تاریخچه جدول تناوبی عناصر و چگونگی تکمیل آن

پیش‌تر در «مجله فرادرس»، درباره نحوه شکل‌گیری جدول تناوبی و ویژگی‌های آن صحبت کردیم. در این مطلب قصد داریم تا به تاریخچه جدول تناوبی و نحوه شکل‌گیری و تکمیل آن بپردازیم. پس از آنکه مندلیف در سال 1869 «قانون تناوب» (Periodic Law) یا همان قانون دوره‌ای عنصرها را پیشنهاد داد، 63 عنصری را که تا آن زمان شناخته شده بودند، در قالب جدول تناوبی مرتب کرد. پس از کشف این قانون و ارائه جدول تناوبی، رقابت برای یافتن عناصر گمشده و پر کردن قطعات این جورچین میان دانشمندان آغاز شد. اما آیا می‌دانید خانه‌های خالی جدول چگونه پر شدند؟

تاریخچه جدول تناوبی و جادوی مندلیف

کشف یک عنصر جدید همواره حادثه‌ای مهم در علم شیمی و چه بسا دنیای علم بوده و اعتبار بالایی برای کاشفان آن به ارمغان آورده است. پیش از جدول تناوبی، تعداد عناصر باقی‌مانده یا خصوصیات احتمالی آن‌ها چیزی جز حدس و گمان نبود؛ اما جدول مندلیف جادویی بود که در کنار کشفی دیگر (که جلوتر به آن خواهیم پرداخت)، باعث شد محدودیت‌های سفت‌وسختی برای جستجوی عناصر جدید بنیان گذاشته شوند؛ هرچند کماکان فضا را برای بحث و جدل به اندازه کافی باز گذاشته بود.

در بررسی تاریخچه جدول تناوبی باید ذکر کنیم که این جدول دست‌کم توسط شش دانشمند از کشورهای مختلف و به طور مستقل فرمول‌بندی شد که البته مندلیف مشهورترین آن‌ها بود. نظام شگفت‌انگیز دسته‌بندی عناصر مندلیف نظم و ترتیب را برای دنیای شیمی به ارمغان آورد و در قالب ساختاری منسجم، عناصر را در خانواده‌هایی از گروه‌های با مشخصات مشابه قرار داد.

علاوه بر این، مندلیف شجاعت کافی داشت تا وجود و حتی مشخصات چندین عنصر جدید را پیش‌بینی کند که می‌توانستند خانه‌های خالی جدول تناوبی او را پر کنند. سه پیش‌بینی برتر مندلیف مربوط به عناصری بود که او آن‌ها را «اِکا-بور»، «اِکا-آلومینیم» و «اِکا-سیلیس» نامید. هر سه عنصر طی 15 سال بعد کشف شدند و مشخص شد خصوصیاتی تقریباً عین مشخصات پیش‌بینی شده مندلیف دارند؛ عناصری که به ترتیب اسکاندیُم، گالیُم و ژرمانیُم نام گرفتند.

مشکل وزن

تاریخچه جدول تناوبی و شکل‌گیری آن در ابتدا با مشکل وزن مواجه بود. خانه‌های خالی جدول مندلیف نشانه واضحی بود که نشان می‌داد برخی عناصر گم شده‌اند. این شکاف‌ها به معنای آن بود که عناصر مشخصی هنوز آن بیرون منتظر ما هستند تا کشفشان کنیم و افتخار علمی چشم به راه کسانی است که بتوانند آن‌ها را جداسازی کنند؛ اما همه چیز به این سادگی نبود؛ خصوصاً وقتی سروکار دانشمندان با عناصر سنگین‌تر می‌افتاد.

مشکل اینجا بود که جدول تناوبی در ابتدا عناصر را بر اساس افزایش وزن اتمی آن‌ها مرتب کرده بود. وزن اتمی نخستین بار توسط دانشمند انگلیسی، جان دالتون معرفی شد که نخستین کسی بود که بر اساس قانون نسبت‌های معلوم، اقدام به اندازه‌گیری جرم نسبی عناصر کرد.

