نظریات عنصری از عهد باستان

مردم ازعهد عتیق بعضی از عناصر شیمیایی مانند طلا، نقره و مس را می‌شناختند زیرا این عناصربه صورت طبیعی در طبیعت یافت می‌شدند و نسبتا توسط وسایل ابتدایی به راحتی استخراجمی‌شدند. البته، این تصور که تعداد محدودی عنصر وجود دارد که همه چیز از آن‌ها تشکیلشده‌اند از فیلسوف یونانی ارسطو نشأت می‌گیرد. حدود 330 سال قبل از تولد مسیح ارسطوبیان کرد که همه چیز از مخلوطی که از یک یا چند از چهار "ریشه" تشکیل شده‌اند(در اصل تعداد چهار از فیلسوف سیسیلی امپدوکلس گرفته شده بود)، ولی بعدها کلمه"عنصر" توسط پلاتو (Plato) جایگزین شد. چهارعنصر زمین، آب، هوا و آتش بودند. زمانیکه مفهوم عنصر به این گونه معرفی شد، نظریاتارسطو و پلاتو هیچ پیشرفتی در فهم عالم ماده بوجود نیاورد.

عصرروشنفکری

هینیگ براند(Hennig Brand) بر اساس آنچه ثبت شده اولین کسی است که یکعنصر جدید کشف کرد. براند یک تاجر ورشکسته آلمانی بود که تلاش می‌کرد سنگ جادو را کشفکند. (یک شی افسانه‌ای که تصور می‌شد می‌تواند فلزات عادی را به طلا تبدیل کند) اوتوسط تقطیر ادرار انسان آزمایشاتش را انجام می‌داده تا اینکه در سال 1649 او سرانجامیک شی درخشنده سفید مشاهده کرد که نامش را فسفر گذاشت. او کشف خود را مخفی نگاه داشت،تا سال 1680 زمانی که رابرت بویل (Robert Boyle) دوباره آنرا کشف کرد و این ماده عمومی شد. این کشف و کشف‌ها دیگر این سوال را بوجود آورد که"عنصر" بودن یک ماده به چه معنا است.

در سال1661 عنصر را به اینگونه تعریف کرد که ماده‌ای است که نمی‌تواند توسط واکنش شیمیاییبه مواد ساده‌تر تجزیه شود. این تعریف ساده در واقع به مدت تقریبی 301 سال رایج بود(تا زمان انتشار مفهوم ذرات زیراتمی)، و حتی امروز نیز این تعریف در کلاس‌های مقدماتیشیمی تدریس می‌شود.

آنتوان لاووازیه

کتابTraité Élémentaire de Chimie (شرح مقدماتی شیمی، سال 1789، ترجمه شده به انگلیسیتوسط رابرت کر) از لاوازیه اولین کتاب درسی شیمی مدرن در نظر گرفته شده است. این کتابشامل یک لیست از عناصر یا مواد است که نمی‌توانند تجزیه شوند، که شامل اکسیژن، نیتروژن،هیدروژن، فسفر، جیوه، روی و گوگرد می‌شود. این کتاب همچنین پایه‌ای برای لیست عناصرامروزی شکل داده است. لیست او، اگرچه همچنین شامل نور و کالری نیز می‌شده که او باورداشته است این مفاهیم اشیا مادی هستند. زمانیکه اکثر شیمیدان‌های مطرح زمان مطالب جدیدکه لاوازیه می‌گفت را قبول نمی‌کردند، کتاب شرح مقدماتی به قدری خوب نوشته شده بودکه نسل‌های جوان‌تر را متقاعد کند. البته، به این دلیل که تعاریف لاوازیه تنها عناصررا به عنوان فلزات و غیز فلزات دسته بندی کرده بود، برای یک تحلیل کامل کافی نبود

یوهان ولفگانگ دوبراینر

در سال1817، یوهان ولفگانگ دوبراینر شروع به فرمول بندی یکی از اولین تلاش‌ها برای دسته بندیعناصر کرد. در سال 1828 او یافت که بعضی عناصر گروه‌هایی 3تایی را با خواص مشابه تشکیلمی‌دهند. او نام این گروه‌ها را "سه تایی" (“triad”) گذاشت.بعضی از سه تایی‌ها که توسط دوبراینر دسته بندی شدند:

کلر، برمو ید

کلسیم، استرانسیمو باریم

گوگرد، سلنیمو تلوریم

لیتیم، سدیمو پتاسیم

در همه‌‌‌یسه تایی‌ها، وزن اتمی عنصر دوم همواره دقیقا میانگین وزن اتمی عنصر اول و سوم بودهاست.

