جدول تناوبی (مندلیف)

جدول تناوبی عناصر در شیمی، جدولی است که در آن،‌ عنصرها بر اساس افزایش عدد اتمی مرتب شده‌اند. با چینش این عناصر به ترتیبی که گفته شد، عنصرها در هر ستون، دارای خواص یکسانی هستند. به این الگوی تکراری، «قانون تناوب» (Periodic Law) یا قانون دوره ای عنصرها می‌گویند. در اواسط قرن نوزدهم، تلاش‌های اولیه برای کشف این پدیده، توسط دمیتری مندلیف انجام شد. کشف او نتایج ارزشمندی در توسعه علم شیمی داشت.

تا قرن بیستم،‌ چینش عناصر بر اساس عدد اتمی کشف نشده بود. در اوایل قرن بیستم بود که توضیحاتی در خصوص قانون تناوب بر اساس ساختار الکترونی اتم‌ها و مولکول‌ها ارائه شد. این پیشرفت‌ها سبب بهبود قانون تناوب شد که امروزه همچون قرن بیستم از آن استفاده می‌شود.

در اوایل قرن نوزدهم، «شیمی تحلیلی» (Analytical Chemistry) یا شیمی تجزیه، به پیشرفت‌های بزرگی دست پیدا کرد. در حقیقت این علم، هنر تشخیص مواد شیمیایی از یکدیگر بود که به تبع آن سبب پیشرفت دانش در زمینه‌های خواص فیزیکی و شیمیایی عناصر و ترکیبات شد. این پیشرفت، لزوم در نظر گرفتن علم طبقه‌بندی را در شیمی بیشتر کرد. با طبقه‌بندی،‌ نه تنها مقالات شیمی، که دانش آزمایشگاهی آن هم می‌توانست به صورت یک دانش رو به رشد، از نسلی به نسل دیگر انتقال پیدا کند. در گذشته ارتباط بین ترکیبات شیمیایی بهتر از ارتباط بین عناصر درک می‌شد. این امر سبب شد تا طبقه‌بندی بر اساس عناصر، در پس‌زمینه ترکیبات شیمیایی قرار بگیرد. علاوه بر این،‌ نزدیک به نیم قرن، هیچ اتقاق نظری هم بین دانشمندان برای طبقه‌بندی بر اساس عناصر وجود نداشت.

در سال 1817، دوبراینر (J.W. Döbereiner)، نشان داد که جرم اتمی استرانسیوم در بین کلسیم و باریم قرار دارد. او این ترکیبات را «سه‌گانه» (Triads) نامید و بعد‌ها سه‌گانه‌های دیگری همچون کلر، بور، ید و لیتیم، سدیم و پتاسیم به آن اضافه شدند. بین سالهای 1827 تا 1858،‌ دانشمندان نشان دادند که این شباهت‌ها بیش از یک سه‌گانه است. فلوئور به هالوژن‌ها اضافه شد و منیزیم به فلزات قلیایی خاکی. اکسیژن، گوگرد، سلنیوم و تلوریوم هم به یک خانواده از عنصرها اضافه شدند. نیتروژن، فسفر، آرسنیک، آنتیموان و بیسموت هم به یک خانواده دیگر از عنصرها اضافه شدند.

تلاش‌های بیشتر نشان داد که جرم اتمی عناصر توسط یک تابع حسابی قابل تعریف است. در 1862 شانکورتوس (Chancourtois)، یک طبقه‌بندی برای عناصر، بر اساس مقادیر جرم اتمی ارائه شده توسط استانیسلاو کانیزارو (Stanislao Canizzaro)، پیشنهاد داد. شانکورتوس، جرم‌های اتمی را روی یک استوانه با محیط 16 واحد، رسم کرد. عدد 16 بر اساس جرم اتمی اکسیژن انتخاب شد. بر اثر این کار، یک نمودار حلزونی تشکیل شد که عناصر مرتبط با یکدیگر را در بالا یا پایین هم، در استوانه قرار داد. اون با این نمودار پیشنهاد داد که «خواص عناصر، همان خواص اعداد است». این پیش‌بینی فوق العاده به کمک دانش جدید بوجود آمده بود.

در نهایت در سال 1869، مندلیف قانون تناوب را پیشنهاد داد. این قانون بر اساس رابطه بین خواص و جرم اتمی عناصر و با توجه به عدد پیوندهای یگانه که هر عنصر می‌تواند تشکیل دهد‌، ارائه شد. بر اساس این قانون، عناصری که طبق مقدار عدد جرمی خود مرتب شده‌اند، خواصی تکرار شونده از خود نشان می‌دهند. لوتار میر (Lothar Meyer) هم جداگانه این مطلب را بعد از مقاله‌ مندلیف به چاپ رساند.

