شیمی , علوم پایه 9060 بازدید

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) 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.

لازم به ذکر است که «فایل PDF جدول تناوبی عناصر» (تقلب‌نامه جدول تناوبی عناصر) را نیز می‌توانید به طور جداگانه دانلود و مطالعه کنید. این تقلب‌نامه شامل اطلاعات در خصوص روندهای تناوبی همچون الکترونگاتیوی،‌ شعاع اتمی، جرم اتمی، انرژی یونش و الکترون‌خواهی است.

در اوایل قرن نوزدهم، «شیمی تحلیلی» (Analytical Chemistry)، 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.

اولین طبقه‌‌بندی‌های عناصر

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.

 جدول تناوبی-دوبراینر
یوهان ولفگانگ دوبراینر

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.

جدول-تناوبی-شانکورتوس
استوانه شانکورتوس

طبقه بندی عناصر

در سال 1864، نولاندز (J.A.R. Newlands) طبقه‌بندی بر اساس افزایش عدد اتمی ارائه داد. به هر عنصر عددی نسبت داده شد و این عناصر به هفت گروه تقسیم شدند. این هفت گروه، خواصی مشابه هفت سرگروه خود یعنی هیدروژن، لیتیوم، برلیوم،‌ بور، کربن، نیتروژن و اکسیژن داشتند. این رابطه به قانون اکتاو موسوم بود. اکتاو از تشابه اسمی فواصل هفت‌گانه در گام‌های موسیقی گرفته شده 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.

مدلیف
دمیتری مندلیف

اولین جدول تناوبی

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.

جدول مندلیف در موزه پلی‌تکنیک مسکو

کشف گازهای نجیب و بهبود جدول تناوبی

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.

جدول-تناوبی-مندلیف

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.

جدول-تناوبی-تامسون
جدول ارائه شده توسط تامسون (برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگ روی آن کلیک کنید.)

شکل‌های دیگری از جدول تناوبی

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.

آلفرد-ورنر
آلفرد ورنر

کشف عناصر جدید

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.

هافنیوم-در-جدول-تناوبی

اهمیت اعداد اتمی

با وجود اصلاحاتی که در اندازه‌گیری جرم اتمی عناصر انجام شد،‌ برخی عناصر جدول مندلیف و میر، باید چینشی بر اساس مفهومی به غیر از جرم اتمی می‌داشتند. برای مثال در گروه‌های دوتایی آرگون-پتاسیم،‌ کبالت-نیکل و تلوریوم-ید، عنصر اول، جرم اتمی بیشتری دارد اما قبل از عنصر دوم قرار داده شده است. راه حل این مشکل، بعد از فهم بهتر ساختار اتم ممکن شد.

رادرفورد و بار الکتریکی اتم

در سال 1910، ارنست رادرفورد آزمایشی روی خاصیت پخشی ذرات آلفا توسط هسته اتم‌های سنگین انجام داد که به کشف بار الکتریکی هسته منجر شد. نسبت بار هسته به بار الکترون در حدود نصف جرم اتمی ذکر شد. در سال 1911 فن‌در‌بروک (A.van den Broek)، پیشنهاد داد که این عدد اتمی به عنوان ترتیب عناصر در جدول استفاده شوند (همانند مدل نولاندز).

این پیشنهاد در سال 1913 زمانی که موزلی مشغول اندازه‌گیری طول موج «طیف خطی اشعه ایکس» (characteristic X-ray spectral lines) بسیاری از عناصر بود، اثبات شد. این اندازه‌گیری نشان داد که طول موج،‌ به خوبی به اعداد اتمی متناظر با عناصر در جدول وابسته است. بنابراین دیگر هیچ شکی در نوع ترتیب عناصر در جدول تناوبی وجود نداشت.

موزلی-شیمیدان
هنری موزلی

معرفی ایزوتوپ‌ها

عدم وابستگی محل عناصر در جدول به عدد جرمی، با معرفی ایزوتوپ‌ها بیان شد. ایزوتوپ‌ها اتم‌هایی با عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت هستند. خواص شیمیایی ایزوتوپ‌های یک عنصر تقریبا با هم برابر است. محل قرارگیری تمامی این ایزوتوپ‌ها در جدول، فارغ از عدد جرمی آن‌هاست.

