולנטיים. רוב היסודות הם מתכות. מתכות בדרך כלל מוליכות חום/חשמל, מבריקות וניתנות לעיקום או לעיצוב; לא-מתכות מוצקות הן לעיתים קרובות שבירות ומוליכות רעות. אלו דפוסים מאפיין עם חריגות, כמו גרפיט מוליך, ולא הגדרות ללא חריגות.

גזים אצילים הם לא-תגובתיים ואינם יוצרים מולקלות בקלות משום שיש לאלקטומיה מעטפות חיצוניות מלאות ויציבות. הם חד-אטומיים. נקודות הרתיחה שלהם עולות כלפי מטה בקבוצה 0 כאשר המסה האטומית היחסית עולה. השתמש בנתוני מגמה ספויקים כדי לחזות ערך ביניים או האם חבר מאוחר יותר רותח בטמפרטורה גבוהה יותר; אל תטען ערכים מדויקים ללא נתונים.

Alkali metals in Group 1 have one outer electron and form +1 ions. Lithium, sodium and potassium react with oxygen to form oxides, with chlorine to form chlorides, and with water to form a metal hydroxide and hydrogen. In the school model, 4Li + O₂ → 2Li₂O; 2Na + Cl₂ → 2NaCl; 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂. Do not assume every oxygen product under every condition has the same formula; use supplied formulas when balancing.

עם מים, ליתיום מזנק ומזיז לאט; נתרן מגיב מהר יותר ולעיתים קרובות נמס לכדור זז; אשלגן מגיב עוד יותר בכוח ועשוי לדלק עם להבת סגולה. אלו תצפיות של הדגמות מופקחות. הכימיות עולה למטה בקבוצה: יותר מעטפות תפוסות מרחיקות את האלקטרון החיצוני מהגרעין עם יותר צל, כך שהוא מאבד יותר בקלות למרות המטען הגרעיני הגדול יותר.

הלוגנים בקבוצה 7 ישנם שבעה אלקטרונים בשכבה החיצונית ויוצרים מולקולות דו-אטומיות: Cl₂, Br₂ ו-I₂. בטמפרטורת החדר כלור הוא גז ירוק-בהיר, ברומ הוא נוזל אדום-חום ואידן הוא מוצא אפור-שחור. המסה המולקולרית, נקודת ההמיכה ונקודת הרתיחה עולות ככל שמוורדים בקבוצה. הנטייה לפעולה יורדת: האזור החיצוני רחוק יותר מהגרעין וממוסך יותר, ולכן המשיכה לאלקטרון נכנס חלשה יותר.

הלוגנים יוצרים הלואידים יוניים עם מתכות, כמו NaCl, ותרכובות קוולנטיות עם בלתי-מתכות, כמו HCl. אל תאמרו שכל תרכובות הלוגן מכילות קשרים יוניים. החלפה מתרחשת כאשר לוגן פעיל יותר מחליף לוגן פחות פעיל בתמיסת הלואיד מימית.

החלפת דוגמה: הוספת כלור לברומיד אשלגן מייצרת ברומ, ובכך מתקבלת תמיסה כתומה/חומה: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. הכלור מקבל אלקטרונים מאיוני ברומיד. ברומ אינו מחליף את יוני הכלור משום שהוא פחות פעיל. תוצאת "אין תגובה" יכולה לסייע לקבוע סדר פעילות. עבור שכבת הגבוהה: Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻; 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻; סה"כ Cl₂ + 2Br⁻ → 2Cl⁻ + Br₂. אטומים ומטען שמורים.

השתמשו בכרומיום, מנגן, ברזל, קובלט, ניקל ונחושת כדוגמאות למתכות מעבר. בהשוואה למתכות קבוצה 1, הן בדרך כלל בעלות נקודות המיכה וצפיפויות גבוהות יותר, חוזק/קשיחות גדולים יותר, ופעילות נמוכה יותר כלפי חמצן, מים והלוגנים. נחושת אינה מגיבה עם מים קרים כפי שנתיום עושה. השווו בין דוגמאות מופעות ותנאים ולא תניחו שכל המתכות מתנהגות זהות.

רבים מאלמנטים המעבר יוצרים יונים עם מטענים שונים ותרכובות צבעוניות, ופועלים כמזרזים. ברזל יוצר Fe²⁺ ו-Fe³⁺; מלחי ברזל(II) מימיים עשויים להיות ירוקים בהירים ומלחי ברזל(III) צהובים/חומים. מלחי נחושת(II) מימיים נוטים להיות כחולים. הצבע תלוי בתרכובת/תנאים: לא כל תרכובת של יסוד בעלת צבע קבוע אחד. ברזל הוא המזרז בתהליך האבר; ניקל ממזרז הידרוגנציה. דוגמאות אלו מדגישות תכונות אופייניות, ולא תכונות של כל תרכובת מעבר אפשרית.

קשר נוסחת דוגמה: סולפט הוא SO₄²⁻. Fe²⁺ נותן FeSO₄; Fe³⁺ דורש שני יוני ברזל ושלושה יוני סולפט, ונותן Fe₂(SO₄)₃. המטענים מאזנים לאפס בשתי התרכובות. פרופורציות שונות/מטעני ברזל שונים פוגעים בתרכובות שונות למרות אותו שלושת שמות האלמנטים.

• בחרו הפרדה מתכונות הרכיבים והמוצר הנדרש; הסבירו מה קורה בכל שלב.
• קשרו בין תצפיות פיזור אלפא לבין הדגם הגרעיני, ולא רק שינון זמן היסטורי.
• ספרי חלקיקים באטומים וביונים; חשבו ממוצע משוקלל; הבדילו בין רדיוס, קוטר ומדד.
• יצגו את סידורי האלקטרונים של העשרים הראשונים גם כמספרים וגם כדיאגרמות שכבות, ואז תחזו מיקום מחזורי.
• השתמשו בעדפות להסבר מגמות קבוצה והחלפה; השוו תכונות מופעות של מתכות מעבר לקבוצה 1.