همه چیز درباره جدول تناوبی مندلیف

جدول مندلیف یک نمایش جدولی از عناصر شیمیایی است که بر اساس عدد اتمی از عنصر هیدروژن، با کمترین عدد اتمی، تا عنصر اوگانسون، با بیشترین عدد اتمی سازماندهی شده‌ است. عدد اتمی یک عنصر، تعداد پروتون‌های موجود در هسته‌ی یک اتم آن عنصر است. هیدروژن یک پروتون و اوگانسون ۱۱۸ پروتون دارد.

دانشمندان از جدول تناوبی برای اشاره‌ی سریع به اطلاعات مربوط به یک عنصر مانند جرم اتمی و نماد شیمیایی، برای تجزیه‌و‌تحلیل واکنش‌پذیری بین عناصر، پیش‌بینی واکنش‌های شیمیایی و حدس و گمان در مورد خواص عناصری که هنوز کشف نشده، استفاده می‌کنند. چینش جدول تناوبی مندلیف همچنین به دانشمندان اجازه می‌دهد تا روند خواص عنصر، از جمله الکترونگاتیوی، انرژی یونش و شعاع اتمی را تشخیص دهند.

بسیاری از دانشمندان روی مشکل سازماندهی عناصر کار کردند، اما دیمیتری مندلیف اولین نسخه‌ی خود از جدول تناوبی را در سال ۱۸۶۹ منتشر کرد و اغلب به عنوان مخترع آن شناخته می‌شود. از آن زمان، جدول تناوبی تکامل یافته است تا بیش از ۱۵۰ سال پیشرفت علمی و درک در شیمی و فیزیک را منعکس کند. امروزه جدول تناوبی مندلیف به‌طور گسترده با داشتن ۱۱۸ عنصر شناخته شده و به عنوان یکی از مهمترین دستاوردهای علم در نظر گرفته می‌شود.

تاریخچه‌ی جدول تناوبی تاریخ کشف عناصر شیمیایی است. جدول تناوبی مدرن، بر اساس اعداد اتمی، با مشارکت دانشمندان در طول نزدیک به یک قرن شکل گرفت. آنتوان لاووازیه در سال ۱۷۸۹ عناصر را به عنوان فلزات و نافلزات طبقه‌بندی کرد. یوهان دوبراینر متوجه شد که برخی از عناصر دارای ویژگی‌های مشابهی هستند، بنابراین آن‌ها را در سه مجموعه به نام سه‌گانه دسته‌بندی کرد. بعدها، در دهه‌ی ۱۸۶۰، جان نیولندز متوجه الگویی شد که در آن هر عنصر هشتم خصوصیات مشترکی داشت که آن را «قانون اکتاو» نامید. او عناصر را به این ترتیب سازماندهی کرد، اما فضایی برای عناصر ناشناخته باقی نگذاشت.

قانون تناوبی مندلیف به دیمیتری مندلیف و لوتار مایر در سال ۱۸۶۹ نسبت داده می شود، اگرچه مندلیف بیشتر به رسمیت شناخته شده است. هر دو دانشمند عناصر را با افزایش جرم اتمی سازماندهی و مشاهده کردند که خواص ویژه‌ای در فواصل زمانی منظم تکرار می‌شوند. نسخه‌ی مایر بر حجم (مولی) اتمی (جرم تقسیم بر چگالی در فرم جامد) متمرکز بود، در حالی که جدول تناوبی مندلیف به دلیل قدرت پیش‌بینی خود توجه بیشتری را جلب کرد. مندلیف فضاهای خالی را برای عناصر کشف نشده باقی گذاشت و وجود و ویژگی‌های آن‌ها را به دقت پیش‌بینی کرد. بعداً وقتی آن عناصر پیدا شدند، پیش‌بینی او تأیید شد.

قانون تناوبی مندلیف بیان می‌کند که خواص عناصر تابع تناوبی از وزن اتمی آن‌هاست که بعدها در جدول مدرن به اعداد اتمی به‌روز شد. بزرگترین دستاورد مندلیف گذاشتن خانه‌های خالی در جدول برای عناصر کشف‌نشده و حدس ویژگی‌های آن‌ها براساس روندهای مشاهده‌شده بود. مندلیف به دقت عناصری مانند گالیم، اسکاندیم و ژرمانیوم را پیش‌بینی کرد که بعداً کشف شدند و با پیش‌بینی‌های او مطابقت داشتند. او از این عناصر ناشناخته به عنوان «عناصر eka» یاد کرد و زمانی که آن‌ها در نهایت پیدا شدند، ساختار جدول تناوبی او را تأیید کردند.

با گذشت زمان، جدول به فرمت مدرن با فلزات در سمت چپ و نافلزات در سمت راست تبدیل شد و به دانشمندان کمک کرد تا ساختارهای اتمی و رفتارهای شیمیایی را درک کنند. جدول تناوبی مندلیف اکنون ابزاری ضروری در زمینه‌هایی مانند داروسازی و فناوری است.

چطور جدول مندلیف را بخوانیم؟ نمادها و گروه و دوره در جدول مندلیف به چه معنا است؟

جدول تناوبی به صورت جدولی ۱۸ در ۷ از عناصر و یک ردیف دوتایی کوچک‌تر در پایین آن ساخته شده است. جدول تناوبی فقط عناصر شیمیایی را فهرست می‌کند و ایزوتوپ هر عنصر فقط یک خانه را در برمی‌گیرد. در جدول تناوبی معمولی، هر عنصر با نماد عنصر و عدد اتمی خود فهرست می‌شود. به عنوان مثال، H نشان‌دهنده‌ی هیدروژن و Li نشان‌دهنده‌ی لیتیوم است.

