1-1 التفاوت بينَ العناصرِ في صفاتِها الطبيعيةِ.
ما المقصود بالصفاتِ الطبيعيةِ؟ وكيف تختلفُ العناصرُ بالنسبةِ لهذه الصفاتِ ؟ هناك كثير من الصفاتِ الطبيعيةِ التي تميِّزُ العناصرَ عن بعضها كاللونِ والحالةِ والملمسِ والكثافةِ واللمعانِ والتوصيلِ للحرارةِ والكهرباءِ، فهل يمكنُ تصنيفُ العناصرِ إلى فئاتٍ حسبَ هذه الصفاتِ ؟ لكي تعرفَ ذلكَ قمْ بالنشاطاتِ التاليةِ:
نشاط (1)
الشكل (1):دارة كهربائية لاختبار توصيل العناصر للتيار الكهربائي.
تفاوت العناصرِ في توصيلِها للتيار الكهربائيِّ
تحتاجُ في هذا النشاطِ إلى قطعٍ من العناصرِ التالية: S, Cu, Al ، وأسلاكِ توصيلٍ، ومصباحٍ كهربائيٍّ صغيرِ، وبطارية (6 فولت).
1- صلْ الدارةَ الكهربائيةَ كما في الشكل (1) مستخدماً قطعةً منْ أحدِ العناصرِ المطلوبةِ.
2- كررْ ما قمتَ بهِ مع قطعِ العناصرِ الأخرى ولاحظْ إضاءةَ المصباحِ في كلِّ مرةٍ. أيُّ العناصرِ وصَّلَ الكهرباء وأيُّها لم يوصِّلْ؟ سجِّلِ العناصرَ الموصلةَ والعناصرَ غيرَ الموصولةِ في جدولٍ.
نشاط (2)
تفاوتُ العناصرِ في لمعانِها
تحتاجُ في هذا النشاطِ إلى قطعِ العناصرِ المستعملةِ في النشاطِ السابقِ (1)، ومسمارٍ. اخدشْ سطحَ كلِّ قطعةٍ من قطعِ العناصرِ المطلوبةِ بالمسمارِ ولاحظْ لمعانَ السطحِ في منطقةِ الخدشِ، سجِّلِ العناصرَ اللامعةَ وغيرَ اللامعةِ في جدولٍ.
نشاط (3)
تفاوتُ طروقية العناصر
تحتاجُ في هذا النشاطِ إلى قِطَعِ العناصرِ المستعملةِ في النشاطِ (1)، ومطرقةٍ.
1- اطرقْ كلَّ قطعةٍ من قطعِ العناصرِ المطلوبةِ بالمطرقةِ عدَّةَ مراتٍ، ولاحظْ قابليَّتها للطروقية. سجِّلِ النتائجَ التي توصلتَ إِليها في جدولٍ يبينُ العناصرَ القابلةَ للطروقية والعناصرَ غيرَ القابلةِ للطروقية.
2- قارنْ بينَ النتائجِ الَّتي توصلتَ إِليها في النشاطاتِ الثلاثةِ السابقةِ. هل يمكنُ تقسيمُ تلكَ العناصرِ إلى قسمينِ حسبَ قابليتِها للتوصيلِ الكهربائي واللمعانِ والطروقية ؟ بين ذلك.
لعلك توصلت أَن الألومنيومَ والنُّحاسَ عنصرانِ موصلانِ للتيارِ الكهربائيِّ ولهما بريقٌُ فلزي وهُما قابلانِ للطَّرقِ، في حينِ أنَّ الكبريتَ عنصرُ موصل للتيار الكهربائيِّ وليس له بريقٌ ويسهلُ كسرُه عند الطرقِ (هشٌّ).
لقد درسَ العلماءُ فيما مضى صفاتِ العناصرِ التي عرفوها وصنَّفوها إلى فلزاتٍ ولا فلزاتٍ، والفلزاتُ كالألومنيوم والنحاسِ والرصاصِ والخارصينِ موادُ صلبةٌ موصلةٌ للتيارِ الكهربائيِّ ولها لمعانٌ وقابلةٌ للطروقية إلى صفائحَ وللسحبِ إلى أسلاكٍ، أما اللافلزاتُ كالكبريتِ واليودِ والأكسجينِ والكلور والبرومِ، فهي موادُ قد تكونُ صلبةً أو سائلةً أو غازيةً، والصلبُ منها هشٌّ يسهلُ كسرُهُ بالطَّرقِ، كما أنَّها غيرُ موصلةٍ للتيارِ الكهربائيِّ وليسَ لها لمعانٌ.
