پیدایش عناصر

در قرون وسطی , کیمیاگران روشی را برای تشخیص عناصر ساده از اجسام پیچیده نداشتند و تنها چند فلز را می شناختند, مانند آرسنیک , قلع و غیره کیمیاگران سده های میانی , شمار عناصر را برابر با ۷ سیاره می دانستند مس , آهن , نقره , طلا , قلع , سرب , گوگرد و جیوه گوگرد را پدر عناصر و جیوه را مادر آنها می دانستند

● تاریخچه عناصر شیمیایی

در یونان قدیم و در سده پنجم بیش از میلاد ، عده‌ای از فیلسوفان آب را مادهٔ‌المواد پنداشته، گروهی هم آتش و عده ای هم هوا را منشاء همه اجسام در طبیعت می‌دانستند. در پایان سده پنجم پیش از میلاد ، "امپیدوکل" ، فرضیه پیشینیان خود را در یک فرضیه جمع‌آوری و به آن عنصر خاک را نیز اضافه کرد و فرضیه چهار عنصر شناخته گردید که هر کدام دارای یک خاصیت معین می‌باشند و این خواص قابل تبدیل به یکدیگرند.

"ارسطو" (۳۸۴-۳۲۲ پیش از میلاد) که نفوذ زیادی در سایر فلاسفه بعدی خود داشت، معتقد بود که تمام مواد از عناصری ساخته شده‌اند که این عناصر ، ازلی و قدیم‌اند، نه از عدم بوجود می‌آیند و نه معدوم می‌شوند و کمیت آنها در طبیعت تغییر ناپذیر است. به عقیده او ماده اولیه دارای چهار خاصیت است که دو به دو در برابر هم و به صورت زوج متضاد قرار گرفته‌اند. این چهار ماده عبارتند از: گرمی ، سردی ، خشکی و رطوبت. تفاوت مواد ، وابسته به مقدار ترکیبی آن از هر یک از این چهار عنصر و نسبت آنها می‌باشد. ترکیب دو زوج خاصیت توسط ارسطو ، او را سرانجام با امپیدوکل در مکتب چهار عنصر همراه ساخت که خاک ، آب ، آتش و هوا باشد.

در قرون وسطی ، کیمیاگران روشی را برای تشخیص عناصر ساده از اجسام پیچیده نداشتند و تنها چند فلز را می‌شناختند، مانند آرسنیک ، قلع و غیره. کیمیاگران سده‌های میانی ، شمار عناصر را برابر با ۷ سیاره می‌دانستند: مس ، آهن ، نقره ، طلا ، قلع ، سرب ، گوگرد و جیوه. گوگرد را پدر عناصر و جیوه را مادر آنها می‌دانستند.

با پیشرفت دانش در سده‌های اخیر ، کم‌کم ماهیت عناصر روشن گردید، مواد گوناگون در دست تجزیه و ترکیب قرار گرفت و عناصر شیمیایی ، ابتدا بطور مجزا و جدا از هم مورد مطالعه قرار گرفتند و سپس بعدها پیوند و بستگی کامل آنها در جدول پریود ( جدول مندلیف ) منعکس گردید. با پیشرفت علم ، نحوه پیوستگی این جدول نیز کاملتر و دقیق‌تر شد که در ذیل به شرح آنها می‌پردازیم.

● اولین طبقه بندی عناصر شیمیایی

در ۱۸۲۹ ، شیمیدان آلمانی "دوبراینر" ، نتیجه مطالعات خود را در طبقه‌بندی عناصر برحسب خواص شیمیایی مشابه آنها منتشر کرد و استنباط کرد که می‌توان عناصری را که دارای خواص مشابه هستند، به دسته‌های سه‌تایی تقسیم کرد که در این صورت وزن اتمی یکی از آنها معدل وزنهای اتمی دو تای دیگر است. مثلا وزن اتمی لیتیم ، سدیم و پتاسیم ، به‌ترتیب ۷ ، ۲۳ و ۳۹ است.

دوبراینر ، این گروهها را تریاد یا گروههای سه گانه نامید. لیکن در میان همه عناصری که در آن زمان شناخته شده بود، وی تنها به کشف چهار گروه سه گانه یا چهار تریاد موفق گردید.

● مطالعات و بررسیهای انجام شده پیش از مندلیف

در سال ۱۸۶۲ ، "Dechancourtoi" ،‌ عناصر را به ترتیب وزن اتمی ، بوسیله نقاطی روی یک مارپیچ نمایش داد. بطوری‌که اختلاف اوزان اتمی برای دو نقطه که فاصله یک حلقه روی مارپیچ داشتند، ۱۶ بود و سعی کرد که تشابه خواص یک گروه را از روی ارتباط هندسی بین نقاط مارپیچ نمایش دهد. مثلا کلر ، برم و ید ، بوسیله نقاط واقع در یک خط نمایش داده شدند؛ ولی متاسفانه کارش مورد توجه واقع نگردید.