اکثر عناصر جدول مندلیف شیمی با حرف اول یا دو حرف اول نام انگلیسی خود نشان داده می‌شوند، اما استثناهایی نیز وجود دارد. دو استثنا قابل‌توجه شامل نقره و جیوه است. نماد نقره Ag از لاتین واژه‌ی argentum به معنای «خاکستری» یا «درخشنده» است. نماد جیوه Hg از واژه‌ی یونانی لاتین hydrargyrum به معنای «آب-نقره» است. بسیاری از جداول تناوبی شامل نام کامل عنصر نیز هستند و خانه‌ی عناصر را بر اساس حالتشان در دمای اتاق (جامد، مایع یا گاز) رنگ می‌کنند.

نماد عنصر تقریباً همیشه با اطلاعات دیگری مانند عدد اتمی و عدد جرمی همراه است. عدد اتمی تعداد پروتون‌های اتم عنصر را توصیف می‌کند. به عنوان مثال، یک اتم اکسیژن حاوی هشت پروتون است، پس در خانه‌ی شماره هشت جدول تناوبی قرار می‌گیرد. عناصر به ترتیب افزایش عدد اتمی از چپ به راست فهرست شده‌اند. هر سطر از جدول تناوبی را دوره و هر ستون جدول تناوبی را گروه یا خانواده می‌نامند. برخی از گروه‌ها نام‌های خاصی مانند هالوژن‌ها یا گازهای نجیب دارند. عناصر درون دوره یا گروه خاص دارای خواص مشابه هستند.

خواص شیمیایی هر عنصر توسط آرایش الکترونیکی عنصر، به ویژه توسط بیرونی‌ترین الکترون‌های ظرفیت آن تعیین می‌شود. مکان یک عنصر در جدول تناوبی تا حد زیادی به الکترون‌های آن وابسته است. تعداد الکترون‌های اوربیتال یا لایه‌ی ظرفیتی، گروه را تعیین می‌کند و نوع اوربیتالی که الکترون‌های ظرفیت در آن قرار دارند، بلوک عنصر را تعیین می‌کند. علاوه بر این، تعداد کل لایه‌های الکترونی اتم تعیین می‌کند که به کدام دوره تعلق دارد. جدول تناوبی مندلیف به دلیل ساختارش به ابزاری بسیار مفید برای ارزیابی و پیش‌بینی روندهای عنصری و شیمیایی تبدیل شده است.

LibreTexts

عنصرها سه نوع فلزها، شبه‌فلزها و نافلزها هستند. ساختار جدول تناوبی به تمایز بین عناصر کمک و ویژگی‌های منحصر به فردشان را برجسته می‌کند. در حالی که فلزها بر جدول غالب هستند، نافلزها و شبه‌فلزها نقش اساسی در فرآیندها و صنایع شیمیایی مختلف، از الکترونیک گرفته تا زیست‌شناسی، ایفا می‌کنند.

فلزها اکثر عناصر جدول تناوبی را تشکیل می‌دهند که عمدتاً در سمت چپ و مرکز قرار دارند و به چند دسته تقسیم می‌شوند: فلزات قلیایی (گروه ۱)، فلزات قلیایی خاکی (گروه ۲)، فلزات واسطه (گروه‌های ۳ تا ۱۲)، و فلزات واسطه‌ی داخلی (لانتانیدها و اکتینیدها) که عناصر بلوک f جدول مندلیف هستند. فلزات عموماً براق، چکش‌خوار و رسانای خوب گرما و الکتریسیته هستند؛ به عنوان مثال می‌توان به آهن، مس و طلا اشاره کرد. فلزات معمولاً در دمای اتاق جامد هستند، به جز جیوه که مایع است.

نافلزات موجود در سمت راست جدول تناوبی از نظر تعداد اتم در مولکول‌هایشان به سه دسته‌ی نافلزات چند اتمی، نافلزات دو اتمی و گازهای نجیب تقسیم می‌شوند. تفاوت نافلزها با فلزها این است که رسانای ضعیف گرما و الکتریسیته، فاقد درخشندگی و در حالت جامد، شکننده هستند. نافلزات می‌توانند در حالت‌های مختلف گاز (مانند اکسیژن)، جامد (مانند گوگرد)، یا حتی مایع (مانند برم) وجود داشته باشند. نافلزات برای زندگی ضروری هستند، زیرا عناصری مانند کربن و نیتروژن اجزای سازنده موجودات زنده را تشکیل می‌دهند.

شبه‌فلزها که شبیه به یک خط زیگزاگ بین فلزات و نافلزات قرار دارند، شامل عناصری مانند بور، سیلیسیم و آرسنیک هستند. شبه‌فلزها هم ویژگی‌های فلزات و هم نافلزات را دارند؛ به عنوان مثال می‌توانند الکتریسیته را هدایت کنند، اما نه به خوبی فلزات و نیمه‌هادی‌ هستند و سطح صیقلی و براق دارند، اما چکش‌خوار نیستند. خواص شبه‌فلزها در الکترونیک بسیار مهم است و به‌عنوان پلی بین رفتارهای فلزی و غیرفلزی عمل می‌کنند.

روندهای زیادی در جدول تناوبی وجود دارد. برای مثال انرژی یونش، الکترونگاتیوی و البته شعاع اتمی که مهم‌ترین آن‌ها هستند.

شعاع اتمی اندازه‌ی اتمی نیز نامیده می‌شود. در شیمی پایه، شعاع اتمی به عنوان کوتاه‌ترین فاصله بین هسته‌ی اتم و بیرونی‌ترین مدار الکترونی تعریف می‌شود. در واقع شعاع اتمی نصف فاصله‌ی بین دو هسته از یک اتم است که به یکدیگر پیوند دارند. اندازه‌گیری فاصله از مرکز هسته‌ی اتم تا لبه‌ی ابر الکترونی صحیح و امکان‌پذیر نیست؛ زیرا مرزهای اوربیتال‌ها کاملاً مبهم هستند و همچنین در شرایط مختلف تغییر می‌کنند.

