בעיקר גזים
בערך יסוד אחד מכל שבעה הוא אל־מתכת, והאל־מתכות יושבות יחד בפינה הימנית העליונה של הטבלה המחזורית, כשהמימן הוא יוצא דופן בודד מעל המתכות שבצד שמאל. בטמפרטורת החדר הן אוסף מוזר. עשר מתוך השש־עשרה שבארון הן גזים: מימן, חנקן, חמצן, פלואור, כלור והגזים האצילים, מהליום ועד קסנון. אחת, ברום, היא נוזל אדום כהה. חמש האחרות, פחמן, זרחן, גופרית, סלניום ויוד, הן מוצקים, ורובן שבירות ועמומות, ולא מבריקות וגמישות כמו מתכת.
השוו זאת למתכות: כולן חוץ מכספית מוצקות בטמפרטורת החדר, ורובן נמסות רק כשהן לוהטות עד כדי זוהר. האל־מתכות נמסות ורותחות בכמה עשרות או מאות קלווין. חנקן רותח ב־77 K, שהם −196 °C. אפילו יוד, מוצק שאפשר להחזיק ביד, נמס ב־387 K, קצת יותר חם ממים רותחים.
נסו: בחרו קור עמוק בטמפרטורה. בכל האמפולות חוץ מזו של ההליום יש מוצק קפוא. אחר כך עברו לאוויר נוזלי, לטמפ׳ החדר ולתנור חם, וצפו במוצקים נמסים ובנוזלים רותחים ונעלמים, יסוד אחר יסוד.
חזק בפנים, חלש ביניהן
הסיבה נמצאת במה שכל דגימה עשויה ממנו. בחרו מולקולות בהצגת המולקולות. הגזים האצילים הם אטומים בודדים, לכל אחד מהם קליפה חיצונית מלאה של אלקטרונים, והוא לא צריך להיקשר לאף אחד. מימן, חנקן, חמצן וההלוגנים (פלואור, כלור, ברום ויוד) הם זוגות של אטומים, המחוברים בקשר קוולנטי שבו שני האטומים חולקים אלקטרונים. זרחן לבן הוא פירמידה קטנה של ארבעה אטומים, P₄, וגופרית היא טבעת בצורת כתר של שמונה אטומים, S₈. סלניום אפור בנוי משרשראות ארוכות בצורת סליל.
הקשר בתוך כל אחת מהמולקולות האלה חזק, ואף אחד מהקשרים האלה לא נשבר בסצנה, ככל שתחממו. המשיכה בין מולקולות נפרדות היא עניין אחר. זו משיכה חלשה וחולפת, שנוצרת כשהאלקטרונים של כל מולקולה מצטופפים לרגע בצד אחד שלה, כך שמולקולות שכנות מושכות זו את זו מעט. התכה ורתיחה צריכות להתגבר רק על המשיכה החלשה הזאת, ולכן דרוש כל כך מעט חום. בסצנה, המולקולות של מוצק רועדות בשורות, אלה של נוזל נדחקות ומתגלגלות בשלולית, ואלה של גז עפות בכל האמפולה, אבל הן תמיד נשארות שלמות.
מולקולות גדולות יותר, נקודות רתיחה גבוהות יותר
המשיכה החלשה גדלה עם מספר האלקטרונים שמתנודדים במולקולה, ולכן מולקולות גדולות וכבדות יותר נצמדות זו לזו חזק יותר. ההלוגנים מראים זאת הכי טוב. קראו את הטור שלהם מלמעלה למטה בטמפ׳ החדר: פלואור וכלור הם גזים, ברום הוא נוזל ויוד הוא מוצק. הגזים האצילים מטפסים באותה דרך: הליום רותח ב־4 K וקסנון ב־165 K.
נסו: גררו את טמפרטורה לאט כלפי מעלה מאוויר נוזלי. צפו בטור ההלוגנים משנה מצב מלמעלה למטה, כשכל יסוד מחכה לטמפרטורה גבוהה יותר מזו של היסוד שמעליו.