اما وزن اتمی عناصر پشت سرهم در جدول تناوبی از یک اختلاف ثابت پیروی نمی‌کردند. برای مثال، وزن اتمی هیدروژن ۱/008 است؛ وزن اتمی عنصر بعدی، هلیُم ۴/003 و وزن عنصر بعدی، لیتیُم ۶/94 است. در بخش‌های دیگر جدول تناوبی این اختلاف کمتر بود. برای مثال، عناصر لانتان، سریم و پرازئودیمیُم به ترتیب وزن اتمی ۱۳۸/91، ۱۴۰/12 و ۱۴۰/91 دارند. حتی در بعضی موارد با «جفت‌های عفریته» (Monster Cases) روبه‌رو می‌شدیم که جایگاه دو عنصر بر اساس وزن اتمی‌شان اشتباه بود و خانه‌های آن‌ها در جدول در حقیقت برعکس بود. برای مثال، عنصر ید وزن اتمی کمتری از تلوریُم داشت؛ با وجود این و بر اساس مشخصات فیزیکی و شیمیایی باید بعد از تلوریم در جدول ظاهر می‌شد.

در نتیجه چنین بی‌نظمی‌هایی مشخص نبود آیا عنصر دیگری بین عناصر شناخته شده (مثلاً بین هیدروژن و هلیُم) وجود دارد یا خیر. در حقیقت بعضی شیمیدانان و فیزیکدانان عقیده داشتند عناصر مسلمی گم شده‌اند و به آن‌ها نام‌هایی چون نپتونیُم و نبیولیُم داده بودند. هر چند بعدها معلوم شد این باور اشتباه است.

جادوی موزلی

همانطور که دیدیم، در بررسی تاریخچه جدول تناوبی و عناصر گم‌شده در جدول، دانشمندان به مشکلی برخوردند. این مشکل ما را به دومین کشف جادویی رساند که بخش عمده مشکلات اصلی موجود بر سر راه شناسایی عناصر گمشده را حل کرد. «هنری موزلی» (Henry Moseley) در سال 1913 کشف کرد ابزار بهتری نسبت به وزن اتمی برای مرتب‌سازی عناصر وجود دارد. این ابزار مجموعه «اعداد ترتیبی» (Ordinal Number) بود که از آزمایش‌های او روی طیف پرتو ایکس عناصر به دست می‌آید؛ مجموعه‌ای که از عدد 1 برای هیدروژن شروع می‌شد و تا عدد 92 برای اورانیم ادامه پیدا می‌کرد.

موزلی کشف کرد زمانی که پرتوهای ایکس به هدفی فلزی برخورد می‌کند، فلزات پرتوهای ثانویه‌ای منتشر می‌کنند که ویژگی مشخصه‌ای از فلز، هدف قرار گرفته است. او توانست رابطه ساده‌ای بین ریشه دوم بسامد پرتوهای بازتابی و اعداد ترتیبی به دست آورد که نماینده هر فلز بود.

نموداری که موزلی به دست آورد نشان می‌داد بر اساس بسامد پرتو ایکس، فلز کبالت پیش از نیکل قرار می‌گیرد. این مسئله با نظم شیمیایی عناصر همخوانی داشت و تأیید می‌کرد اعداد ترتیبی موزلی که خیلی زود عدد اتمی نام گرفت، ابزار بهتری نسبت به وزن اتمی برای نظم‌دهی و مرتب‌سازی عناصر است. بر خلاف فواصل غیرمنظم بین وزن اتمی عناصر پشت سرهم، ذات پیوسته اعداد اتمی جایی برای هیچ ابهامی باقی نمی‌گذاشت.

نخستین امتیاز

در بررسی تاریخچه جدول تناوبی و تا پیش از کشف موزلی، شیمیدانان موفق شده بودند بر اساس ابزارهای در اختیار خود از جمله جدول تناوبی، 22 عنصر دیگر را کشف کنند و تعداد عناصر جدول به 85 عنصر افزایش یافته بود؛ اما با این کشف، شکار عناصر گمشده جدی‌تر شد و مشخص شد دقیقاً هفت عنصر باقی مانده‌اند که باید در محدوده اولیه جدول تناوبی، یعنی بازهٔ بین عناصر 1 تا 92 شناسایی شوند. این حقیقت که جستجوی عناصر تنها به این تعداد اندک محدود می‌شود، بر رقابت و کشمکش و اختلاف پیرامون کشف آن‌ها تأثیر چندانی نگذاشت. عددهای اتمی این عناصر گمشده 43، 61، 72، 75، 85، 87 و 91 بود.