روند شعاع اتمی در جدول تناوبی

شعاع اتمی به گوشه‌ی سمت چپ پایین جدول تناوبی افزایش می‌یابد. فرانسیم بیشترین شعاع اتمی را دارد. اندازه‌ی اتم‌ها در طول دوره به سمت راست کاهش و در گروه به سمت پایین افزایش می‌یابد.

روند شعاع اتمی در طول دوره‌ی جدول مندلیف چیست؟ در طول یک دوره یا تناوب، شعاع اتمی کاهش می‌یابد؛ زیرا در حالی که تعداد الکترون‌ها در طول دوره افزایش می‌یابد، آن‌ها فقط به همان سطح انرژی اصلی اضافه می‌شوند و بنابراین ابر الکترونی را گسترش نمی‌دهند؛ اما در طول دوره، تعداد پروتون‌ها نیز افزایش می‌یابد. بار مثبت با افزایش، الکترون‌ها را به هسته نزدیک‌تر می‌کند و شعاع اتمی را کاهش می‌دهد.

نکته‌ی قابل‌توجه این است که اثر جاذبه بین هسته با بار مثبت و الکترون‌ها با دافعه‌ی الکترون‌ها در‌حالی‌که به‌شکل مداوم اضافه می‌شوند، اندکی خنثی می‌شود و به همین دلیل اختلاف شعاع اتمی در هر دوره کاهش می‌یابد.

روند شعاع اتمی در گروه جدول مندلیف چیست؟ در یک گروه از بالا به پایین، شعاع اتمی افزایش می‌یابد؛ زیرا بین هر گروه، الکترون‌ها به‌طور مداوم سطوح انرژی بالاتری را اشغال می‌کنند و با افزایش اندازه‌ی ابرهای الکترونی، شعاع اتمی نیز افزایش می‌یابد.

انرژی یونش انرژی مورد نیاز برای حذف یک الکترون از یک اتم یا یون گاز شناخته می‌شود. انرژی یونش اولیه یا ابتدایی یا Ei یک اتم یا مولکول، انرژی مورد نیاز برای جداکردن یک مول الکترون از یک مول از اتم یا یون گازی است.

انرژی یونش به عنوانی معیاری برای دشواری حذف یک الکترون یا قدرت اتصال یک الکترون شناخته می‌شود و هر چه انرژی یونش بیشتر باشد، حذف الکترون دشوارتر خواهد بود. بنابراین انرژی یونش نشانگر واکنش‌پذیری است. انرژی یونش مهم است؛ زیرا می‌توان از آن برای پیش‌بینی استحکام پیوندهای شیمیایی استفاده کنیم.

روند انرژی یونش در طول دوره‌ی جدول مندلیف چیست؟ انرژی یونش از چپ به راست در طول یک دوره به‌طور کلی افزایش می‌یابد زیرا شعاع اتمی کاهش می‌یابد، بنابراین جاذبه‌ی مؤثر بیشتری بین الکترون‌های با بار منفی و هسته با بار مثبت وجود دارد. یونیزاسیون برای فلز قلیایی در سمت چپ جدول در حداقل مقدار خود و برای گاز نجیب در سمت راست دوره در حداکثر مقدار است. گاز نجیب دارای یک پوسته ظرفیت پر شده است، بنابراین در برابر حذف الکترون مقاومت می‌کند.

روند انرژی یونش در گروه جدول مندلیف چیست؟ انرژی یونش از بالا به پایین گروه جدول مندلیف شیمی کاهش می‌یابد، زیرا عدد کوانتومی اصلی (لایه‌ای که الکترون در آن قرار دارد) بیرونی‌ترین الکترون در حرکت به سمت پایین یک گروه افزایش می‌یابد. در یک گروه به سمت پایین پروتون‌های بیشتری در اتم‌ها وجود دارد که بار مثبت بیشتر دارند، با این حال اثر لایه‌های الکترونی را به داخل می‌کشند، آن‌ها را کوچک‌تر می‌کنند و الکترون‌های بیرونی را از نیروی جاذبه‌ی هسته دور می‌کنند. در گروه از بالا به پایین مدار الکترونی بیشتری اضافه می‌شوند بنابراین بیرونی‌ترین الکترون لایه بیشتر از هسته دور می‌شود.

الکترونگاتیوی به‌عنوان تمایل یک اتم برای جذب جفت الکترون به سمت خود در یک پیوند شیمیایی تعریف می‌شود و هرچه الکترونگاتیوی بالاتر باشد، اتم، الکترون‌ها را قوی‌تر جذب می‌کند. عوامل موثر بر الکترونگاتیوی در درجه‌ی اول عدد اتمی و فاصله‌ی الکترون‌های ظرفیت از هسته است.

چندین روش مختلف برای اندازه‌گیری الکترونگاتیوی وجود دارد که رایج‌ترین آن مقیاس پاولینگ است. عناصر مختلف بر اساس تعدادی از عوامل مانند اندازه و تعداد پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها دارای الکترونگاتیوهای متفاوتی هستند.

روند الکترونگاتیوی در طول دوره‌ و گروه جدول مندلیف چیست؟ در جدول تناوبی، الکترونگاتیوی معمولاً با حرکت از چپ به راست در یک دوره افزایش می‌یابد و با حرکت به سمت پایین گروه کاهش می‌یابد. در نتیجه، بیشترین عناصر الکترونگاتیو در سمت راست بالای جدول تناوبی است، در حالی که کمترین عناصر الکترونگاتیو در سمت پایین چپ یافت می‌شود.

آرایش الکترونی به نحوه‌ی توزیع الکترون‌ها در اوربیتال‌های اتم اشاره دارد که نقش کلیدی در تعیین موقعیت عنصر در جدول مندلیف شیمی و رفتار شیمیایی آن دارد.