אותו רעיון מסביר את המוצקים. P₄, S₈ והשרשראות של הסלניום הן מולקולות גדולות עם הרבה אלקטרונים, ולכן הן נארזות למוצקים שנמסים ב־317 K, ב־388 K וב־494 K. גם זוגות ה־I₂ הכבדים של היוד יוצרים מוצק, ויוד חם פולט אדים סגולים עוד לפני שהוא נמס, והסצנה מראה זאת כגוון סגול חלש באמפולה שלו. ברום נוזלי עושה אותו דבר עם אדים אדומים־חומים.
פחמן, היוצא מן הכלל
פחמן נשאר מוצק לאורך כל התחום של הסצנה. בגרפיט כל אטום פחמן קשור לשלושה אחרים ביריעות שטוחות, וכל יריעה היא למעשה מולקולה ענקית אחת. אין כאן מולקולות קטנות להפריד זו מזו: כדי להפוך גרפיט לאדים צריך לשבור את הקשרים החזקים עצמם, וזה דורש בערך 3900 K. גם יהלום, הצורה הנפוצה האחרת של פחמן, הוא רשת ענקית. זו הסיבה שפחמן מתנהג פחות כמו שכניו ויותר כמו מינרל קשה עם נקודת התכה גבוהה.
מה הופך יסוד לאל־מתכת
מלבד נקודות ההתכה והרתיחה הנמוכות, לאל־מתכות יש עוד כמה הרגלים משותפים. כמוצקים הן שבירות ובדרך כלל עמומות. רובן מוליכות חשמל וחום בצורה גרועה, כי האלקטרונים שלהן מוחזקים בקשרים או בקליפות מלאות, ולא נודדים בחופשיות כמו במתכת. גרפיט הוא יוצא הדופן המוכר: אלקטרון אחד מכל אטום חופשי לנוע לאורך היריעות שלו, ולכן הוא מוליך לאורכן. בתגובות כימיות אל־מתכות נוטות לקבל אלקטרונים או לחלוק אותם, ואילו מתכות נוטות לאבד אותם. זו הסיבה שמתכת ואל־מתכת מתחברות לעיתים קרובות לתרכובת יונית, כמו מלח בישול, נתרן כלורי, ואילו שתי אל־מתכות חולקות אלקטרונים במולקולות כמו מים ופחמן דו־חמצני.
הגבול אינו חד. המתכות למחצה השכנות, צורן, גרמניום, ארסן, אנטימון וטלוריום, מבריקות כמו מתכות אבל שבירות ומוליכות רק במידה חלקית, ולא כל הכימאים מסכימים היכן בדיוק עובר הקו. הארון סוגר את התאים שלהן, יחד עם המתכות של קבוצה 1 והבדיל, כדי להראות היכן האל־מתכות יושבות בטבלה.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
כל הדגימות נמצאות בלחץ של אטמוספרה אחת, ונקודות ההתכה והרתיחה הן הערכים התקניים בלחץ הזה. בלחץ הזה הליום אף פעם לא קופא, קר ככל שיהיה. דגימות אמיתיות משנות מצב בטמפרטורה אחת; הסצנה פורשת כל שינוי על פני תחום צר מעט מתחת לנקודת ההתכה או הרתיחה, כדי שתוכלו לראות את המוצק מתכווץ בזמן שהנוזל שלו גדל. היא מראה לאן כל דגימה מגיעה בסוף, לא כמה זמן לוקח לה להגיע לשם, והיא לא מראה את החום הנוסף שהתכה ורתיחה סופגות.
לכמה אל־מתכות יש יותר מצורה אחת. הסצנה מראה זרחן לבן, ולא אדום, וסלניום אפור, ומשמיטה את הרדון והאסטטין, שהם רדיואקטיביים. גופרית נוזלית באמת מכהה ומסמיכה כשהיא מתחממת, כי הטבעות שלה נפתחות לשרשראות ארוכות; הסצנה משאירה אותה נוזל כתום אחד. אמפולות אמיתיות של פלואור או של זרחן לבן היו דורשות זהירות מיוחדת: פלואור תוקף זכוכית, וזרחן לבן נדלק באוויר. החלקיקים מצוירים גדולים בהרבה ממולקולות אמיתיות, מספרם נבחר כדי למלא את האמפולות, והמהירויות שלהם רק עוקבות אחר המגמה שלפיה מולקולות קלות בגז חם נעות הכי מהר.