فیلم آموزش شیمی ۲ – پایه یازدهم | رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک در فرادرس

کلیک کنید

نخستین عنصری که در تاریخچه جدول تناوبی شکار شد در واقع سنگین‌ترین آن‌ها بود: عنصر 91. دو گروه مختلف ادعای کشف آن را داشتند، ولی سرانجام این افتخار در سال 1917 به «اوتو هان» (Otto Hahn) و «لیسه مایتنر» (Lise Meitner) داده شد؛ محققانی که با کشف «شکافت هسته‌ای» در سال 1938 به شهرتی به‌مراتب بزرگ‌تر رسیدند. با توجه به همسایگی با اورانیم در جدول تناوبی، جای شگفتی نیست که عنصر 91 هم عنصری پرتوزا است.

کشف این عنصر ماجرایی طولانی داشت که بیش از حد معمول طول کشید و نیازمند دست‌کاری دقیق نمونه‌ها بود. در حالی ‌که هان درگیر جنگیدن در جنگ جهانی اول بود، بخش عمدهٔ کار توسط مایتنر انجام شد. در ابتدا عنصر جدید «پروتو-اکتینیم» نام‌گذاری شد؛ به معنای عنصری که از اکتینیُم (عنصر 89 جدول) و طی واپاشی پرتوزا شکل می‌گیرد. البته خیلی زود نام این عنصر به واژه قابل تلفظ‌تر «پروتاکتینیُم» تغییر کرد.

گروه دیگری که مدعی کشف این عنصر بودند، رادیوشیمیدان لهستانی «کاسیمیر فایانس» (Kasimir Fajans) و شاگردش «اسوالد گورینگ» (Oswald Gohring) آلمانی بودند که در سال 1913، ایزوتوپ کوتاه‌عمری از این عنصر را کشف کرده بود که به خاطر نیمه‌عمر کوتاه 7/6 ساعته‌اش، نام «بره‌ویُم» (Brevium) را رویش گذاشته بودند.

زمانی که فایانس شنید مایتنر و هان ایزوتوپ دیگری از این عنصر را با نیمه‌عمر 32,500 سال کشف کرده‌اند، به خاطر حفظ اعتبار علمی‌اش خیلی سریع از ادعای خود چشم‌پوشی کرد. این مسئله به این دلیل قانونی بود که اظهار می‌داشت افتخار کشف یک عنصر باید به کسانی داده شود که ایزوتوپ با بیش‌ترین عمر آن را کشف کرده‌اند. بسیار واضح بود که در این مورد جای هیچ بحثی وجود ندارد.

کشمکش‌های بین‌ المللی

در بررسی تاریخچه جدول تناوبی باید به کشمکش‌های بین‌المللی هم اشاره کرد. همراه دومین عنصر از خانواده هفت عنصر گمشده، عنصر شماره 72 بود که از سوی کاشفانش، «گئورگ فن‌هیوسی» (Georg von Hevesy) مجارستانی و «دیرک کاستر» (Dirk Coster) هلندی «هافنیُم» نام‌گذاری شد. نام این عنصر از نام قدیم شهر کپنهاگ دانمارک در زبان لاتین گرفته شده بود؛ جایی که این دو محقق موفق شدند حین کار در موسسه نیلز بور، برای نخستین بار این عنصر را در سال 1923 جداسازی کنند.

با وجود این، شیرینی این کشف چندان دوام نیاورد و خیلی زود از سوی دیگر محققان ادعاهایی در خصوص آن مطرح شد. سرسخت‌ترین مدعی، شیمیدان فرانسوی «ژرژ اوربین» (Georges Urbain) بود که عقیده داشت این عنصر را در سال 1911 کشف کرده است. در حقیقت، پس از آگاهی از روش جدید موزلی، اوربین به انگلستان سفر کرد و چیزی را که به گمان خودش نمونه‌ای از عنصر 72 بود، به آزمایشگاه موزلی برد.

