خانواده عناصر در شیمی: هر آنچه باید بدانید

در دنیای شیمی، اصطلاح "خانواده" به گروهی از عناصر گفته می‌شود که خواص شیمیایی مشابهی دارند. این خانواده‌ها معمولاً در ستون‌های عمودی جدول تناوبی جای می‌گیرند. در واقع، اصطلاحات "خانواده" و "گروه" در این زمینه مترادف هستند.

با این حال، از آنجایی که این دو واژه در طول زمان برای اشاره به مجموعه‌های متفاوتی از عناصر استفاده شده‌اند، اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی (IUPAC) توصیه می‌کند که از سیستم شماره‌گذاری عددی (از گروه 1 تا 18) به جای اسامی رایج خانواده‌ها یا گروه‌ها استفاده شود.

تمایز بین خانواده‌های مختلف عناصر بر اساس موقعیت اوربیتالی بیرونی‌ترین الکترون‌های آنها صورت می‌گیرد. دلیل این امر آن است که تعداد الکترون‌های ظرفیت نقش کلیدی در تعیین نوع واکنش‌هایی که یک عنصر در آن شرکت می‌کند، نوع پیوندهایی که تشکیل می‌دهد، حالت اکسیداسیون و بسیاری از خواص شیمیایی و فیزیکی آن دارد.

مثال‌هایی از خانواده‌های عناصر:

• گروه 18: این گروه که در جدول تناوبی قرار دارد، به عنوان خانواده گازهای نجیب یا گروه گازهای نجیب شناخته می‌شود. عناصر این گروه دارای 8 الکترون در لایه ظرفیت خود هستند (آرایش الکترونی کامل یا اکتت).
• گروه 1: این گروه به عنوان فلزات قلیایی یا گروه لیتیوم نیز شناخته می‌شود. عناصر این گروه دارای یک الکترون در لایه ظرفیت خود هستند.
• گروه 16: این گروه به عنوان گروه اکسیژن یا خانواده کالکوژن‌ها شناخته می‌شود.

نامگذاری خانواده‌های عناصر در جدول تناوبی

در جدول تناوبی، هر ستون عمودی نشان‌دهنده یک خانواده از عناصر است. در این قسمت، جدولی ارائه می‌شود که شماره گروه IUPAC، نام متداول (trivial name) و نام خانوادگی هر گروه را نشان می‌دهد.

توجه داشته باشید که اگرچه خانواده‌ها به طور کلی ستون‌های عمودی در جدول تناوبی هستند، اما گروه 1 به جای خانواده هیدروژن، خانواده لیتیوم نامیده می‌شود.

عناصر f-block که بین گروه‌های 2 و 3 قرار دارند (یعنی عناصری که در پایین بدنه اصلی جدول تناوبی قرار دارند) ممکن است شماره‌گذاری شوند یا نشوند. همچنین، در مورد اینکه آیا گروه 3 شامل لوتتیم (Lu) و لورنسیم (Lw) است یا لانتانیم (La) و آکتینیم (Ac)، و یا اینکه شامل تمام لانتانیدها و آکتینیدها می‌شود، اختلاف نظر وجود دارد.

روش‌های دیگر برای شناسایی خانواده‌های عناصر

اگرچه بهترین روش برای شناسایی یک خانواده از عناصر، مرتبط کردن آن با یک گروه IUPAC است، اما در منابع علمی به دسته‌بندی‌های دیگری از خانواده‌های عناصر نیز اشاره می‌شود.

در ساده‌ترین سطح، گاهی اوقات خانواده‌های عناصر به سادگی به عنوان فلزات، شبه‌فلزات (متالوئیدها) و نافلزات در نظر گرفته می‌شوند. فلزات معمولاً دارای حالت‌های اکسیداسیون مثبت، نقاط ذوب و جوش بالا، چگالی زیاد، سختی بالا و رسانایی الکتریکی و حرارتی خوبی هستند. از طرف دیگر، نافلزات معمولاً سبک‌تر، نرم‌تر، دارای نقاط ذوب و جوش پایین‌تر و رسانای ضعیف گرما و الکتریسیته هستند.

در دنیای مدرن، این تقسیم‌بندی می‌تواند مشکل‌ساز باشد، زیرا فلزی یا غیرفلزی بودن یک عنصر به شرایط محیطی بستگی دارد. به عنوان مثال، هیدروژن می‌تواند به جای یک نافلز، به عنوان یک فلز قلیایی عمل کند. کربن نیز می‌تواند به جای یک نافلز، به عنوان یک فلز رفتار کند.

خانواده‌های رایج عناصر شامل فلزات قلیایی، فلزات قلیایی خاکی، فلزات واسطه (که در آن لانتانیدها و آکتینیدها ممکن است به عنوان زیرمجموعه یا گروه‌های جداگانه در نظر گرفته شوند)، فلزات اصلی، شبه‌فلزات، هالوژن‌ها، گازهای نجیب و سایر نافلزات هستند.

نمونه‌هایی از خانواده‌های دیگری که ممکن است با آن‌ها مواجه شوید عبارتند از: فلزات پس‌واسطه (گروه‌های 13 تا 16 در جدول تناوبی)، گروه پلاتین و فلزات گرانبها.

همولوگ‌های عناصر

همولوگ‌های عناصر، اعضای یک خانواده عنصری یکسان هستند. از آنجایی که عناصر همولوگ خواص الکتروشیمیایی مشابهی دارند، می‌توان از آن‌ها برای پیش‌بینی رفتار عناصر جدید استفاده کرد. این امر به ویژه برای عناصر سنگین‌تر (فوق سنگین) که تنها تعداد کمی اتم از آن‌ها تهیه شده است، بسیار مفید است.

با این حال، پیش‌بینی‌ها همیشه دقیق نیستند. دلیلش این است که اثرات الکترون‌های ظرفیت زمانی که یک اتم دارای تعداد بسیار زیادی پروتون و الکترون است، به اندازه کافی قابل توجه نیستند. همولوگ‌های سبک‌تر اغلب خواص مشترک بیشتری دارند.

نکات کلیدی در مورد خانواده‌های عناصر

• یک خانواده عنصری، ستونی از عناصر در جدول تناوبی است.
• هر عضو یک خانواده دارای تعداد یکسانی الکترون ظرفیت است.
• اعضای یک خانواده خواص شیمیایی و فیزیکی مشابهی دارند.
• یک خانواده عنصری، گروه عنصری نیز نامیده می‌شود. به دلیل احتمال سردرگمی، IUPAC ترجیح می‌دهد گروه‌های عنصری به جای نام، با عدد برچسب‌گذاری شوند.
• در مجموع 18 خانواده یا گروه عنصری وجود دارد.