دسته بندی عناصر

در سال1869، مجوعا 63 عنصر کشف شده بود. با افزایش تعداد عناصر شناخته شده، دانشمندان شروعبه شناخت الگوهایی برای طرز رفتار مواد شیمیایی و تدبیر روش‌هایی برای دسته بندی عناصرکردند.

Alexandre-Emile Béguyerde Chancourtois

Alexandre-Emile Béguyerde Chancourtois(20 ژانویه 1820- 14 نوامبر 1886) یک زمین شناسفرانسوی بود که برای اولین بار متوجه حالت تناوبی عناصر شد. (به نظر می‌رسید عناصرمشابه در فواصل معینی ظاهر می‌شوند اگر بر اساس وزن اتمی‌شان چیده شوند) او یک شکلاولیه از جدول تناوبی درست کرد، که آو آن را مارپیچ زمینی (telluric helix) نامید.به این شکل که عناصر در یک مارپیچ روی یک استوانه بر اساس افزایش عدد اتمی چیده شدهبودند،De Chancortois مشاهده کرد که عناصر با خواص مشابهبصورت عمودی در یک خط قرار می‌گیرند. جدول او شامل چند یون و ترکیب به علاوه‌ی عناصربود. مقاله‌ی او در سال 1862 منتشر شد اما بیشتر شامل اصطلاحات زمین شناسی بود تا شیمیاییو شامل یک نمودار نبود (در اصل نمودار را منتشر نکرد در صورتیکه نمودار نیز داشت)؛یه عنوان یک نتیجه، این مقاله توجه کمی را به خود جلب کرد تا زمان تحقیق دیمیتری مندلیف

.

جان نیولندز

جان نیولندز(John Newlands) یک شیمیدان انگلیسی بود که در سال 1865،56 عنصر شناخته شده تا آن زمان را به 11 گروه بر اساس تشابه خواص فیزیکی تقسیم کرد.

نیولندزبه این نکته پی برده بود که جفت عنصرهای مشابهی وجود دارند که اختلاف عدد اتمی آن‌هاضریبی از عدد 8 می‌باشد. البته قانون هشتایی‌های او (law of octaves) بهدلیل اینکه شبیه مقیاس نت‌های موسیقی بود، توسط افراد معاصر با او مورد تمسخر قرارگرفت. تا قرن اخیر که به دلیل نظریه پیوند والانس گیلبرت ن.لوییس(Gilbert N. Lewis’ valance bond theory) در سال 1916 و نظریهاوکتت یا هشتایی ایروینگ لانگمور (Irving Langmuir) در سال1919 اهمیت حالت تناوبی عدد هشت مورد قبول واقع شد.

دیمیتری مندلیف

دیمیتریمندلیف (Dmitri Mendeleev)، شیمیدان روسی، اولین دانشمندی بود که جدولیتناوبی طراحی کرد بسیار مانند آنچه ما امروز استفاده می‌کنیم. مندلیف عناصر را در یکجدول بر اساس وزن اتمی، مطابق با مقدار تقریبی جرم مولی که امروزه شناخته شده است،تنظیم کرد. بعضی مواقع گفته می‌شود که او در سفرهای طولانی با قطار "کارت بازیشیمیایی" بازی می‌کرده است که از کارت‌هایی استفاده می‌کرده است که دارای نکاتمختلف از عنصرهای شناخته شده بوده است. در 6 مارچ سال 1869 یک ارائه‌ی رسمی برای انجمنشیمی روسیه اجرا شد با عنوان وابستگی میان خواص اوزان اتمی عناصر.(The Dependence Between the Properties of the Atomic Weights of the Elements) جدولاو در یک روزنامه گمنام روسی منتشر شد ولی به سرعت در سال 1869 در یک روزنامه آلمانیبه نام Zeitschrift für Chemie (به فارسی:مجله شیمی) دوباره منتشر شد. این روزنامه عنوان کرده بود که:

عناصر اگربر اساس وزن اتمی‌شان مرتب شوند، یک تناوب آشکار از خواص را به نمایش می‌گزارند.

عناصر مشابهبا توجه به خواص شیمیایی آن‌ها یا دارای اوزان اتمی نزدیک به هم هستند(مانندPt، Ir، Os) یا به صورت منظموزن اتمی‌شان افزایش می‌یابد (مانندK، Rb، Cs).

آرایش عناصریا گروه‌های عناصر بر اساس وزن اتمی، وابسته به یک خصوصیت آن‌ها به نام والانس استو همچنین با توجه به برخی فضاها وابسته به خواص شیمایی خاصه آن‌ها است؛ همانطور کهدر میان سری‌های Li، Be، Ba، C، N، O وSn نیز مشابه است. (در اصل بایدLi، Be، B، C، N، O وFباشد)

عناصری کهبه صورت گسترده پخش شده‌اند دارای اوزان اتمی کوچک هستند.