در سال ۱۸۶۳ ، "نیولندز" ، دانشمند انگلیسی ، عناصر را به ترتیب افزایش وزن اتمی تنظیم کرد و بدین نکته پی برد که هر هشت عنصر از هر کجا که شروع می‌شود، مانند نت هشتم در موسیقی تقریبا خواص عنصر نخستین را تکرار می‌کند. این رابطه را قانون اکتاوها نامید. سه اکتاو نخستین نیولندز برای نشان دادن سیستم او در زیر آورده می‌شود:

O N C B Be Li H

S P Si Al Mg Na F

Fe Mn Ti Cr Ca K Cl

این سیستم ، تناقضات زیادی را دربر داشت، لیکن بر پایه این فرضیه صحیح نهاده شده بود که خواص عناصر برحسب پریودی معین ، با افزایش وزن اتمی تغییر می‌کنند.

سال بعد ، "Lother- Mayer" جدول شامل بعضی عناصر شیمیایی که برحسب ظرفیت آنها به شش گروه تقسیم شده بود، منتشر کرد. Mayer با توجه به اینکه اختلاف میان وزن اتمی عناصر متوالی در هر گروه ، پایداری معینی را نشان می‌دهد، نوشته خود را بدین مضمون پایان داد: « شکی نیست که میان ارزش عددی و وزنهای اتمی رابطه معینی وجود دارد. » لیکن مایر نتیجه‌های قطعی‌تری درباره ماهیت و اهمیت این رابطه بدست نیاورد.

"مندلیف" (Dmitri Mandeleew) روی جدول تنظیمی خود ۲۰ سال کار کرد تا توانست در سال ۱۸۶۸ آنرا عرضه کند و در مارس ۱۸۶۹ اولین گزارش مختصر خود راجع به قانون پریود به انجمن شیمی _ فیزیک پترزبورگ تقدیم داشت.

● قانون تناوبی مندلیف

کشف مهم مندلیف که شاهکار تحقیقات علمی اوست، این بود که متوجه شد خواص قابل اندازه گیری عناصر با افزایش اوزان اتمی ترقی یا تنزل نمی‌کند، بلکه این تغییرات ، تناوب دارد و بطور متناوب گاهی صعودی و گاهی نزولی است. مندلیف برای اینکه عناصر مشابه را زیر یکدیگر قرار دهد، ناچار شد برای برخی عناصر کشف نشده در آن زمان ، در جدول خود جای خالی بگذارد و او توانست خواص سه عنصر ناشناخته را پیش بینی نماید.

با کشف گالیم در سال ۱۸۷۵ توسط "de.Bosibaudran" فرانسوی ، اسکاندیم توسط Larnilson سوئدی در سال ۱۸۷۹ و ژرمانیم توسط Clemenswinkler آلمانی در سال ۱۸۸۵ ، پیشگویی‌های مندلیف تائید گردید و سیستم تناوبی ، جایگاهی مناسب یافت. مندلیف وجود گازهای نجیب (Ra , Xe , Kr , Ar , Ne , He ) را پیش بینی نکرد، اما در هر حال پس از کشف این عناصر در سالهای ۱۸۹۸-۱۸۹۲ ، عناصر مزبور به سهولت در گروه خود در جدول جا داده شدند.

درست ماندن جدول تناوبی ایجاب می‌کرد که سه عنصر I , Ni , K در محلی غیر از آنکه ترتیب افزایش وزن اتمی حکم می‌کرد، قرار داده شوند. مثلا ید ، بر اساس وزن اتمی باید عنصر شماره ۵۲ باشد، اما برای قرار گرفتن در گروه عناصر به لحاظ شیمیایی ، مشابه Br , Cl , F ، عنصر شماره ۵۳ در نظر گرفته شد. مطالعه بعدی طبقه‌بندی تناوبی ، بسیاری از شیمیدانها را متقاعد ساخت که خاصیت بنیادی دیگر جز وزن اتمی موجب پیدایش خاصیت مشهود تناوبی است. پیشنهاد شد که این خاصیت بنیادی به نحوی با عدد اتمی مرتبط است.

شایان ذکر است که در زمان مندلیف ، تنها ۶۲ عنصر شناخته شده بود و اوزان اتمی آنها با روشهای غیر دقیق تعیین گردیده بود و از خواص آنها اطلاعات کمتری در دست قرار داشت و در چنین شرایطی ، مندلیف توانست رابطه و تشابه بین گروهی از عناصر مختلف را درک کند.

● قانون تناوبی موزلی

"هنری موزلی" Henry G.J.Mosley در سالهای ۱۹۱۳ و ۱۹۱۴ مشکل فوق را حل کرد؛ او توانست با بررسی طیف پرتو ایکس عناصر ، اهمیت عدد اتمی را نشان دهد و طیف پرتو ایکس سی و هشت عنصر را که اعداد اتمی آنها بین ۱۳ (Al) و ۷۹ (Au) بود، مورد بررسی قرار داد و دریافت که وقتی عناصر به ترتیب افزایش عدد اتمی مرتب شده باشند، ریشه دوم فرکانس خط طیفی از عنصری به عنصر دیگر همیشه به مقدار ثابتی افزایش می‌یابد.