اما تنها چند ساعت طول کشید تا موزلی برای شیمیدان فرانسوی مشخص کند هیچ عنصر جدیدی در نمونهٔ او وجود ندارد. اگرچه موزلی در ابتدا توانست اوربین را قانع کند، اما شیمیدان فرانسوی هرگز از ادعایش دست برنداشت و 12 سال بعد که اطلاعیه کشف فن‌هیوسی و کاستار منتشر شد، مجدداً ادعایش را مطرح کرد. خیلی زود ماجرا جنبه بین‌المللی پیدا کرد و به مسئله‌ای حیثیتی در ابعاد ملی تبدیل شد که طی آن، مطبوعات فرانسوی و انگلیسی در مقابل چیزی که آن‌ها «طرف آلمانی» ماجرا می‌دانستند، طرف اوربین را گرفتند.

با بررسی تاریخچه جدول تناوبی و جنگ جهانی به این نتیجه می‌رسیم که مدت چندانی از جنگ جهانی اول نمی‌گذشت و رابطه بین دانشمندان دو طرف متخاصم هنوز سخت و پیچیده بود. کنایه‌آمیز این است که دانمارک در طول جنگ اعلام بی‌طرفی کرده بود و همچنین هیچ کدام از دو کاشف این عنصر آلمانی نبودند.

عنصر 43 یا 75؟

ادعای کشف سومین عنصر گمشده نخستین بار در سال 1908 و توسط شیمیدان ژاپنی، «ماساتاکا اوگاوا» (Masataka Ogawa) انجام شد که مشغول کار در کالج دانشگاهی لندن بود. او مدعی شد عنصر 43 جدول تناوبی را کشف کرده است و استاد راهنمایش، «ویلیام رمزی» که تعدادی از عناصر گاز نجیب را کشف کرده بود، اظهار داشت شاید آن‌ها نام این عنصر را «نیپونیُم» (با الهام از نام سنتی کشور ژاپن) بگذارند.

با وجود این، نه اوگاوا و نه هیچ کس دیگری نتوانستند دوباره عنصر ادعایی را تولید کنند. بررسی‌های اخیر انجام شده توسط شیمیدان ژاپنی دیگری به نام «کنجی یوشی‌هارا» (Kenji Yoshihara) نشان داده است اوگاوا در اصل عنصر 75 جدول تناوبی را کشف کرده بود؛ اما افتخار کشف این عنصر که امروزه «رِنیُم» نامیده می‌شود، به گروه زن و شوهر آلمانی «آیدا و والتر نوداک» (Ida & Walter Noddack) تعلق دارد که این شاهکار را هنگام کار در آلمان در سال 1925 انجام دادند.

نخستین عنصر مصنوعی عالم

شاید در بررسی تاریخچه جدول تناوبی عناصر، بحث‌انگیزترین عضو عناصر گمشده هفتگانه‌ای که کشف شدند، عنصر چهارم باشد. ادعای کشف این عنصر که امروز «تکنسیُم» نامیده می‌شود هم نخستین بار توسط نوداک‌ها انجام شد که نام «ماسوریم» را روی آن گذاشته بودند.

اما هیچ‌کس نمی‌توانست نتایج آنان را تکرار کند. افتخار کشف رسمی این عنصر به دو دانشمند ایتالیایی، «امیلیو سگر» (Emilio Segre) و «کارلو پریر» (Carlo Perrier) داده شد که به ترتیب فیزیکدان و شیمیدان بودند. آن‌ها در سال 1937 موفق شدند با بمباران تکه‌ای فلز مولیبدن با نوترون‌های کند در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، عنصر 43 جدول تناوبی را «بسازند». این نخستین باری بود که یک عنصر به شکل مصنوعی تولید می‌شد. تکنسیم سبک‌ترین عنصر شیمیایی است که در طبیعت، ایزوتوپ پایدار ندارد.

عنصر پنجم نیز بحث و جدل‌های زیادی با خود همراه داشت. برای مثال، استاد شیمی دانشگاه آلاباما به نام «فرد آلیسون» در سال 1930 ادعا کرد روش تازه‌ای برای اندازه‌گیری چیزی ابداع کرده که خودش آن را اثر «مغنا-اپتیکی» (Magneto-Optical effect) می‌نامید و این موضوع نه تنها او را به کشف عنصر 87 رهنمون ساخته، بلکه عنصر 85 را هم کشف کرده است.

پیش از آنکه ادعای وی رد شود، چندین مقاله در مجلات معتبر و پیشرو آن زمان به چاپ رسیدند. عنصر 87 واقعی سال 1939 و توسط بانوی رادیوشیمیدان فرانسوی «مارگریت پری» (Marguerite Perey) کشف شد. او یکی از دستیاران ماری کوری در فرانسه بود؛ جایی که در کار با ایزوتوپ‌های پرتوزا استاد شد. پری عنصر تازه کشف شده را به افتخار سرزمین مادری‌اش «فرانسیم» نامید.

آخرین قطعات جورچین در تاریخچه جدول تناوبی

امیلیو سگر وقتی تکنسیم را به عنوان چهارمین عنصر گمشده کشف کرد، ساکن ایتالیا بود؛ اما پس از اسباب‌کشی به دانشگاه برکلی موفق شد عنصر ششم را هم آنجا کشف کند. در آنجا او با «دیل کورسون» (Dale Corson) و «کنت مک‌کنزی» (Kenneth MacKenzie) همکار شد و در سال 1940 از راه بمباران نمونه‌ای از بیسموت-209 با ذرات آلفا موفق به تولید استاتین-211 شدند.

نام «استاتین» برای عنصر 85 از واژهٔ یونانی «استاتوس» (ἄστατος/astatos) به معنای «ناپایدار» گرفته شده بود؛ پایدارترین ایزوتوپ استاتین نیمه‌عمری تنها به اندازه 8 ساعت دارد. در این مورد هم همچون گذشته پیش از آنکه کشف سگر، کورسون و مک‌کنزی به شکل رسمی پذیرفته شود، دوباره مجموعه‌ای از ادعاها و مقابله‌ها با آن انجام شد.

آخرین کشف «قصه هفت عنصر» نیز مسیری پر پیچ‌وخم داشت. نخست گروهی ایتالیایی شامل «لوئیجی رولا» (Luigi Rolla) و «لورنزو فرناندز» (Lorenzo Fernandez) مدعی شدند خطوط پرتو ایکس را در بسامدهای مورد انتظار عنصر 61 کشف کرده‌اند. سپس چندین گروه آمریکایی به شکل مستقل ادعاهایی دربارهٔ این عنصر ارائه کردند. «چارلز جیمز» (Charles James) و همکارانش عقیده داشتند خطوط پرتو ایکس این عنصر را ثبت کرده‌اند، همان‌طور که «اسمیت هاپکینز» (Smith Hopkins) از دانشگاه ایلینوی چنین ادعایی داشت.

اما هیچ کدام از آن‌ها نتوانستند از آزمون زمان سربلند بیرون آیند: میزان کافی عنصر 61 به شکل طبیعی وجود نداشت که چنین ادعاهایی را باورپذیر کند. همانند تکنسیم و استاتین، عنصر 61 که امروزه «پرومتیُم» نامیده می‌شود باید به شکل مصنوعی تولید می‌شد. این وظیفه‌ای بود که در سال 1945 توسط «جیکوب مارینسکی» (Jacob Marinsky) و «لورنس گلندنین» (Lawrence Glendenin) با پرتوافکنی اورانیم در راکتوری گرافیتی انجام شد.

شاید عجیب باشد، اما حتی پیش از آنکه تمام این هفت عنصر گمشده کشف شوند؛ عنصری فراتر از اورانیم که آخرین عنصر جدول تناوبی اولیه پنداشته می‌شد، کشف شده بود: «نپتونیم». از آن زمان تا کنون، 26 عنصر جدید به شکل ساختگی در آزمایشگاه تولید شده‌اند و جدول تناوبی را تا مرز عدد 118 گسترش داده‌اند؛ اما آن داستان دیگری است.