عناصر بر اساس عدد اتمی، که با آرایش الکترونی مطابقت دارد، مرتب می‌شوند. جدول به دو قسمت دوره و گروه‌ها تقسیم می‌شود که دوره‌ها تعداد لایه‌های الکترونی و گروه‌ها تعداد الکترون‌های ظرفیتی را نشان می‌دهند.

عناصر موجود در یک گروه، مانند گروه ۱ (فلزات قلیایی)، آرایش الکترونی مشابهی را در لایه‌ی ظرفیت خود دارند که به واکنش‌پذیری مشابه منجر می‌شود. به عنوان مثال، سدیم (Na) یک الکترون ظرفیت در لایه‌ی الکترونی سوم (3S1) دارد، درست مانند لیتیوم (Li) در لایه‌ی دوم (2S1). آرایش الکترونی مشترک توضیح می‌دهد که چرا هر دو بسیار واکنش‌پذیر هستند، زیرا تمایل دارند آن الکترون‌ تک‌ظرفیتی را به راحتی از دست بدهند.

عناصر با لایه‌ی بیرونی ناقص به به‌دست‌آوردن، از دست‌دادن یا اشتراک الکترون برای دستیابی به ثبات، تمایل دارند. به عنوان مثال، فلوئور (F) هفت الکترون ظرفیت دارد (2S²2P⁵) و یک الکترون دیگر را به شدت جذب می‌کند تا لایه‌ی الکترون خود را پر کند و شبیه به نئون شود و به همین دلیل بسیار واکنش‌پذیر است. فلزات که الکترون‌های ظرفیت کمتری دارند، تمایل دارند الکترون‌ها را برای تشکیل یون‌های مثبت از دست بدهند و شبیه گاز نجیب قبل خود شوند. در حالی که نافلزات اغلب الکترون‌ها را برای تشکیل یون‌های منفی به دست می‌آورند تا شبیه گاز نجیب بعد از خود شوند.

بنابراین، آرایش الکترونی، به‌ویژه در بیرونی‌ترین لایه، نحوه‌ی رفتار شیمیایی یک عنصر را تعیین می‌کند. آرایش الکترونی بر روند واکنش‌پذیری، انرژی یونش و الکترونگاتیوی تأثیر می‌گذارد و تعیین می‌کند که یک اتم چقدر الکترون‌های خود را محکم نگه می‌دارد و چگونه با اتم‌های دیگر برهمکنش می‌کند:

• واکنش‌پذیری: اتم‌هایی با لایه الکترون ظرفیت تقریباً پر یا تقریباً خالی (مانند فلزات قلیایی و هالوژن‌ها) واکنش‌پذیرتر هستند. آن‌ها برای دستیابی به ثبات به راحتی الکترون از دست می‌دهند یا به‌دست می‌آورند.
• انرژی یونش: آرایش الکترونی به نحوه‌ی چیدمان الکترون‌ها در لایه‌های اتم اشاره دارد که بر میزان آسانی حذف الکترون تأثیر می‌گذارد. با حرکت به سمت پایین گروه وقتی اتم‌ها لایه‌های الکترونی بیشتری به دست می‌آورند، الکترون‌های بیرونی دورتر از هسته هستند و کشش کمتری را تجربه می‌کنند و حذف آن‌ها آسان‌تر می‌شود، بنابراین انرژی یونش کاهش می‌یابد.در طول یک دوره با افزایش پروتون‌ها، هسته، الکترون‌ها را محکم‌تر می‌کشد و الکترون‌های بیرونی اتم‌ها لایه‌‌های نزدیک‌تر را پر می‌کنند و حذف آن‌ها سخت‌تر می‌شود، بنابراین انرژی یونش افزایش می‌یابد.
• الکترونگاتیوی: الکترونگاتیوی در طول یک دوره افزایش و در یک گروه کاهش می‌یابد، زیرا اتم‌هایی با پروتون‌های بیشتر و لایه‌های الکترونی کمتر، الکترون‌های پیوندی را قوی‌تر جذب می‌کنند.

مندلیف جدول تناوبی را طوری تنظیم کرد که عناصر با بیشترین خصوصیات مشابه در یک گروه قرار گرفتند. یک گروه یا خانواده عناصر، یک ستون عمودی از جدول تناوبی است. عناصر به دلیل خواص، ویژگی‌ها و واکنش‌های مشابه در خانواده ها قرار می‌گیرند.

Shutterstock

تمام عناصر گروه یک بسیار واکنش‌پذیر هستند و ترکیباتی را با نسبت‌های مشابه و با خواص مشابه با سایر عناصر تشکیل می‌دهند. مندلیف به دلیل شباهت‌هایی که در خواص شیمیایی آن‌ها داشتند، این عناصر را در یک گروه قرار داد و گروه اول به فلزات قلیایی معروف شدند.

فلزات قلیایی عبارت‌اند از: لیتیوم، سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم و فرانسیم. فلزات قلیایی از واکنش‌پذیرترین فلزات هستند که تا حدی به دلیل شعاع اتمی بزرگ‌تر و انرژی یونش پایین آن‌ها است. اگرچه اکثر فلزات سخت هستند، فلزات قلیایی بافت نرمی دارند، نقره‌ای رنگ و به راحتی قابل برش هستند. گروه اول همچنین نقطه‌ی جوش و ذوب پایینی دارند و نسبت به اکثر عناصر از چگالی کمتر بهره می‌برند.

گروه دو، فلزات قلیایی خاکی نامیده می‌شود و دارای خواص مشابه یکدیگر هستند. فلزات قلیایی خاکی شامل بریلیم، منیزیم، کلسیم، باریم، استرانسیوم و رادیوم هستند. گروه دوم، فلزات نرم و نقره‌ای هستند که نسبت به فلزات قلیایی گروه یک خاصیت فلزی کمتری دارند. اگرچه بسیاری از خصوصیات در سراسر گروه مشترک است، فلزات سنگین‌تر مانند کلسیم، استرانسیوم، باریم و رادیوم تقریباً به اندازه‌ی فلزات قلیایی گروه یک واکنش‌پذیر هستند. گروه دو نام خود را به این دلیل گرفته که دانشمندان اولیه دریافتند که تمام فلزات قلیایی خاکی در پوسته‌ی زمین یافت می‌شوند.

فلزات واسطه بلوک بزرگ‌تری از عناصر هستند که در وسط جدول مندلیف شیمی نشان داده می‌شوند و از گروه‌های ۳ تا ۱۲ (همچنین به عنوان عناصر بلوک d شناخته می‌شوند) امتداد دارند. عناصر واسطه به‌دلیل برخورداری از سختی و چگالی بالا، با عناصر گروه یک و دو (عناصر بلوک s که در حالت پایه تنها اوربیتال s در لایه ظرفیت دارند) متفاوت هستند. فلزات واسطه جدول تناوبی مندلیف نقطه‌ی ذوب و نقطه‌ی جوش بالایی دارند و می‌توانند حالت‌های اکسیداسیون مختلفی را هنگام تشکیل پیوندهای شیمیایی نشان دهند. فلزات واسطه اغلب ترکیبات رنگی را تشکیل می‌دهند که بسیار پایدار هستند و می‌توانند به عنوان کاتالیزور مناسب عمل کنند. کاتالیزور عاملی است که به سرعت بخشیدن به یک واکنش شیمیایی کمک می‌کند، بدون اینکه در فرآیند تغییر کند.

عناصر گروه ۱۷ هالوژن نیز نامیده می‌شوند. هالوژن‌ها حاوی نافلزات بسیار واکنش‌پذیر هستند. هالوژن‌ها گروه جالب و جزو بلوک p هستند. این تنها گروه در جدول تناوبی است که شامل تمام حالات ماده در دمای اتاق است. فلوئور(F2)و کلر(Cl2) گاز هستند، در حالی که برم(Br2) مایع است و ید(I2) و آستاتین(At)، هر دو جامد هستند.

اما معنی هالوژن در گروه ۱۷ جدول مندلیف چیست؟ کلمه‌ی هالوژن از واژه‌های یونانی به معنای نمک‌زا گرفته شده است. شیمیدانان فرانسوی کشف کردند که اکثر یون‌های هالوژن وقتی با فلزات و عنصرهای گروه یک ترکیب می‌شوند نمک تشکیل می‌دهند.

گازهای نجیب در گروه ۱۸ قرار دارند. دو خاصیت مهم گازهای نجیب این است که به شدت غیر‌فعال هستند و به ندرت ترکیباتی را تشکیل می‌دهند و همگی به‌صورت گاز در دمای اتاق وجود دارند. اتم‌های هلیوم، نئون، آرگون، کریپتون، زنون و رادون همگی دارای یک لایه ظرفیت بیرونی کامل از الکترون هستند که باعث می‌شود کاملاً غیر‌فعال باشند. گازهای نجیب تنها عناصر شیمیایی هستند که مولکول‌های تک اتمی پایدار در دما و فشار استاندارد هستند.

گازهای نجیب گازهای بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه و غیرقابل‌اشتعال هستند. گازهای نجیب به‌طور سنتی در جدول تناوبی گروه صفر نامیده می‌شدند زیرا برای چندین دهه پس از کشف‌شان اعتقاد بر این بود که آن‌ها نمی‌توانند به اتم‌های دیگر پیوند بخورند؛ یعنی اتم‌هایشان نمی‌توانند با اتم‌های عناصر دیگر ترکیب شوند و ترکیبات شیمیایی تشکیل دهند. آرایش الکترونیکی گازهای نجیب و فهمیدن‌ اینکه برخی از آن‌ها درواقع ترکیباتی را تشکیل می‌دهند، منجر به نامگذاری مناسب‌تر برای گروه ۱۸ شد.

فراوانی گازهای نجیب با افزایش اعداد اتمی آن‌ها کاهش می‌یابد. هلیوم فراوان‌ترین عنصر جهان به جز هیدروژن است. همه‌ی گازهای نجیب در جو زمین وجود دارند و به جز هلیوم و رادون، منبع اصلی آن‌ها هوا است که از طریق میعان و تقطیر جزء‌به‌جزء به دست می‌آیند. بیشتر هلیوم به صورت تجاری از چاه‌های گاز طبیعی خاص تولید می‌شود. رادون معمولاً به عنوان محصولی از تجزیه‌ی رادیواکتیو ترکیبات رادیوم جدا می‌شود.

هر عنصر گاز نجیب در جدول تناوبی بین یک عنصر از عناصر هالوژن، الکترونگاتیوترین گروه و یک عنصر از فلزات قلیایی، الکتروپوزیتیوترین گروه، قرار دارند.

چندین کاربرد مهم گازهای نجیب به عدم تمایل آن‌ها به واکنش شیمیایی بستگی دارد. برای مثال، بی‌تفاوتی گازهای نجیب نسبت به اکسیژن، قابلیت غیر‌قابل‌اشتعال بودن را به گازهای نجیب می‌دهد. اگرچه هلیوم به اندازه‌ی هیدروژن قابلیت شناوری را ندارد، اما غیر‌قابل‌احتراق‌بودن، آن را به گاز بالابر ایمن‌تری برای بالن‌های هوا تبدیل می‌کند. گازهای نجیب، اغلب کم‌هزینه‌ترین آن‌ها یعنی هلیوم و آرگون، برای ایجاد محیط‌های شیمیایی غیر‌واکنشی برای عملیات‌هایی مانند برش، جوشکاری و پالایش فلزاتی مانند آلومینیوم استفاده می‌شود. اکسیژن اتمسفر و در برخی موارد نیتروژن یا کربن دی‌اکسید با فلز داغ واکنش می‌دهند.

گازهای نجیب کاربردهایی دارند که از دیگر خواص شیمیایی آن‌ها ناشی می‌شود. نقطه‌ی جوش و نقطه‌ی ذوب بسیار پایین، گازهای نجیب را در مطالعه‌ی ماده در دماهای بسیار پایین مفید می‌کند. حلالیت کم هلیوم در مایعات منجر به مخلوط‌شدن آن با اکسیژن برای تنفس غواصان در اعماق دریا می‌شود؛ چون هلیوم در خون حل نمی‌شود، پس از فشرده‌سازی حباب ایجاد نمی‌کند. زنون به عنوان بی‌حس‌کننده استفاده می‌شود و اگرچه پرهزینه است، اما غیر‌قابل‌اشتعال است و به راحتی از بدن دفع می‌شود. رادون بسیار رادیواکتیو است. تنها کاربردهای آن مواردی بوده است که از این خاصیت مثلاً پرتودرمانی استفاده می‌کنند

لانتانیدها و اکتینیدها در مجموع از ۳۰ عنصر تشکیل شده‌اند و در طبیعت رادیواکتیو هستند مانند عنصر رادیواکتیو اورانیوم. این عناصر به جز لوتتیم و لارنسیم که در بلوک d هستند، همگی در بلوک f جدول تناوبی مندلیف نگهداری می‌شوند.

لانتانیدها حاوی ۱۵ عنصر از عداد اتمی ۵۷ تا ۷۱ هستند. این عناصر از اولین عنصر گروه به نام لانتان نامگذاری شده‌اند، زیرا خواص شیمیایی مشابهی با سایر عناصر این گروه از خود نشان می‌دهد.

عناصر این گروه شامل لانتان، سریم، پرازئودیمیم، نئودیمیم، پرومتیم، ساماریم، یوروپیم، گادولینیم، تربیم، دیسپروزیم، هولمیم، اربیم، تولیم، ایتربیم و لوتتیم است. لانتانیدها همچنین فلزات کمیاب زمین نامیده می‌شوند همگی فلزات نقره‌ای-سفید جامد و واکنش‌پذیر هستند به دلیل واکنش‌پذیری در هوا کدر می‌شوند و از سنگ معدنی به دست می‌آیند.

موارد استفاده از لانتانیدها

لانتانیدها به طور گسترده‌ای به عنوان آلیاژ برای ایجاد استحکام و سختی به فلزات استفاده می‌شوند. لانتانید اصلی مورد استفاده برای این منظور، سریم است که با مقادیر کمی لانتان، نئودیمیم و پرازئودیمیم مخلوط شده است. این فلزات همچنین به‌طور گسترده در صنعت نفت برای پالایش نفت خام به فرآورده‌های بنزینی استفاده می‌شود.

اربیم و سایر لانتانیدها به طور گسترده در برخی از دستگاه‌های نوری مانند عینک دید در شب، پرتوهای لیزر و مواد فسفری استفاده می‌شوند.

سارا ارجمند

برخوردهای ستاره‌ای چگونه سنگین‌ترین عناصر جهان را شکل دادند؟

مطالعه '11

اکتینیدها ۱۵ عنصر هستند که با عدد اتمی ۸۹ شروع می‌شوند و تا عدد اتمی ۱۰۳ ادامه دارند و اکتینیدها نامیده می‌شوند زیرا همه‌ی خواص شیمیایی مشابه اولین عنصر گروه یعنی اکتینیم را دارند. این گروه عمدتاً شامل عناصر ساخته‌شده توسط انسان به غیر از تعداد کمی هستند که به طور طبیعی وجود دارند. اکتینیدها شامل اکتینیم، توریم، پروتاکتینیم، اورانیوم، نپتونیم، پلوتونیم، آمریسیوم، کوریم، برکیلیوم، کالیفرنیوم، اینشتینیوم، فرمیم، مندلیفیم، نوبلیم و لارنسیم است.

موارد استفاده از اکتینیدها

اکتینیدها در درجه‌ی اول به این دلیل ارزشمند هستند که رادیواکتیو هستند. این عناصر را می‌توان به عنوان منابع انرژی برای کاربردهایی مانند ضربان‌ساز مصنوعی قلب، تا تولید انرژی الکتریکی برای ابزارهای روی ماه استفاده کرد. اورانیوم و پلوتونیم در تسلیحات هسته‌ای و نیروگاه‌های هسته‌ای به کار می‌روند.

چه چیزی بلوک F را خاص می‌کند؟

• اکتینیدها عناصر رادیواکتیو هستند. به دلیل خاصیت رادیواکتیویته، به‌ویژه در واکنش‌های هسته‌ای مفید هستند و تشعشعات ساطع می‌کنند.
• یکی از لانتانیدها (پرومتیوم و همه ایزوتوپ های آن) رادیواکتیو است، در حالی که بقیه‌ی اعضای گروه این‌گونه نیستند. تعداد کل عناصر رادیواکتیو در لانتانیدها و اکتینیدها ۱۶ است.
• لانتانیدها و اکتینیدها به عنوان عناصر بلوک f در نظر گرفته می شوند زیرا دارای یک یا چند الکترون در اوربیتال f داخلی هستند. با‌این‌حال، دو عنصر آن‌ها در بلوک d در نظر گرفته می‌شوند.
• لانتانیدها نقطه‌ی ذوب و جوش بالایی دارند و با آب واکنش می‌دهند و گاز هیدروژن تولید می‌کنند.
• بسیاری از لانتانیدها هنگام قرار‌گرفتن در معرض هوا می‌سوزند.
• مونازیت، زنوتیم و یوکسنیت کانه‌های اصلی لانتانید هستند.
• اورانیوم و توریم فراوان‌ترین اکتینیدهای طبیعی هستند در حالی که پلوتونیم یک اکتینید مصنوعی است.
• اکتینیدها به جز توریم و آمریسیوم چگالی سنگینی دارند.
• فلزات اکتینید کاملاً نرم هستند.
• لانتانیدها و اکتینیدها همچنین فلزات واسطه داخلی نامیده می‌شوند.

جدول تناوبی تمام عناصری را که توسط انسان شناخته شده است فهرست می‌کند، همه‌ی عناصر به ترتیبی صعودی از نظر عدد اتمی و خواص شیمیایی پشت هم مرتب شده‌اند. طبق جدول تناوبی مدرن، خواص فیزیکی و شیمیایی عناصر نشان‌دهنده‌ی توابع تناوبی اعداد اتمی است.

تفاوت اصلی جدول تناوبی مدرن و جدول مندلیف چیست؟ تفاوت در نحوه‌ی سازماندهی عناصر نهفته است. مندلیف عناصر را با افزایش وزن اتمی مرتب کرد و خانه‌های خالی را برای عناصر کشف نشده باقی گذاشت و خواص آن‌ها را پیش‌بینی کرد. با‌این‌‌حال، جدول تناوبی مدرن، عناصر را بر اساس عدد اتمی (تعداد پروتون) مرتب می‌کند که بازتاب دقیق‌تری از ویژگی‌های عنصر را ارائه می‌دهد. این تصحیح همچنین مشکلات جدول مندلیف مانند عناصر جابه‌جا مانند ید و تلوریم را حل کرد. جدول مدرن شامل عناصر کشف‌شده‌ی بیشتری است و مفاهیمی مانند آرایش الکترونی را در خود جای داده است.

چینش بر اساس عدد اتمی

چینش عناصر در جدول تناوبی مدرن کاملاً بر اساس ترتیب صعودی عدد اتمی آن‌ها است. عدد اتمی با حرکت از یک عنصر به عنصر بعدی تنها یک واحد (نه کسری) افزایش می‌یابد و برابر با تعداد الکترون‌ها برابر است. بنابراین درک و به‌خاطر‌سپردن جدول تناوبی مدرن از جدول تناوبی مندلیف آسان‌تر است.

عدد اتمی یک عنصر هرگز تغییر نمی‌کند، به این معنی که تعداد پروتون‌های هسته‌ی هر اتم در یک عنصر همیشه یکسان است. اتم‌های هیدروژن همیشه دارای یک پروتون هستند، بنابراین عدد اتمی هیدروژن یک است. به‌طور مشابه، اتم‌های کربن دارای ۶ پروتون هستند با عدد اتمی ۶. عدد اتمی برای هر عنصر ثابت است و نمی‌توان آن را تغییر داد.

پیش‌بینی عناصر و خواص جدید

پیش‌بینی عناصر جدید اهمیت جدول تناوبی مدرن را نشان می‌دهد. زمانی که عناصر به ترتیب افزایش عدد اتمی چیده شوند، موقعیت در جدول تناوبی و ویژگی‌های عناصر جدید و سایر عناصر را می‌توان به راحتی با دقت انجام داد. این مورد در جدول تناوبی مندلیف غیرممکن بود زیرا در جدول تناوبی مندلیف جرم اتمی هرگز به‌طور منظم افزایش نمی‌یابد.

توجیه موقعیت غیرعادی چند جفت عنصر

یکی از مهم‌ترین مشکلات جدول مندلیف چیست؟ ناهنجاری در مرتب‌سازی جفت عناصر نزدیک به هم. در جدول تناوبی مدرن، عناصری مانند کبالت (Co) و نیکل (Ni) و تلوریم (Te) و ید (I) با افزایش عدد اتمی به جای وزن اتمی مرتب شده‌اند. این امر ناهنجاری‌های موجود در جدول مندلیف را برطرف می‌کند، جایی که برخی از عناصر بر اساس ویژگی‌هایشان نامرتب به نظر می‌رسیدند. با استفاده از عدد اتمی، جدول مدرن عناصری با رفتارهای شیمیایی مشابه را با هم گروه‌بندی می‌کند و سیستم مندلیف را بهبود می‌بخشد که برای چیدمان صحیح جفت‌های خاصی از عناصر محدودیت‌هایی داشت.

موقعیت ایزوتوپ‌ها

ایزوتوپ‌های یک عنصر دارای جرم اتمی متفاوت اما عدد اتمی یکسان هستند. بنابراین، در جدول تناوبی مدرن، هیچ سردرگمی در موقعیت ایزوتوپ‌ها وجود ندارد زیرا همه‌‌ی ‌ایزوتوپ‌های یک عنصر به دلیل عدد اتمی مشابه در یک خانه قرار می‌گیرند. برای مثال C12، C13 و C14، هر سه ایزوتوپ کربن، دارای عدد اتمی مشابه یعنی ۱۲ هستند و در گروه ۱۴ و دوره‌ی اول قرار می‌گیرند.

محدودیت جدول تناوبی مدرن

هیدروژن هیچ موقعیت ثابتی در جدول تناوبی مدرن مشابه جدول مندلیف شیمی ندارد. تصور می‌شد که هیدروژن در دوره‌ی اول در گروه ۱ یا ۱۷ قرار می‌گیرد زیرا از نظر خصوصیات با هر دو گروه شباهت دارد.

• موقعیت ایزوتوپ‌ها: همه‌ی ایزوتوپ‌های یک عنصر دارای عدد اتمی مشابهی هستند. بنابراین، موقعیت یکسانی را در جدول تناوبی مدرن اشغال می‌کنند. از این رو، جدول تناوبی مدرن به ما کمک می‌کند تا موقعیت ایزوتوپ‌ها را تعیین کنیم.
• جفت‌های غیرعادی: وقتی از عدد اتمی به عنوان مبنای طبقه‌بندی استفاده می‌کنیم، ناهنجاری جفت‌ها از بین می‌رود. به عنوان مثال، کبالت (عدد اتمی ۲۷) قبل از نیکل (عدد اتمی ۲۸) قرار می‌گیرد، حتی اگر جرم اتمی آن کمی بیشتر از نیکل باشد.
• آرایش الکترونیکی: در جدول تناوبی مدرن، عناصری که دارای الگوی خاصی از پیکربندی الکترونیکی هستند در یک گروه قرار می‌گیرند. بنابراین، این طبقه‌بندی به خواص عناصر و همچنین به تنظیمات الکترونیکی آن‌ها مربوط می‌شود.
• جداسازی فلزات و غیرفلزات: جدول تناوبی مدرن به ما کمک می‌کند تا جایگاه فلزات، نافلزات و فلزات را مشخص کنیم.
• موقعیت فلزات واسطه: جدول تناوبی مدرن موقعیت عناصر واسطه را کاملاً روشن می‌کند.
• خصوصیات عناصر: بین روندها و تغییرات در خواص عناصر در جدول تناوبی تفاوت ایجاد می‌کند.

جدول تناوبی مدرن روشی ساده، سیستماتیک و آسان است که به یادآوری خواص فلزات مختلف کمک می‌کند. جدول تناوبی از آنجایی که برای ارائه اطلاعات زیادی در مورد عناصر و نحوه ارتباط آن‌ها با یکدیگر سازماندهی شده است، مهم است.

مندلیف، جدول تناوبی را ۱۵۰ سال پیش تولید کرد. او اولین کسی نبود که در آن زمان سعی کرد ترتیب عناصر شیمیایی را مشخص کند، اما با مقایسه جرم اتمی هر یک از عناصر، توانست نظم جدیدی پیدا کند.

قدرت رویکرد جدول تناوبی مندلیف در این واقعیت منعکس شده است که عناصر واقع در نزدیکی یکدیگر، دارای خواص شیمیایی مشترک هستند. این جدول برای اولین‌بار در یک مجله‌ی روسی‌زبان منتشر شد و حتی قادر به پیش‌بینی وجود عناصر جدید بود. یکی از جدیدترین نمونه‌های پر شده با استفاده از جدول، کشف تکنسیم (رادیواکتیو) در سال ۱۹۳۷ بود. مندلیف آن را eka-manganese نامید و آن را زیر منگنز در جدول قرار داد.

جدول مندلیف شیمی همچنان در حال رشد است. در سال ۲۰۱۶ چهار عنصر جدید (ناپایدار) اضافه شد. پس از آینده چه انتظاری می‌توانیم داشته باشیم؟ برخی از دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که فراتر از عناصر ناپایدار، عناصر جدیدی باثباتی وجود دارند که که ممکن است فرصت‌های جدیدی را ایجاد کنند. این عناصر ویژگی‌های جدیدی خواهند داشت که می‌توانیم از آن‌ها بهره ببریم، اگرچه هرگز به وفور در دسترس نخواهند بود.

در واقع، ما به عناصر جدید نیاز نداریم. ما به موادی با خواص جدید نیاز داریم. یکی از راه‌های تولید خواص جدید، مخلوط‌کردن دو یا چند عنصر است. در حالی که اکنون ۱۱۸ عنصر برای انتخاب وجود دارد، حدود ۸۰ عنصر غیر رادیواکتیو و به راحتی در دسترس هستند. مخلوط‌کردن فلزات (آلیاژسازی) معمولاً برای تولید خواص جدید و اغلب در صنعت فولاد استفاده می‌شود. ترکیبات بی‌پایان هستند زیرا می‌توان ترکیب و غلظت را تغییر داد؛ به عنوان مثال می‌توان استحکام فولادها را افزایش داد.

روش دیگر برای ایجاد خواص جدید، «نانوساختار» مواد است که به معنای تجزیه‌ی مواد به اندازه‌ی نانومتر است. این نه تنها ویژگی‌های جدیدی تولید می‌کند، بلکه می‌تواند برای تقلید از ویژگی‌های عنصر دیگر نیز استفاده شود. نانوساختار موضوع موردعلاقه‌ی بسیاری از دانشمندان در طول تاریخ بوده است. به عنوان مثال، آیزاک نیوتن بیشتر وقت خود را در کیمیاگری صرف کرد تا ماده‌ای با خواصی مانند طلا تولید کند.

ترکیب دو تکنیک آلیاژسازی و نانوساختار، مواد بهتر و ارزان‌تری تولید می‌کند و باعث پیشرفت فناوری می‌شود. اما چرا؟ مانند جدول تناوبی مندلیف، خواص را می‌توان با نگاه‌کردن به الکترون‌های مواد توضیح داد. الکترون‌ها خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و شیمیایی را به مواد می‌دهند. با آلیاژسازی، الکترون‌ها با هم مخلوط می‌شوند و بنابراین می‌توان خواص را نیز با هم مخلوط کرد.

کاری که نانوساختار انجام می‌دهد، افزودن اثرات کوانتومی به مخلوط است. در حالی که در فلزات در مقیاس بزرگ، الکترون‌ها می‌توانند آزادانه در مواد به دلیل حالت‌های انرژی آزاد حرکت کنند، الکترون‌ها در اتم‌های جداگانه به حالت‌های انرژی ثابت خود متصل هستند. با افزودن اتم‌های بیشتر، حالت‌های انرژی جدید معرفی می‌شوند و ویژگی‌های جدیدی ظاهر می‌شوند که در اتم‌ها یا مواد در اندازه‌ی بزرگ یافت نمی‌شوند.

بنابراین، دانشمندان اکنون درجات آزادی بیشتری نسبت به همیشه برای ساخت مواد جدید دارند و می‌توانند عناصر و اندازه‌ی مختلف ذرات را با هم مخلوط کنند تا مواد جدیدتر و بهتری بسازند که زندگی مدرن ما را ممکن می‌کند. در واقع، این میراث کار بزرگ مندلیف و آینده است.