الفئة p: أشباه الفلزات والهالوجينات والغازات النبيلة

تشكّل الأعمدة الستة على يمين الجدول الدوري، المجموعات من 13 إلى 18، الفئة p، حيث يدخل الإلكترون الأخير مدارًا p. فالفئتان s وd لا تضمان إلا فلزات، أما الفئة p فتضم الفلزات وأشباه الفلزات واللافلزات جنبًا إلى جنب. فالكربون والنيتروجين والأكسجين التي تتكون منها الكائنات الحية، والسيليكون للإلكترونيات، والأرغون في الهواء، كلها تعيش هنا، ما يجعلها أكثر أجزاء الجدول تنوعًا.

الصورة الكبيرة

تتغير الخواص عبر الفئة p في اتجاهين.

• من اليسار إلى اليمين: تميل الذرات أكثر فأكثر إلى اكتساب الإلكترونات بدلًا من فقدها، فينخفض الطابع الفلزي ويرتفع الطابع اللافلزي.
• من الأعلى إلى الأسفل: تكبر الذرات وتفقد إلكتروناتها الخارجية بسهولة أكبر، فيرتفع الطابع الفلزي.

ولهذا يكون الركن السفلي الأيسر من الفئة p (الألومنيوم والقصدير والرصاص والبزموت) فلزيًا، والركن العلوي الأيمن (النيتروجين والأكسجين والفلور) لافلزيًا، ويمتد بينهما شريط قطري من أشباه الفلزات من البورون نزولًا نحو الأستاتين.

يتبع عدد إلكترونات الغلاف الخارجي رقم المجموعة: ثلاثة في المجموعة 13 (s²p¹)، وأربعة في المجموعة 14، وخمسة في المجموعة 15، وستة في المجموعة 16، وسبعة في المجموعة 17، وثمانية في المجموعة 18 (وللهيليوم اثنان).

المجموعة 13: مجموعة البورون

البورون شبه فلز، والألومنيوم والغاليوم والإنديوم والثاليوم فلزات. والألومنيوم أوفر الفلزات في القشرة الأرضية. وهو خفيف، وتحميه طبقة أكسيد رقيقة محكمة من التآكل. وينصهر الغاليوم عند نحو 30 °C، وهي درجة منخفضة بما يكفي لينصهر في يدك، ونتريد الغاليوم المادة الرئيسية في مصابيح LED الزرقاء. ويُستخدم الإنديوم في أكسيد الإنديوم والقصدير، الموصل الشفاف في شاشات اللمس.

كلما نزلنا في المجموعة 13 تصبح حالة الأكسدة +1 أكثر استقرارًا مقارنة بـ+3، ويكوّن الثاليوم عادة مركبات +1. ويحدث ذلك لأن زوج إلكترونات s الأبعد في الذرات الثقيلة يُحجم عن المشاركة في الترابط، وهو أثر يُعرف بـأثر الزوج الخامل.

المجموعة 14: مجموعة الكربون

الكربون لافلز، والسيليكون والجرمانيوم شبها فلزين، والقصدير والرصاص فلزان. وهي من أوضح الأمثلة على مجموعة واحدة تمتد عبر النطاق الكامل من اللافلز إلى الفلز.

يستطيع الكربون أن يرتبط بنفسه في سلاسل وحلقات طويلة، مكوّنًا العمود الفقري لملايين المركبات العضوية. وبحسب طريقة ترابط الذرات، يمكن أن يكون الكربون النقي ماسًا أو غرافيتًا أو غرافينًا أو فوليرينات، وهي متآصلات ذات خواص مختلفة على نحو لافت. والسيليكون ثاني أوفر العناصر في القشرة بعد الأكسجين، ويوجد في الغالب في صورة ثاني أكسيد السيليكون في الرمل والصخور. وبلورات السيليكون الفائقة النقاء أساس رقائق الحواسيب والخلايا الشمسية. والرصاص، بسبب أثر الزوج الخامل، أكثر استقرارًا في الحالة +2.

المجموعة 15: مجموعة النيتروجين

يشكّل النيتروجين نحو 78 في المئة من الهواء حجمًا، ومع ذلك فذرتا جزيء N₂ مقيدتان برابطة ثلاثية قوية إلى حد أن الغاز خامل إلى حد بعيد. وللفسفور عدة متآصلات، منها الفسفور الأبيض والأحمر والأسود، والفسفور الأبيض نشط بما يكفي ليشتعل تلقائيًا في الهواء. والنيتروجين والفسفور ضروريان للحمض النووي DNA وجزيء ATP، وهما العنصران الغذائيان الرئيسيان في الأسمدة. والزرنيخ والإثمد شبها فلزين والبزموت فلز. والزرنيخ سيئ الصيت سمًّا، لكنه يظهر أيضًا في مواد إلكترونية مثل زرنيخيد الغاليوم.

المجموعة 16: مجموعة الأكسجين (الكالكوجينات)

الأكسجين أوفر العناصر كتلةً في القشرة الأرضية وفي جسم الإنسان كليهما. وإلى جانب O₂ يكوّن الأوزون O₃ الذي يمتص الأشعة فوق البنفسجية في الستراتوسفير. والكبريت صلب أصفر يوجد حول البراكين، وهو المادة الخام لحمض الكبريتيك. ويُظهر السيلينيوم والتيلوريوم سلوكًا شبه فلزي، والبولونيوم فلز مشع. واسم المجموعة، الكالكوجينات، يأتي من كلمات يونانية معناها «مكوِّنات الخامات».