ولمعرفة المزيد عن الفروق بين صفات الفلزاتِ واللافلزاتِ ادرسِ الجدولَ رقم (1).
الجدول (1): تفاوت صفاتِ الفلزاتِ عن اللافلزاتِ
الخاصية
الكثافةُ
(غ / سم 3)
فلزاتٌ
لافلزاتٌ
صوديوم
مغنيسيوم
حديد
نحاس
رصاص
ألومنيوم
كلور
بروم
كبريت
فسفور
0.97
1.74
7.86
8.96
11.40
2.70
2.95
(غ / لتر)
3.14
2.06
1.82
درجةُ الانصهار
( ْس)
98
650
1536
1084.6
327.6
660.3
-100.48
-7.1
115.3
44.30
درجةُ الغليان
( ْس)
883
1120
3062
2563
1750
2467
-33.9
59.2
444.7
277
معامل التوصيلُ الحراريُ (واط / م.ْس)
1.41
1.56
0.802
4.01
0.353
2.37
0.000089
0.0012
0.00269
0.00235
ما الفرق بين الفلزاتِ واللافلزاتِ من جهةِ الكثافةِ ودرجةِ الانصهارِ ودرجةِ الغليانِ والتوصيلِ الحراريِّ ؟ هلْ تتفاوت الفلزات أو اللافلزات في الصفة الواحدة ؟
يلاحَظٌ منَ الجدولِ السابقِ أنَّ الفلزاتِ بشكلٍ عامٍّ ذاتُ كثافةٍ ودرجةِ انصهارٍ ودرجةِ غليانٍ وقدرةٍ على التوصيلِ الحراريِّ أكبرُ منَ اللافلزاتِ. كما يلاحَظُ أيضاً أنَّ العناصرَ الفلزّيةَ ليست متساويةً في الصِّفاتِ السابقةِ وكذلكَ العناصرُ اللاّفلزيُّ، فكيفَ تتدرَّجُ تلكَ الخصائصُ للعناصرِ المختلفةِ ؟ وهل نستطيعُ التَّوصلَ إلى تصنيفٍ أكثرَ دقةً من التصنيفِ السابقِ إلى فلزاتٍ ولا فلزاتٍ ؟ دعنا ندرسْ ذلكَ.
1-2 التشابهُ بين العناصرِ في صفاتِها الكيميائيةِ
يعدُّ الصوديومُ والمغنيسيومُ والألومنيومُ من الفلزات، بينما بعدُّ الأكسجينُ لا فلزاً. وتتفاعلُ الفلزاتُ عادةً مع اللافلزاتِ لتكوينِ مركباتٍ كثيرةٍ، وربما تتساءلُ: هل تتفاوتُ الفلزاتُ في سرعةِ تفاعُلِها مع اللافلزاتِ؟ لكيْ تجيبَ عنْ هذا السؤالِ قمْ بالنَّشاطِ التالي:
نشاط (4)
تفاعلُ الفلزاتِ مع أكسجين الهواء
تحتاجُ في هذا النشاطِ إلى عيناتٍ صغيرةٍ (2غ تقريباً) من كلٍّ من الصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم، وملقطٍ، وسكينٍ، وعلبةِ ثقابٍ، وورق صنفرةٍ (ورق زجاج).
1- اقطعَ منَ الصوديوم قطعةً بحجمِ حبِّةِ العدسِ بالسِّكينِ وأبقها محفوظةً تحتَ الكيروسينِ.
2- قصَّ شريطاً بطولِ 5 سم من المغنيسيومِ ونظفه باستعمالِ ورقِ الصّنفرةِ.
3- خذ قطعةً صغيرةً من الألومنيوم.
4- عرِّضِ العيناتِ الثلاثَ للجوِّ ولاحظِ التغيراتِ التي تحدثُ لكلٍّ منها.