بنابراین موزلی موفق شد که بر پایه طیف خطی پرتو ایکس هر عنصر ، عدد اتمی صحیح آن را تعیین کند و به این ترتیب توانست مشکل طبقه بندی عناصری را حل کند که بر اساس وزن اتمی در جای درست خود قرار نمی‌گرفتند. او همچنین ابراز داشت که بین ۵۸Ce تا ۷۱Lu باید چهارده عنصر وجود وجود داشته باشد و ثابت کرد که این عناصر باید در جدول تناوبی به دنبال لانتان قرار گیرند

در آن زمان هنوز خانه‌های ۴۳ ، ۶۱ ، ۷۲ ، ۷۵ ، ۸۵ و ۸۷ خالی مانده بود و وجود عناصر احتمالی را که هنوز کشف نشده بود، نشان می‌داد. در سال ۱۹۲۲ ، Hafnium کشف شد که خانه ۷۲ را اشغال کرد. سپس در سال ۱۹۲۵ خانه ۷۵ توسط عنصر Rhenium پر گردید. درباره چهار عنصر باقیمانده باید گفت که با اظهار نظرهای چندی درباره کشف آنها هنوز دلیل قابل اطمینانی بر وجود این عناصر در طبیعت در دست نیست و هر چهار عنصر اخیرا بطور مصنوعی تهیه شده‌اند و این عناصر را Francium ، Astatine ، Promerhiam ، Technetium نامیدند.

سنجش رقمهای اتمی عناصر ، بوسیله طیف اشعه ایکس از نظر دیگر نیز بسیار اهمیت داشته است. این کار تعیین عدد کلی خانه‌ها را در جدول بین هیدروژن با عدد اتمی یک و اورانیوم با عدد اتمی ۹۲ که در آن زمان آخرین عضو جدول تناوبی تصور می‌شد، ممکن ساخت و به این ترتیب جدول تناوبی تکامل یافت و با کشف عناصر جدید به تعداد عناصر شناخته شده افزوده گردید تا اینکه جدول تناوبی عناصر به صورت کنونی درآمده است.

●● طبقه بندی عناصر در جدول تناوبی

● عناصر نماینده

این عناصر گروههای A جدول تناوبی را تشکیل می‌دهند و شامل فلزات و نافلزات هستند. خواص شیمیایی این عناصر بسیار متنوع است. بعضی از آنها دیامغناطیس و برخی دیگر پارامغناطیس هستند، ولی ترکیبات این عناصر معمولا دیامغناطیس و بی‌رنگ‌اند. در این عناصر الکترون متمایز کننده ، الکترون s یا p است که به روش بناگذاری به آخرین پوسته الکترونی افزوده می‌شود.

● عناصر واسطه

این عناصر در گروههای B جدول تناوبی دیده می‌شود. تمام این عناصر فلز بوده ، بیشتر آنها پارامغناطیس‌اند و ترکیبات شدیدا رنگین و پارامغناطیس بوجود می‌آورند. در این عناصر الکترون متمایز کننده که به روش بناگذاری به عنصر پیشین اضافه می‌شود، الکترون d است و به پوسته ماقبل آخر افزوده می‌شود. در عناصر واسطه ، الکترونهای دو پوسته آخری در واکنشهای شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

● عناصر واسطه داخلی

این عناصر در پایین جدول تناوبی دیده می‌شوند، اما در واقع باید در تناوبهای ششم و هفتم به دنبال عناصر گروه IIIB قرار گیرند. ۱۴ عنصری که در تناوب ششم بعد از لانتان قرار دارند، سری لانتانیدها نامیده می‌شوند. در تناوب هفتم ، دسته‌ای که به دنبال اکتنیم قرار می‌گیرند، سری اکتینیدها خوانده شده‌اند. در این دسته از عناصر ، الکترونهای متمایز کننده از نوع f بوده ، در پوسته فرعی f واقع در پوسته زیر ماقبل آخر قرار می‌گیرند. تمام عناصر واسطه درونی ، فلز هستند. این عناصر پارامغناطیس‌اند و ترکیبات آنها نیز رنگین و پارامغناطیس می‌باشند.

● گازهای نجیب

در جدول تناوبی ، گازهای نجیب در انتهای هر تناوب جای دارند. این عناصر گازهای بی‌رنگ ، تک اتمی ، دیامغناطیس و از نظر شیمیایی غیر فعال‌اند. بجز هلیم (که آرایش الکترونی دارد) ، تمام گازهای نجیب آرایش الکترونی بیرونی که نظمی بسیار پایدار است، دارند.