المجموعة 17: الهالوجينات

تشكّل الفلور والكلور والبروم واليود والأستاتين والتينيسين المجموعة 17. ومعنى «هالوجين» «مكوِّن الملح»، لأن هذه العناصر تتحد بسهولة مع الفلزات لتكوين أملاح مثل كلوريد الصوديوم.

لذرة الهالوجين سبعة إلكترونات خارجية، ولا تحتاج إلا إلى إلكترون واحد آخر لبلوغ الترتيب المستقر للغاز النبيل، لذا تجذب الإلكترونات بقوة. ويتغير مظهر العناصر باطّراد نزولًا في المجموعة.

تكبر الجزيئات نزولًا في المجموعة، فتقوى القوى بينها وترتفع درجات الانصهار والغليان.

يتزايد النشاط نحو الأعلى. فللفلور أعلى كهرسلبية بين جميع العناصر، ويتفاعل بعنف حتى مع الزجاج والماء. وتُظهر تفاعلات الإحلال الترتيب بوضوح. فإمرار الكلور في محلول بروميد البوتاسيوم يحرر البروم، فيتحول المحلول إلى البرتقالي:

Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂

ولا يستطيع البروم إحلال الكلوريد في الاتجاه المعاكس. ويعكس التسلسل F > Cl > Br > I مدى قوة جذب كل عنصر لإلكترون إضافي.

الهالوجينات من حولنا في كل مكان: فالكلور يطهّر مياه الصنبور وأحواض السباحة، والفلوريد في معجون الأسنان يساعد على منع التسوس، واليود يُستخدم مطهّرًا ويحتاجه الجسم لهرمونات الغدة الدرقية. غير أن الغازات والسوائل العنصرية نفسها سامة وأكّالة.

المجموعة 18: الغازات النبيلة

تشكّل الهيليوم والنيون والأرغون والكريبتون والزينون والرادون والأوغانيسون المجموعة 18. وأغلفتها الخارجية ممتلئة، وظل الاعتقاد طويلًا أنها لا تكوّن أي مركبات على الإطلاق، وكثيرًا ما سُمّيت «الغازات الخاملة».

انتهى هذا الاعتقاد عام 1962. فقد وجد نيل بارتليت، الكيميائي البريطاني العامل في كندا، أن سادس فلوريد البلاتين (PtF₆) مؤكسد قوي بما يكفي لانتزاع إلكترون من جزيء الأكسجين. ولما لاحظ أن طاقة التأين الأولى للزينون تكاد تساوي طاقة تأين O₂، فاعل الزينون مع PtF₆ فحصل على صلب برتقالي مصفر، أول مركب لغاز نبيل. وفي العام نفسه صنع فريق آخر رابع فلوريد الزينون (XeF₄) مباشرة من الزينون والفلور. وتلت ذلك مركبات زينون كثيرة، منها XeF₂ وXeF₆ والأكسيد XeO₃، وثبت لاحقًا أن الكريبتون يكوّن مركبات مثل KrF₂.

للغازات النبيلة الأثقل ذرات أكبر تقع إلكتروناتها الخارجية أبعد عن النواة، لذا تكون طاقات تأينها أدنى ويصبح تكوين المركبات ممكنًا. ولا يُعرف أي مركب متعادل مستقر للهيليوم أو النيون. ومنذ هذه الاكتشافات توصف المجموعة بأنها «نبيلة» (قليلة النشاط جدًا) لا «خاملة» (عديمة النشاط تمامًا).

وكل استخداماتها تستغل هذا النشاط المنخفض:

• الهيليوم: البالونات والمناطيد، وتبريد المغانط فائقة التوصيل في أجهزة الرنين المغناطيسي.
• النيون: التوهج الأحمر البرتقالي للافتات النيون.
• الأرغون: غاز واقٍ في اللحام وغاز حشو في المصابيح المتوهجة. وبنسبة تبلغ نحو 0.93 في المئة من الهواء، هو أكثر الغازات النبيلة شيوعًا.
• الكريبتون والزينون: المصابيح عالية الشدة، وبعض مصابيح السيارات الأمامية، ووقود دافع لمحركات المركبات الفضائية الأيونية.
• الرادون: غاز مشع يتسرب من التربة والصخور وقد يتراكم في الأقبية، فيرفع خطر سرطان الرئة.

عودة إلى أشباه الفلزات

تمزج أشباه الفلزات في الفئة p، البورون والسيليكون والجرمانيوم والزرنيخ والإثمد والتيلوريوم، بين السمات الفلزية واللافلزية. والأهم أن موصليتها الكهربائية تعتمد بشدة على درجة الحرارة وعلى كميات ضئيلة من الشوائب. فإضافة قليل من الفسفور إلى السيليكون تعطي شبه موصل من النوع n فيه إلكترونات زائدة، وإضافة البورون تعطي شبه موصل من النوع p فيه نقص في الإلكترونات. وهذه التقنية، أي تطعيم عنصر من المجموعة 14 بذرات من المجموعة 13 أو 15، هي أساس كل جهاز إلكتروني حديث. وأرقام المجموعات في الجدول الدوري تنطبق مباشرة على قواعد تصميم هندسة أشباه الموصلات.