5- أَشعلْ عودَ ثقابٍ وقربهُ من شريطِ المغنيسيوم، (أمسكْ شريطَ المغنيسيوم بالملقط) ومن قطعةِ الألومنيومِ. أيُّهما يشتعلُ؟
6- رتبِ العناصرَ الثلاثةَ حسبَ نشاطِها في التفاعلِ مع الأكسجينِ. لا بدَّ أنكَ لاحظتَ اكتساءَ قطعةِ الصوديومِ بطبقةِ بيضاءَ بمجردِ تعريضِها للهواءِ، في حينِ أنَّ المغنيسيوم والألومنيوم لا يتأثرانِ بتعرضِهما لـه، ومن جهةٍ أُخرى فإنَّ المغنيسيوم يحترقُ بسهولةٍ أكثرَ منَ الألومنيوم، ومنْ هنا فإنَّه يمكنُ القولُ إِنَّ هذهِ العناصرَ تترتبُ حسبَ نشاطِها في التفاعلِ مع الأكسجينِ كما يلي: Al < Mg < Na.
والسؤالً الآن:
كيف تتفاعلُ هذه العناصرُ (الصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم) مع الماءِ والحموضِ ؟ لكي تعرفَ الإجابةَ عن ذلكَ نفذِ النشاطَ التّالي:
نشاط (5)
تفاعلُ الفلزاتِ مع الماءِ
تحتاجُ في هذا النشاطِ إلى عيِّناتٍ صغيرةٍ منْ كلٍّ منَ الصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم وثلاثةِ كؤوسٍ زجاجيةٍ سعةُ كلٍّ منها 100 مل، ماء.
1- ضعْ 50 مل من الماءِ في كلٍّ كأسٍ من الكؤوسِ الثلاث.
2- أضفْ قطعةَ الصوديومِ بحجم حبة العدس إلى الكأسِ الأولى وقطعةَ المغنيسيوم إلى الكأسِ الثانيةِ، وقطعةَ الألومنيومِ إلى الكأسِ الثالثةِ. لاحظْ ما يحدثُ.
3- سخنِ الكأسينِ الثانيةَ والثالثةَ ولاحظِ التفاعلَ بينَ الفلزِ والماءِ في كلِّ حالةٍ.
رتب العناصرَ الثلاثةَ حسبَ شدةِ تفاعُلِها مع الماءِ.
نشاط (6)
تفاعُلُ الفلزاتِ مع الحموضِ
تحتاجُ في هذا النشاطِ إلى عيناتٍ صغيرة من كل من : الصوديوم، والمغنيسيومِ، والألومنيومِ، 60 مل من حمضِ الإيثانويك، ثلاثة كؤوسٍ زجاجيةٍ سعةُ كلٍّ منها 100 مل.
1- ضعْ 20 مل من حمضِ الإيثانويك في كلِّ كأسٍ من الكؤوسِ الثلاث.
2- أضفْ واحداً من العناصرِ الثلاثةِ إلى كلِّ كأسٍ منها.
3- لاحظْ تفاعلَ العناصرِ الثلاثةِ مع حمضِ الإيثانويك، ورتبْها حسبَ نشاطِها.
تشيرُ النشاطاتُ الثلاثةُ السابقةُ إلى تشابهٍ في الصفاتِ الكيميائيةِ للفلزاتِ الثلاثةِ، فهي تتفاعلُ مع كلٍّ منَ الأكسجينِ والماءِ والحموضِ، لكنَّ هناكَ تدرجاً في نشاطِ تلكَ العناصر، إذْ نجدُ الصوديومَ أنشطَها ويليهِ المغنيسيومُ ثمَّ الألومنيوم، أيْ أنَّ هناكَ تدرجاً في تلكَ الخصائِص سواءٌ الفيزيائيةُ منْها كما ظهرَ في الجدولِ (1) أو الكيميائيةُ كما ظهرَ في النشاطاتِ 6،5،4.
وهذا يؤيدُ الحاجةَ إلى البحثِ عن تصنيفٍ آخرَ للعناصرِ أكثرَ دقةً من تصنيفِها إلى فلزاتٍ ولا فلزاتٍ، ولكنْ قبلَ الوصولِ إلى هذا التصنيفِ دعنا ندرسِ الجدولَ التالي:
الجدول (2): بعضُ صفاتِ الفلزاتِ
العنصر
الكثافةُ
(غ/سم 3)
البريقُ
الوجودُ في الطبيعة
التفاعلُ مع الأكسجين
التفاعُلُ مع الماءِ
تأثيرُ محلولِ أكسيده في الماء
الصلابةُ
الليثيوم
0.535
لامعة في مكان القطع
لا توجد منفردة وإنما توجدُ على شكلِ مركباتٍ
تتفاعلُ مع أكسجينِ الهواءِ الجويِّ بمجردِ تعرضِها لهُ
تتفاعلُ مع الماءِ بشدةٍ
محاليلُ
أكاسيدِها
قاعديةٌ
لينةٌ يمكنُ قطعُها بالسكينِ
الصوديوم
0.971
البوتاسيوم
0.862
الروبيديوم
1.53
لاحظْ أَنَّ العناصرَ الموجودةَ في الجدولِ تشتركُ في صفاتِها الطبيعيةِ والكيميائيةِ، كما تتشابهُ صفاتُ مركباتِها التي تنتجُ عن اتحادِها مع عنصرٍ معينٍ، فمركباتُها التاليةُ مع الكلورِ مثلاً (Fr CL, CsCL, RbCL, KCL, NaCL, LiCL ) مركباتٌ صلبةٌ مكونةٌ من أيوناتٍ موجبةٍ وأخرى سالبةٍ توجدُ على شكلِ بلوراتٍ شديدةِ الذوبانِ في الماءِ، ومحاليلُها متعادلةٌ وتوصلُ التيارَ الكهربائيَّ، من هنا فإنَّه يمكنُ القولُ إنَّ هذهِ العناصرَ تشكِّلُ معاً مجموعةً واحدةً أُطلقَ عليها اسمُ مجموعة القلوياتِ.
وبالتحري عن أوجهِ التشابهِ بين العناصرِ الأخرى وُجدَ أنَّ هناكَ عدداً آخرَ من مجموعاتِ العناصرِ التي يشتركُ أفرادُها في كثيرٍ من الصفاتِ، كمجموعةِ الهالوجيناتِ (I 2,Br 2,Cl 2,F 2) وهي جميعاً لا فلزاتٌ توجدُ عادةً بشكلِ جزيئاتٍ تتفاعلُ معَ الهيدروجينِ مكونةً المركباتِ التاليةَ:
(HI, HBr, HCI, HF). وهذه المركباتُ جميعُها غازاتٌ (عدا HF) سهلةُ الذوبانِ في الماءِ، ومحاليلُها المائيةُ حمضيةٌ وتوصلُ التيارَ الكهربائيَّ.
وقد رتبَ العالمُ الروسيُّ مندلييف عام 1869 العناصرَ المعروفةَ آنذاك حسب تزايدِ كُتَلِها الذرِّيةِ، فوجدَ أنَّ صفاتٍ محددةٍ تتكررُ بعدَ عددٍ معينٍ من العناصرِ، فإذا بدأنا من عنصرِ الليثيومِ الذي كتلتُه الذرَّيةُ =6.941 ورتَّبنا العناصرَ التاليةَ في خطٍّ مستقيمٍ كما يلي:
Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca . لوجْدنا أنَّ الصفاتِ القلويةَ تتكررُ في الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم. كما أنَّ هناكَ تشابهاً كبيراً في الصِّفاتِ بين البريليومِ والمغنيسيومِ والكالسيوم، ويتشابهُ البورونُ والألومنيومُ، والنتروجينُ والفسفورُ، والأكسجينُ والكبريتُ، والفلور والكلور، وقد قادهُ ذلكَ إلى وضعِ العناصرِ المتشابهةِ تحتَ بعضِها كما في الجدولِ (3).
الجدول (3): جزءٌ من الجدولِ الدوريِّ لمندلييف.
لاحظْ أنَّ الصفاتِ تتكررُ بعدَ كلِّ عددٍ من العناصرِ، وهذا ما يُسمى الدوريةَ في صفاتِ العناصرِ، أيْ أنَّ صفاتِ هذه العناصرِ تتكررُ بشكلٍ دوريٍّ، ويمكنُ الاستمرارُ في ترتيبِ العناصرِ بالطريقةِ نفسِها مما يؤدي إلى الحصولِ على جدولٍ سُمِّيَ في حينهِ الجدولَ الدوريَ لمندلييف، وهوَ كما ترى يضمُّ سطوراً أفقيةً وأُخرى عموديةً، وعناصرُ السطرِ العموديِّ متشابهةٌ كثيراً إذ يحتوي كل منها العدد نفسه من الإلكترونات في المستوى الأخير، إلا أنَّ هناكَ تدرجاً في الصفاتِ ضمنَ السطرِ الأفقيِّ الواحدِ كما لاحظتَ في النشاطاتِ (6،5،4) ، عندما قارنتَ بينَ صفاتِ الصوديومِ والمغنيسيوم والألومنيوم،