دامنه‌یوزن اتمی مشخصات عنصر را تایین می‌کند، همانند دامنه وزن مولکولی که مشخصات ساختاریترکیب را مشخص می‌کند.

ما بایدانتظار کشف بسیاری از عناصر کشف نشده را داشته باشیم _ برای مثال، عناصر مشابه با آلومینیمو سیلیسیم _ که وزن اتمی آن‌ها می‌بایست بین 65 تا 75 باشد.

وزن اتمییک عنصر ممکن است گاهی اوقات توسط اطلاعات از عناصر مجاورش اصلاح شود. به این صورتوزن اتمی تلوریم می‌بایست مابین 123 و 126 باشد و نمی‌تواند 128 باشد. (این مساله براساس مکان تلوریم که بین آنتیموان و ید که دارای وزن اتمی 127 می‌باشد بیان می‌شود.البته موزلی بعدها مکان این عناصر را بدون تجدید نظر در مقادیر وزن اتمی توضیح داد)    

خواص مشخصعناصر می‌تواند توسط اوزان اتمی‌شان پیش بینی شود.

مزایای علمی جدول مندلیف

مندلیف کشفعناصر دیگر را پیش بینی کرده بود و فضای خالی برای این عناصر در نظر گرفته بود. بانام‌های اکا-سیلیسیم (ژرمانیم)، اکا-آلومینیم (گالیم)، و اکا-بور (اسکاندیم). به اینصورت هیچ اختلالی در جدول تناوبی وجود نداشت.

او اشارهکرده بود که بعضی از اوزان اتمی آن زمان نادرست هستند.

او انحرافاز قانون وزن اتمی را نیز فراهم کرده بود.

 نقایص جدول مندلیف

• جدولاو دربردارنده‌ی هیچ یک از گازهای نجیب که بعدا کشف شدند نبود. این عناصر توسط سر ولیامرمزی (Sir William Ramsay) به عنوان گروه 0،بدون ایجاد هیچ اختلالی در مفهوم پایه‌ای جدول تناوبی اضافه شدند.

• هیچمکانی برای ایزوتوپ‌های عناصر مختلف که بعدا کشف شدند وجود نداشت.

• مکاندرستی برای هیدروژن در جدول نتاوبی در نظر گرفته نشده بود. هیدروژن هم می‌توانست درگروه فلزات قلیایی و هم در گروه هالوژن‌ها قرار بگیرد. به این صورت، قانون تناوبی دیمیتریمندلیف نمی‌توانست یک مکان مناسب برای هیدروژن در نظر بگیرد.

لوتر مایر

بدون شناختنمندلیف، لوتر مایر نیز در حال کار بر روی جدول تناوبی بود. هر چند تحقیق او در سال1864 منتشر شد و به صورت مستقل از مندلیف انجام شده بود، بعضی از تاریخ‌دانان او رابه عنوان خالق مشترک جدول تناوبی در نظر می‌گیرند. برای اشاره باید بدانیم که جدولمایر دارای 28 عنصر بود. علاوه بر این، مایر عناصر را بر اساس وزن اتمی مرتب نکردهبود و فقط بر اساس والانس مرتب کرده بود. در آخر، مایر هیچ گاه به ایده‌ی پیش‌ بینیعناصر و تصحیح اوزان اتمی نرسید. بعد از چند ماه از اینکه مندلیف جدول تناوبی خود رااز همه‌‌ی عناصر کشف شده منتشر کرد (و بعضی از عناصر جدید را برای تکمیل جدول پیش بینیکرد، بعلاوه وزن اتمی بعضی از عناصر را نیز تصحیح کرد)، مایر جدول واقعا مشابه خودشرا منتشر کرد. زمانی‌ که عده‌ی کمی از مردم مایر و مندلیف را به عنوان خالقان مشترکجدول تناوبی تصور می‌کردند، اکثرا بر این عقیده بودند که مندلیف خودش این جدول را منتشرکرده و پیش بینی دقیق خواص عناصر کشف نشده توسط مندلیف باعث شد تا سهم بیشتری از ایناعتبار به او برسد. در هر زمینه‌ای، در طول زمان پیش بینی‌های مندلیف بسیار افراد معاصرشرا تحت تاثیر قرار می‌داد و همگی نیز سرانجام درست بودند. یک شیمیدان انگلیسی به نامویلیام اودلینگ (William Odling)، همچنین یکجدول در سال 1864 تهیه کرد که به صورت قابل توجهی شبیه جدول مندلیف بود.

