גוש (הטבלה המחזורית)

גוש או בלוק (באנגלית: Block) הוא יחידה ארגונית בטבלה המחזורית, המקבצת יסודות כימיים על בסיס האורביטלים האטומיים שבהם נמצאים אלקטרוני הערכיות שלהם.^[1] קיומם של הבלוקים בטבלה המודרנית הוא תוצאה ישירה של עקרון האאופבאו (Aufbau) ושל סידור היסודות לפי מספר אטומי עולה, המשקף את מבנה הקליפות האלקטרוניות של האטום.^[2]

הטבלה המחזורית המודרנית מחולקת לארבעה בלוקים עיקריים הנקראים על שם האורביטלים התת-קליפתיים: s, p, d ו-f. רוחב כל בלוק נקבע על פי מספר האלקטרונים המקסימלי שיכולים לאכלס את האורביטלים באותו הבלוק: בלוק s הוא ברוחב 2 יסודות, בלוק p ברוחב 6, בלוק d ברוחב 10 ובלוק f ברוחב 14.^[3] קיימות גם תיאוריות לגבי בלוקים נוספים, כמו בלוק g, עבור יסודות כבדים שטרם התגלו.^[4]

הגדרה מדעית

החלוקה לבלוקים מתבססת על התצורה האלקטרונית של אטום במצב היסוד שלו. כל בלוק מייצג את סוג האורביטל (התלוי במספר הקוונטי הזוויתי, $l$ ) שמתאכלס באלקטרונים האחרונים שנוספו לאטום לפי המספר האטומי שלו:^[5]

בלוק s: מתאים לאורביטלים שבהם $l=0$ .
בלוק p: מתאים לאורביטלים שבהם $l=1$ .
בלוק d: מתאים לאורביטלים שבהם $l=2$ .
בלוק f: מתאים לאורביטלים שבהם $l=3$ .^[6]

האלקטרונים המאכלסים את האורביטלים החיצוניים ביותר (אלקטרוני הערכיות) הם אלו שקובעים את התכונות הכימיות של היסוד, ולכן ליסודות באותו הבלוק יש לעיתים קרובות מאפיינים פיזיקליים וכימיים דומים, אם כי קיימת שונות משמעותית בתוך הבלוקים עצמם, במיוחד בבלוק p.^[7]

היסטוריה

הבנת המחזוריות של היסודות עברה תהליך אבולוציוני ממושך. עוד לפני גילוי מבנה האטום, כימאים כמו דוברינר, ניולנדס ולותר מאייר זיהו קשרים מספריים וכימיים בין יסודות.^[8] דמיטרי מנדלייב, שנחשב למפתח העיקרי של הטבלה, התבסס על המשקל האטומי ועל תכונות כימיות כדי לסדר את היסודות, אך הוא לא הכיר את המושג "בלוק" כפי שהוא מוגדר כיום על פי מכניקת הקוונטים.^[9]

התרומה המשמעותית ביותר לעיצוב הטבלה המבוסס על בלוקים הגיעה מהמדען הצרפתי שארל ז'אנה (Charles Janet). בשנת 1929 הציע ז'אנה את "טבלת הצעד השמאלי" (Left-Step Periodic Table), שסידרה את היסודות לפי סדר מילוי האורביטלים ( $n+l$ ) במקום לפי מספר הקליפה העיקרי ( $n$ ) בלבד.^[10] סידור זה הדגיש את הבלוקים כיחידות רציפות והעביר את בלוק s לצד הימני של הטבלה, מה שאיפשר ליצור רצף מושלם של אכלוס אלקטרוני.^[11]

ארגון ה-IUPAC אימץ בסופו של דבר את החלוקה לבלוקים כחלק מההמלצות הרשמיות שלו לסידור הטבלה המחזורית המודרנית, תוך שימוש באותיות s, p, d, f לתיאור הבלוקים ושימוש במספרים 1–18 לתיאור הטורים (הקבוצות).^[12]

תיאור הבלוקים

בלוק s

בלוק זה כולל את שתי הקבוצות הראשונות בטבלה (מתכות אלקליות ואלקליות-עפרוריות), יחד עם מימן והליום. המאפיין המשותף ליסודות אלו הוא שאלקטרוני הערכיות שלהם נמצאים באורביטל s של הקליפה החיצונית ביותר ( $ns$ ).^[13]

מתכות אלקליות (קבוצה 1): יסודות בעלי תצורה $ns^{1}$ . אלו מתכות פעילות מאוד, בעלות אנרגיית יינון נמוכה ונטייה לאבד אלקטרון אחד כדי להשיג תצורה של גז אציל.^[14]
מתכות אלקליות-עפרוריות (קבוצה 2): יסודות בעלי תצורה $ns^{2}$ . הן פחות פעילות מהאלקליות אך עדיין נחשבות למחזרות חזקות.^[15]
מימן והליום: מימן הוא היסוד הפשוט ביותר ( $1s^{1}$ ) ומיקומו בראש בלוק s נובע מתצורתו האלקטרונית, אם כי תכונותיו הכימיות שונות משאר הקבוצה. הליום ( $1s^{2}$ ) שייך פיזיקלית לבלוק s, אך בגלל קליפה מלאה הוא מסווג כימית כגז אציל בבלוק p.^[16]

בלוק p

בלוק זה משתרע על פני קבוצות 13 עד 18 (למעט הליום) וכולל מגוון רחב של יסודות: מתכות (כמו אלומיניום), חצי-מתכות (כמו סיליקון), אל-מתכות (כמו פחמן וחמצן), הלוגנים וגזים אצילים.^[7] בבלוק p, האורביטלים התת-קליפתיים p מתמלאים בשישה אלקטרונים לאורך כל מחזור. הבלוק מתאפיין בשינוי דרמטי בתכונות היסודות לאורך המחזורים (ממתכתיות לאל-מתכתיות) ובנטייה ליצור קשרים קוולנטיים על ידי שיתוף אלקטרונים.^[17] יסודות כבדים בבלוק p (כמו עופרת וביסמוט) מראים את "אפקט הזוג האינרטי" (Inert Pair Effect), שבו אלקטרוני ה-s של הקליפה החיצונית נוטים שלא להשתתף בתגובה, מה שמוביל למצבי חמצון הנמוכים ב-2 מהצפוי.^[18]

בלוק d

בלוק זה מכיל את מתכות המעבר (Transition Metals), הנמצאות בקבוצות 3–12. היסודות בבלוק זה מאופיינים באכלוס הדרגתי של אורביטלי (n-1)d.^[19] מתכות המעבר מתאפיינות בנקודות היתוך ורתיחה גבוהות, מוליכות חשמלית ותרמית מעולה, ויכולת להופיע במצבי חמצון רבים ושונים.^[20] רבות מהן יוצרות תרכובות צבעוניות בשל מעברי אלקטרונים בין אורביטלי d (מעברי d-d) ובעלות תכונות פאראמגנטיות בגלל קיומם של אלקטרונים לא מזווגים.^[21] בלוק d מחולק לשלוש שורות עיקריות (3d, 4d, 5d), כאשר השורה הרביעית (6d) הושלמה לאחרונה עם גילוי היסודות העל-כבדים עד מספר 112.^[22]

בלוק f

בלוק f כולל את שתי השורות המופרדות בתחתית הטבלה: הלנתנידים והאקטינידים. אלו יסודות שבהם מתמלאים אורביטלי (n-2)f.^[23]

לנתנידים (4f): יסודות בעלי תכונות כימיות דומות מאוד זה לזה, המופיעים בדרך כלל בטבע יחד. הם מתאפיינים ב"התכווצות הלנתנידית" (Lanthanoid Contraction), שבה הרדיוס האטומי קטן בהדרגה לאורך השורה, מה שמשפיע על תכונות היסודות שאחריהם בבלוק d.^[24]
אקטינידים (5f): כל היסודות בקבוצה זו הם רדיואקטיביים. רק ארבעת הראשונים (אקטיניום עד אורניום) מופיעים בטבע בכמויות משמעותיות, בעוד השאר (הטרנס-אורניים) הם מלאכותיים ונוצרים במעבדות ובכורים גרעיניים.^[25]

בלוקים תאורטיים ויסודות מעבר ל-118

נכון להיום, הטבלה המחזורית מסתיימת ביסוד 118, אוגאנסון (Oganesson), המשלים את בלוק p במחזור השביעי.^[26] פיזיקאים גרעיניים צופים את קיומו של בלוק g, שבו יתחילו להתמלא אורביטלי g החל מיסוד 121.^[4]

על פי תחזיות מבוססות חישובים רלטיביסטיים (תורת היחסות), היסודות במחזור השמיני (החל מ-119) יראו התנהגות מורכבת בשל השפעת המשיכה החזקה של הגרעין על האלקטרונים במהירויות גבוהות. השפעה זו גורמת ל"התכווצות רלטיביסטית" של אורביטלי s ו-p ולהרחבה של אורביטלי d ו-f.^[27] כתוצאה מכך, סדר מילוי האורביטלים עשוי להשתנות: למשל, ייתכן שביסודות 165 ו-166 יתמלאו אורביטלי 9s לפני השלמת אורביטלים פנימיים יותר, מה שיהפוך אותם לאנלוגים של מתכות אלקליות.^[28] בנוסף, יסוד 172 צפוי להיות גז אציל עם קליפה סגורה, אך בסידור רלטיביסטי ייחודי.^[29]

חריגות ומחלוקות בסידור הבלוקים

מיקום ההליום

מיקומו של ההליום (He) הוא נושא לוויכוח מתמשך בין גישות פיזיקליות לכימיות.

מבחינה פיזיקלית וקליפתית, הליום שייך בבירור לבלוק s, שכן התצורה שלו היא $1s^{2}$ . לפיכך, בטבלאות מסוימות (כמו של ז'אנה), הוא מוצב מעל בריליום בקבוצה 2.^[30]
מבחינה כימית, הליום הוא גז אציל בלתי פעיל לחלוטין, ולכן מיקומו הטבעי הוא בקבוצה 18 בבלוק p, מעל הניאון והארגון. הכימאים מעדיפים סידור זה משום שהוא שומר על אחידות התכונות בתוך הקבוצה.^[16]

לוטציום ולורנציום

שאלה נוספת נוגעת ליסודות שמתחילים את בלוק d לעומת אלו שמסיימים את בלוק f. באופן מסורתי, לנתן (La) ואקטיניום (Ac) הוצבו בראש קבוצה 3 בבלוק d.^[31] אולם, מדידות מודרניות מראות כי לוטציום (Lu) ולורנציום (Lr) הם אלו שמתאימים יותר לתפקיד זה בשל הרדיוס האטומי והתצורה האלקטרונית שלהם, מה שמעורר דיון על הגדרת הגבול המדויק של בלוק f.^[32] מחקרים מראים כי ללוטציום יש תכונות של מתכת מעבר מובהקת יותר מאשר ללנתן.^[33]

הערות שוליים

^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 20.
^ Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 182.
^ Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 23.
^ ¹ ² Tofield, B. C. & Fricke, B. (1975). "Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry". Structure and Bonding, Vol. 21, p. 127.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 11.
^ Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 22.
^ ¹ ² Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 387.
^ Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 42.
^ Kaji, M., Kragh, H. & Palló, G. (2015). "Early Responses to the Periodic System". Oxford University Press, p. 111.
^ Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 283.
^ Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 327.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 12.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 23.
^ Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 75.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 364.
^ ¹ ² Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 281.
^ Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 371.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 695.
^ Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 1144.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 662.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 827.
^ Tofield, B. C. & Fricke, B. (1975). "Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry". Structure and Bonding, Vol. 21, p. 111.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 1033.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 809.
^ Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 1251.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 480.
^ Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 656.
^ Tofield, B. C. & Fricke, B. (1975). "Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry". Structure and Bonding, Vol. 21, p. 123.
^ Tofield, B. C. & Fricke, B. (1975). "Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry". Structure and Bonding, Vol. 21, p. 126.
^ Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 1273.
^ Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 945.
^ Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 272.
^ Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 291.

[1] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 20.

[2] Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 182.

[3] Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 23.

[Tofield,127-4] ¹ ² Tofield, B. C. & Fricke, B. (1975). "Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry". Structure and Bonding, Vol. 21, p. 127.

[5] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 11.

[6] Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 22.

[Housecroft,387-7] ¹ ² Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 387.

[8] Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 42.

[9] Kaji, M., Kragh, H. & Palló, G. (2015). "Early Responses to the Periodic System". Oxford University Press, p. 111.

[10] Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 283.

[11] Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 327.

[12] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 12.

[13] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 23.

[14] Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 75.

[15] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 364.

[Scerri,281-16] ¹ ² Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 281.

[17] Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 371.

[18] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 695.

[19] Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 1144.

[20] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 662.

[21] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 827.

[22] Tofield, B. C. & Fricke, B. (1975). "Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry". Structure and Bonding, Vol. 21, p. 111.

[23] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 1033.

[24] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 809.

[25] Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 1251.

[26] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 480.

[27] Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. (2018). "Inorganic Chemistry" (5th ed.). Pearson, p. 656.

[28] Tofield, B. C. & Fricke, B. (1975). "Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry". Structure and Bonding, Vol. 21, p. 123.

[29] Tofield, B. C. & Fricke, B. (1975). "Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry". Structure and Bonding, Vol. 21, p. 126.

[30] Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 1273.

[31] Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. (1998). "Chemistry of the Elements" (2nd ed.). Butterworth-Heinemann, p. 945.

[32] Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 272.

[33] Scerri, E. R. (2006). "The Periodic Table: Its Story and Its Significance". Oxford University Press, p. 291.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]