بیان بهتر قانون تناوب

ساختار الکترونی اتم و تئوری کوانتوم که در سال 1913 توسط بور آغاز شده بود، در فهم دقیق تناوب نقش اساسی داشت. گام‌های مثبتی توسط معادلات قدیمی تئوری کوانتوم توسط دانشمندان برداشته شد. اصل طرد پاولی در سال 1925 و توسعه مکانیک کوانتوم توسط هایزنبرگ و شرودینگر در همان سال از آن دسته است. توسعه تئوری والانس با تکیه بر مفهوم الکترون اشتراکی لوییس در سال 1916 هم نقش بسیاری را در توسعه قانون تناوب داشت.

جدول تناوبی

جدول تناوبی، تمامی عناصر کشف شده را شامل می‌شود. این جدول در هفت دوره تناوب افقی، با ترتیبِ عدد اتمی، چیده شده است و لانتانیدها و اکتیندها به صورت جداگانه در زیر تناوب‌ها که طول متفاوت دارند آورده شده‌اند.

در تناوب اول، هیدروژن و هلیوم قرار دارند. سپس دو دوره تناوب با هشت عنصر در آن وجود دارند. این تناوب‌ها به ترتیب شامل عناصری از لیتیوم تا نئون برای تناوب دوم و از سدیم تا آرگون برای تناوب سوم است. پس از این دو تناوب، دو دوره دیگر با 18 عنصر قرار دارند. تناوب چهارم از پتاسیم تا کریپتون و تناوب پنجم از روبیدیوم تا زنون است. اولین تناوب بلند با تعداد 32 عنصر از سزیم تا رادون با حذف لانتانیدها نمایش داده می‌شود. لانتانیدها به صورت جداگانه در پایین جدول نمایش داده ‌می‌شوند. این کار سبب می‌شود تا 18 عنصر دیگر با خواص مشابه در کنار یکدیگر قرار بگیرند. دومین تناوب بلند شامل فرانسیم تا اوگانسون است. به طور مشابه از این گروه هم اکتینیدها حذف شده است.

جدول-تناوبی

طبقه‌بندی عناصر در گروه‌ها

شش گاز نجیب شامل هلیوم، نئون، آرگون، کریپتون، زنون و رادون که در انتهای هر دوره تناوب قرار دارند، گروه 18 جدول تناوبی را تشکیل می‌دهند. بهتر است عنصرها را به صورت افقی و عمودی دسته‌بندی کنیم. به صورت افقی با نام تناوب و عمودی به صورت گروهی دسته‌بندی می‌کنیم. در این جدول به طور مثال هفت عنصر از لیتیوم تا فلوئور در یک تناوب قرار می‌گیرند. این تناوب شامل هفت گروه از (la) تا 17 (Vlla) است. اما گروه‌ها را به صورت عمودی در نظر می‌گیریم. در گروه اول، فلزات قلیایی از لیتیوم تا فرانسیم وجود دارند. در گروه دوم، فلزات قلیایی خاکی از برلیم تا رادیم وجود دارند. به همین ترتیب گروه 13 گروه بور، گروه 14 کربن، گروه 15 نیتروژن، گروه 16 اکسیژن و گروه 17 هالوژن نام‌گذاری می‌شوند.

جدول-تناوبی
گروه‌ها در جدول تناوبی

هیدروژن در گروه 1 قرار دارد اما خواص آن شبیه فلزات قلیایی یا هالوژن‌ها نیست. دوره‌های تناوب طولانی با نام فلزات واسطه نام‌گذاری می‌شوند. به عنوان مثال از اسکاندیم تا روی را می‌توان در نظر گرفت. طبق تعریف،‌ فلزات واسطه، از گروه 3 تا گروه 12 را شامل می‌شوند.