جدول تناوبی مندلیف در سال 1869، 17 ستون داشت با دو تناوب کامل عناصر از پتاسیم تا بور و روبیدیوم تا ید. قبل از دو دوره تناوب، دو ردیف از هفت عنصر (لیتیوم تا فلوئور) و (سدیم تا کلر) و سه ردیف دوره تناوب ناقص وجود داشت. در سال 1871، مندلیف در مقاله‌ای این جدول را بازنویسی کرد و جای 17 عنصر را در آن تغییر داد. او مانند لوتار میر، یک جدول با ۸ ستون ارائه داد که در هر ستون، دوره تناوب‌های طولانی به تناوب‌های 7 تایی تقسیم شدند. ستون هشتم، سه عنصر مرکزی داشت (عناصر آهن، کبالت و نیکل). مندلیف مس را به جای قرار دادن در گروه اول، به ستون هشتم اضافه کرد.

او یک دوره تناوب هفت‌تایی دیگر را به هر ستون اضافه کرد. اولین و آخرین تناوب هفت‌تایی، حروف a و b را در کنار نمادهای رومی در هر گروه گرفتند.

با کشف گازهای نجیب،‌ مندلیف و دیگر دانشمندان یک گروه «صفر» (Zero) به جدول اضافه کردند تا بتوانند این نوع از گازها را هم در جدول قرار دهند. جدول ارائه شده تا سال 1930 مورد استفاده قرار گرفت. یک نمونه از جدول استفاده شده در تصویر زیر آمده است. این جدول با جدول ارائه شده مندلیف تفاوت بسیار اندکی دارد.

در سال 1895، تامسون (J. Thomsen)، یک جدول جدید ارائه داد. این جدول بر اساس ساختار الکترونی اتم‌ها که توسط نیلز بور ارائه شده بود، تفسیر می‌شد. جدول شامل تناوب‌هایی از عناصر بود که طول آنها افزایش پیدا می‌کرد و دارای تناوب‌های دو، هشت‌، هجده و ۳۲تایی بود. هر عنصر در هر دوره تناوب امکان داشت که با خطوطی به عناصر پایینی خود مرتبط شود. از نقاط ضعف این جدول، تعداد زیاد عناصر در ردیف‌ 32تایی و دشواری دنبال کردن توالی عناصر مشابه هم بود. یک راه برای بهبود این جدول، قرار دادن دو گروه از عنصرها در خارج از جدول بود. این دو گروه به نام‌های «لانتانیدها» (lanthanides) و «اکتینیدها» (actinides)، در پایین جدول تناوبی اضافه شدند

نوع دیگری از جدول تناوبی در سال 1905 توسط ورنر (A. Werner) ارائه شد. او هر دوره تناوب کوتاه‌تر را به دو بخش تقسیم کرد. هر کدام را در نقاط ابتدایی و انتهایی جدول، بالای عناصرِ با دوره تناوب بلندتر قرار داد. خطوطی که در مدل قبل، عناصر را به یکدیگر تقسیم می‌کردند، با ارائه این مدل در بین عناصر توزیع شد. در این مدل هم مانند قبل، با جداکردن لانتانیدها و اکتینیدها، جدول ساده‌ می‌شود. تا اواسط قرن بیستم، این جدول بسیار مورد استفاده قرار می‌گرفت

ارزش بالای قانون تناوب زمانی مشخص شد که مندلیف در 1871 متوجه شد که خواص 17 عنصر با عناصر دیگر مرتبط است. او این کار را با انتقال 17 عنصر و مرتب کردن بر اساس جرم اتمی انجام داد. این تغییر نشان داد که خطای کمی در اندازه‌گیری جرم اتمی بسیاری از عناصر وجود دارد. همچنین مشخص شد که خطاهای زیادی در اندازه‌گیری جرم اتمی برخی عناصر وجود دارد. او علاوه بر این، عناصر کشف نشده و خواص آنها را پیش‌بینی کرد و نام‌های اِکا-بور، اِکا-آلومینیوم و اِکا-سیلیکون را برای آنها انتخاب کرد. این عناصر امروزه به ترتیب با نام‌های اسکاندیوم، گالیوم و ژرمانیوم شناخته می‌شوند.

با کشف هلیوم و آرگون، قانون تناوب به پیش‌بینی نئون، کریپتون، زنون و رادون هم راه پیدا کرد. علاوه بر این، بور اعتقاد داشت که عنصر کشف نشده‌ای مشابه با خواص زیرکونیوم (زرگون) وجود دارد. مشاهدات دانشمندان روی سنگ معدن‌های زیرکونیوم در سال 1922، سبب کشف عنصر ناشناخته‌ای با نام «هافنیوم» (Hafnium) شد.

امیدوارم براتون مفید باشه ❤