اصلاحات جدول تناوبی

هنری موزلی

در سال1914 هنری موزلی رابطه‌ای بین طول موج پرتو X عنصرو عدد اتمی آن (Z) پیدا کرد، بر ایناساس جدول را دوباره و این بار بیشتر بر پایه‌ی بار اتمی مرتب کرد. قبل از این کشف،اعداد اتمی فقط اعدادی پی در پی بر اساس وزن اتمی بودند. کشف موزلی نشان داد که اعداداتمی یک پایه‌ی اندازه‌گیری تجربی دارند.

به این شیوهموزلی با این وجود که آرگون وزن اتمی بیشتری (39.9) نسبت به پتاسیم (39.1) دارد، آرگون(Z=18) را بر اساس طول موج‌های پرتو X قبلاز پتاسیم (Z=19) قرار داد. چیدمانجدید با خواص شیمیایی عناصر تطابق داشت، زیرا آرگون یک گاز نجیب و پتاسیم یک فلز قلیاییاست. به طور مشابه، موزلی کبالت را قبل از نیکل قرار داد، و همچنین می‌توانست توضیحدهد که تلوریم قبل از ید قرار می‌گیرد بدون بازبینی در وزن اتمی تجربی تلوریم(127.6) که توسط مندلیف پیشنهاد شده بود.

تحقیق موزلیهمچنین نشان داد که فضاهای خالی در جدول در اعداد اتمی 43 و61 وجود دارد که اکنون بهعنوان عناصر تکنسیم و پرومتیم شناخته می‌شوند، البته باید به این نکته توجه کنیم کههر دو این عناصر پرتوزا بوده و به صورت طبیعی وجود ندارند. هنری موزلی با پیروی ازدیمیتری مندلیف همچنین عناصر جدیدی را پیش بینی کرد.

گلن سیبورگ

در طول پروژه‌یتحقیقاتی منهتن در سال 1943 گلن سیبورگ (Glenn T.Seaborg) با یک مشکلپیش بینی نشده در جدا سازی امریسیم (95) و کوریم (96) مواجه شد. او شروع کرد به تفکردر این مورد که این عناصر بیشتر به نظر می‌رسد که به سری‌های متفاوت تعلق دارند کهاین مساله تفاوت خواص شیمیایی پیش بینی شده‌ی عناصر جدید را توجیه می‌کند. در سال1945، او برخلاف نصیحت همکارانش عمل کرد و پیشنهاد یک تغییر مهم در جدول تناوبی راداد: سری اکتنید.

نظریه اکتیندسیبورگ درباره‌ی ساختار الکترونی عنصر سنگین که پیش بینی می‌کرد که اکتنیدها یک سریگذار مشابه با سری نادر عناصر لانتانید تشکیل می‌دهند، اکنون در جوامع علمی کاملا موردقبول واقع شده و در تمام فرم‌های استاندارد جدول تناوبی وجود دارد. سری اکتنید ردیفدوم بلاک f (سری 5f) استو شامل عناصر از اکتنیم تا لورنسیم می‌شود. بسط‌های متعاقب نظریه اکتنید سیبورگ یکفرضیه بوجود آورد که یک سری از عناصر فوق سنگین در سری زیر سری اکتنید وجود دارد کهشامل عناصر 104 تا 121 می‌شود و یک سری سوپر اکتنید نیز وجود دارد که شامل عناصر از122 تا 153 می‌شود. (البته در صورت کشف این عناصر این سری پیش بینی شده است)

دوره‌های اصلی اکتشاف

تاریخچه‌یجدول تناوبی همچنین تاریخچه‌ی اکتشاف عناصر شیمیایی نیز هست. IUPAC پنجدوره‌ی اصلی اکتشاف را پیشنهاد کرده است، و دوره‌ی ششم در اینجا برای عناصر سنتزی اخیرآمده است. (کشف شده از سال 2000 به بعد)

(جدولزیر با کیفیت بهتر برای علاقه مندان ضمیمه‌ی این مطلب شده است. لینک جدول در قسمت پایینمطلب)

جدول تناوبیبه عنوان یک نماد فرهنگی

در طول قرنبیستم، جدول تناوبی به صورت همه گیر رشد کرد. در یک فیلم حضور این جدول روی دیوار یککلاس نشان دهنده‌ی این است که این کلاس، یک کلاس علوم است. جدول تناوبی عناصر به راحتیبرای دانش آموزان به عنوان وسیله‌ای برای کمک به حل مسایل شیمیایی فراهم شده است.

در سال1998، یک جدول تناوبی با ابعاد 65×35 فوت در موزه‌ی علوم ویرجینیا ساخته شد و از رکوردهایگینش محسوب می‌شود.