روندهای تناوبی در جدول

در هر گروه از بالا به پایین، عدد اتمی عنصرها افزایش پیدا می‌کند. الکترونگاتیوی در هر گروه از بالا به پایین کاهش (به جز گروه 1۱) پیدا می‌کند. در هر تناوب از چپ به راست، شعاع اتم افزایش پیدا می‌کند. این افزایش شعاع سبب افزایش انرژی یونش و الکترونگاتیوی از چپ به راست در هر تناوب می‌شود.

بلوک‌ها

جدول تناوبی را می‌توان به بلوک‌های مختلف تقسیم کرد. هر بلوک را می‌توان بر اساس اوربیتال فرعی الکترون لایه آخر نام‌گذاری کرد. بلوک s شامل دو گروه اول به همراه هیدروژن و هلیوم است. گروه‌های 13 تا 18 (شامل شبه فلزات) را بلوک p نام‌گذاری می‌کنیم. بلوک d شامل گروه‌های 3 تا 12 (فلزات واسطه) است. گروه f نیز شامل لانتانیدها و اکتینیدها است.

بلوک-جدول-تناوبی
بلوک‌ها در جدول تناوبی

در پایان، خلاصه آنچه که در خصوص روندهای تناوبی عناصر در جدول توضیح داده شد، در شکل زیر آورده شده است:

روند-جدول-تناوبی

در صورتیکه نوشته بالا برای شما مفید بوده است،‌ آموزش‌های زیر به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

telegram
twitter

سهیل بحر کاظمی

«سهیل بحرکاظمی» فارغ‌التحصیل رشته مهندسی نفت، گرایش مهندسی مخازن هیدروکربوری از دانشگاه علوم و تحقیقات تهران است. به عکاسی و شیمی آلی علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون شیمی به تولید محتوا می‌پردازد.

بر اساس رای 2 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

7 نظر در “جدول تناوبی — از صفر تا صد

  1. سلام ba دارای عدد اتمی ۵۶ است با توجه به این که این اتم در لایه ی اخر خود ۲۸ الکترون دارد چرا در ستون دوم و ردیف ۶ نوشته شده است؟
    لطفا پاسخ دهید

    1. آرایش الکترونی باریم به صورت زیر خواهد بود:
      $$۱ s ^ { 2 } 2 s ^ { 2 } 2 p ^ { 6 } 3 s ^ { 2 } 3 p ^ { 6 } 3 d ^ { 10 } 4 s ^ { 2 } 4 p ^ { 6 } 4 d ^ { 10 } 5 s ^ { 2 } 5 p ^ { 6 } 6 s ^ { 2 }$$
      این عنصر در لایه ظرفیت خود ۲ الکترون دارد که با از دست دادن (به اشتراک گذاشتن) آن‌ها به آرایش پایدار گاز نجیب قبل از خود می‌رسد و با توجه به عدد اتمی،‌ آرایش الکترونی و خواص فیزیکی و شیمیایی، در این گروه از جدول تناوبی قرار داده شده است.

    1. از توجه شما سپاسگزاریم.
      در میان عناصر گروه چهارده،‌ تنها کربن و سیلیکون الکترون‌های خود را به صورت پیوندهای کووالانسی به اشتراک می‌گذارند. سرب و قلع هر دو فلز هستند و به دلیل فاصله الکترون‌های لایه آخر با هسته الکترون از دست می‌دهند و ترکیبات کاتیونی با بار $$+۴$$ تشکیل می‌دهند.

    1. از توجه شما سپاسگزاریم.

      خواص فیزیکی از جمله خواص قابل اندازه‌گیری هستند که این خواص را از روش‌های مختلفی همچون اسپکتروسکوپی (طیف‌سنجی) جرمی،‌ پراش اشعه ایکس و … اندازه‌گیری می‌کنند. همچنین با توجه به نوع آرایش الکترونی و قرارگیری آن‌ها در جدول تناوبی، تا حدی می‌توان به خواص فیزیکی آن‌ها پی برد اما هیچ راه ساده و بدون آزمایشی وجود ندارد تا بتوان بر اساس آن برای خواص فیزیکی یا شیمیایی دو عنصر نظر قطعی داد.

      با تشکر

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *