הטבלה המחזורית

בניסוחו העכשווי, מבוסס חוק המחזוריות על מושג המספר האטומי ועל מבנה האטום: תכונותיהם הכימיות והפיסיקליות של היסודות הכימיים אינן אקראיות, אלא נובעות ממבנה קליפות האלקטרונים של האטומים שלהם. מספר האלקטרונים באטום של כל יסוד שווה למספר הפרוטונים, שהוא המספר האטומי (סימנו Z). לפיכך, כל עלייה ב-1 במספר האטומי פירושה אלקטרון נוסף, ושינוי בתכונות. תלות זו של תכונות היסודות במבנה האלקטרוני מאופיינת במחזוריות עקבית, המתבטאת בהישנות בתדירות קבועה של התכונות הבסיסיות של היסודות.

הטבלה המחזורית. להגדלה לחצו על הטבלה

המחזוריות של תכונות היסודות מתבטאת בצורה ברורה מאוד, למשל, בשינוי באנרגיית היינון הראשון (I1) של האטומים. ערכי I1 גדלים בהדרגה ככל שגדל Z, עד ש-Z מגיע למספר המתאים לגז אציל; אך עם עליית Z עוד ב-1, הם קטֵנים בצורה חדה, לכרבע מערכיהם בגז האציל. ויש עוד תכונות רבות אחרות המשתנות באופן מחזורי, ככל שגדל מספרו האטומי של היסוד. הצגת היסודות בטבלה המחזורית מאפשרת מעקב נוח אחר תכונותיהם של היסודות.

השורות האופקיות של הטבלה נקראות מחזורים (periods). המחזור הראשון קצר מאוד, והוא כולל רק את היסודות מימן והליום, בעלי המספר האטומי 1 ו-2. אחריו באים שני מחזורים קצרים, שבכל אחד מהם 8 יסודות, ושני מחזורים ארוכים שבכל אחד מהם 18 יסודות; אחריהם בא מחזור ארוך מאוד ובו 32 יסודות. המחזור הבא אחריו אינו שלם. יש בו 6 יסודות טבעיים בלבד, שאחריהם באים היסודות הטרנסאורניים, הקרויים גם "מלאכותיים" או "סינתטיים".

הטורים האנכיים של הטבלה נקראים קבוצות (groups). ליסודות הנמצאים באותה הקבוצה יש תכונות פיסיקליות וכימיות דומות. בעבר נהגו לסמן את הקבוצות בספרות לטיניות, מ-I ועד VIII (היו שציינו את קבוצה VIII B בספרה 0). כל קבוצה נחלקה לשתי קבוצות משנה, שסימניהן A ו-B.

כיום, החלוקה המקובלת על האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית (IUPAC) מעניקה לכל עמודה (קבוצה) מספר משלה, מ-1 עד 18. קבוצה 1 כוללת את המימן, וכן את המתכות האלקליות. קבוצה 2 כוללת את המתכות האלקליות העפרוריות. קבוצה 3 - את היסודות הלנתנידיים (העפרות הנדירות) ואת האקטינידיים. קבוצות 4 עד 12 ועד בכלל הן מתכות מעבר. קבוצות 13 עד 16 ועד בכלל כוללות גם מתכות וגם אלמתכות: כל ארבעת היסודות של המחזור השני (אין ייצוג למחזור הראשון) הם אלמתכות, וכן שלושת היסודות הימניים ביותר של המחזור השלישי, שני הימניים ביותר של השלישי והימני ביותר של הרביעי הם אלמתכות, והיתר - מתכות. קבוצה 17 היא קבוצת ההלוגנים, וקבוצה 18 - הגזים האצילים (לרבות הליום).

כלומר, בפשטות רבה יותר, היסודות הנמצאים בחלק השמאלי של הטבלה המחזורית ובמרכזה הם מתכות. ליסודות אלה תכונות מתכתיות מובהקות: מוליכות חשמלית ותרמית גבוהה, ברק מתכתי, פלסטיות וכדומה. היסודות הממוקמים בחלקה הימני של הטבלה הם אלמתכות. התכונות המתכתיות מובהקות במיוחד ביסודות הנמצאים בפינה השמאלית התחתונה, ואילו התכונות האלמתכתיות - באלה הנמצאים בפינה הימנית העליונה.

רוב היסודות נמצאים בטבלה במקומות המתאימים למשקלם האטומי, אך ישנם ארבעה זוגות של יסודות שנמצאים במקומות "לא-מתאימים": ארגון ואשלגן, לדוגמה, מספריהם האטומיים 18 ו-19, ואילו משקליהם האטומיים 39.948 ו-39.102, בהתאמה. זוגות אחרים כאלה הם נחושת וניקל, טלוריום ויוד, פרוטאקטיניום ותוריום. ההסבר לתופעה זו הוא שהמשקל האטומי של תערובת האיזוטופים הטבעית ביסודות אלה גדול יותר, בכל זוג, דווקא אצל היסוד שמספרו האטומי הוא הקטן יותר. אלא שכאמור, המספר האטומי Z הוא הקובע, ולא המשקל האטומי. גדולתו של מנדלייב באה לידי ביטוי בכך שמושג המספר האטומי כפועל יוצא של מספר פרוטונים לא היה ידוע בימיו, כשם שלא היה ידוע המושג איזוטופ, ואף על פי כן קבע כי יש להתעלם מהמשקל האטומי, אם אינו מתאים לשיבוצו של היסוד בטבלה לפי תכונותיו.

גדולתו של מנדלייב התבטאה גם בכך שהוא בחר להשאיר כמה משבצות ריקות בטבלה שלו (בסך הכול היו ידועים בימיו רק כ-70 יסודות שונים), וניבא כי אלה יתמלאו בבוא העת ביסודות חדשים שיתגלו. הוא אף תיאר את תכונות היסודות הללו, וכאשר החלו להתגלות יסודות שהשתבצו במקומות ריקים אלה, החל בגליום (Z=31) בשנת 1875, ואחריו הסקנדיום (Z=21) ב-1879 והגרמניום (Z=32) ב-1886, הוברר כי תכונותיהם קרובות מאוד לאלה שניבא מנדלייב על סמך מחזוריות הטבלה. עולם הכימיה, שהתייחס עד אז באדישות מסוימת להישגו של מנדלייב, אימץ אותו עתה.