عام

كيفية إنشاء جدول دوري للعناصر من مندليف

كل مجال من العلوم له الذكرى المفضلة. بالنسبة للفيزيائيين ، هذا هو مبادئ نيوتن ، وهو كتاب من عام 1687 ، والذي قدم قوانين الحركة والجاذبية. يحتفل علماء الأحياء بالأصل الدارويني للأنواع (1859) وعيد ميلاده (1809). يحتفل علماء الفلك بالعام 1543 ، لأنه بعد ذلك وضع كوبرنيكوس الشمس في مركز النظام الشمسي. بالنسبة للكيمياء ، لا يوجد سبب واحد للاحتفال يتجاوز ظهور الجدول الدوري للعناصر التي أنشأها الكيميائي الروسي ديمتري إيفانوفيتش منديليف قبل 150 عامًا في شهر مارس.

أصبح الجدول الدوري نفسه لالطلاب الكيميائية مثل الآلات الحاسبة للمحاسبين. أنه يحتوي على جميع العلوم في ما يزيد قليلا عن مائة مربعات تحتوي على الرموز والأرقام. تسرد العناصر التي تتكون منها جميع المواد الأرضية ، مجمعة بطريقة تمكن من تحديد الأنماط في خواصها ، لتحديد الغرض من البحث الكيميائي ، من الناحية النظرية والعملية.

الجدول الدوري هو بلا شك أهم مفهوم في الكيمياء.

بدا الجدول الدوري وكأنه خاصالجدول ، لكنه أراد هو نفسه أن يعكس الحقيقة العلمية العميقة التي اكتشفها: القانون الدوري. كشف قانونه عن وجود علاقات أسرية عميقة بين العناصر الكيميائية المعروفة - تظهر خصائص مماثلة على فترات منتظمة (أو فترات) ، إذا تم ترتيبها بترتيب الوزن الذري - وسمح لمينديليف بالتنبؤ بوجود عناصر لم يتم اكتشافها بعد.

"قبل صدور هذا القانون ، الكيميائيةكانت العناصر مجرد مجزأة ، حقائق عشوائية في الطبيعة ، "صرح منديليف. "للمرة الأولى ، سمح لنا قانون الدورية برؤية عناصر غير مكتشفة على مسافة كان يتعذر الوصول إليها في السابق للرؤية الكيميائية".

الجدول الدوري ليس فقط توقعوجود عناصر جديدة. وأكدت بعد ذلك الاعتقاد المثير للجدل في حقيقة الذرات. لقد ألمحت إلى وجود بنية تحت الذرية وتنبأت بالجهاز الرياضي الذي يقوم عليه القواعد التي تحكم المادة ، والتي تجلت في النهاية في نظرية الكم. أكملت طاولته تحول العلم الكيميائي من التصوف السحري في القرون الوسطى للكيمياء إلى حقل من الصرامة العلمية الحديثة. لا يرمز الجدول الدوري إلى مكونات المادة بقدر الاتساق المنطقي والعقلانية الأساسية للعلم ككل.

كيف تم إنشاء الجدول الدوري

تقول الأسطورة أن منديليف تصورها وخلقهاالجدول الخاص في يوم واحد: 17 فبراير 1869 ، وفقا للتقويم الروسي (بالنسبة لمعظم العالم ، وهذا هو 1 مارس). ولكن هذا هو على الأرجح مبالغة. فكر منديليف في تجميع العناصر على مر السنين ، ونظر الكيميائيون الآخرون عدة مرات في مفهوم الروابط بين العناصر في العقود السابقة.

في الواقع ، عالم الفيزياء الألماني يوهان فولفغانغلاحظ Dobereiner ميزات تجميع العناصر في عام 1817. في تلك الأيام ، لم يفهم الكيميائيون تمامًا طبيعة الذرات ، كما وصفتها نظرية جون دالتون الذرية عام 1808. في "نظامه الجديد للفلسفة الكيميائية" ، شرح دالتون التفاعلات الكيميائية ، مما يشير إلى أن كل مادة عنصرية تتكون من ذرة من نوع معين.

اقترح دالتون أن التفاعلات الكيميائيةإنتاج مواد جديدة عندما يتم فصل الذرات أو ضمها. كان يعتقد أن أي عنصر يتكون فقط من نوع واحد من الذرة ، والذي يختلف عن العناصر الأخرى في الوزن. ذرات الأكسجين تزن ثمانية أضعاف ذرات الهيدروجين. يعتقد دالتون أن ذرات الكربون أثقل ست مرات من الهيدروجين. عندما يتم دمج العناصر لإنشاء مواد جديدة ، يمكن حساب كمية المواد المتفاعلة مع مراعاة هذه الأوزان الذرية.

دالتون كان مخطئا في بعض الجماهير - الأكسجينفي الواقع ، أثقل 16 مرة من الهيدروجين ، والكربون 12 مرة أثقل من الهيدروجين. لكن نظريته جعلت فكرة الذرات مفيدة ، مما ألهم ثورة في الكيمياء. أصبح القياس الدقيق للكتلة الذرية مشكلة كبيرة للكيميائيين على مدار العقود القادمة.

التفكير في هذه المقاييس ، لاحظ Dobereiner ذلكمجموعات معيّنة من ثلاثة عناصر (دعاهم ثالوثات) تظهر علاقة مثيرة. يحتوي البروم ، على سبيل المثال ، على كتلة ذرية في مكان ما بين كتل الكلور واليود ، وقد أظهرت هذه العناصر الثلاثة سلوكًا كيميائيًا مشابهًا. وكان الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم أيضا ثالوث.

لاحظ الكيميائيون الآخرون الصلات بين الذراتالكتل والخواص الكيميائية ، ولكن في الستينيات من القرن التاسع عشر فقط أصبحت الكتل الذرية مفهومة جيدًا وقياسها لتطوير فهم أعمق. لاحظ الكيميائي الإنجليزي جون نيولاندز أن ترتيب العناصر المعروفة من أجل زيادة الكتلة الذرية أدى إلى تكرار الخواص الكيميائية لكل عنصر ثامن. ودعا هذا النموذج "قانون اوكتاف" في المادة 1865. لكن نموذج نيولاندز لم يحافظ على صحته بعد أول أوكتين ، مما جعل النقاد يشيرون إلى أنه يرتب العناصر حسب الترتيب الأبجدي. وكما أدرك منديليف سرعان ما ، فإن العلاقة بين خواص العناصر والكتل الذرية كانت أكثر تعقيدًا.

تنظيم العناصر

ولد منديليف في توبولسك ، في سيبيريا ، في عام 1834كان الطفل السابع عشر لوالديه. عاش حياة نابضة بالحياة ، والسعي وراء المصالح المختلفة والسفر على طول الطريق إلى الناس البارزين. أثناء تلقيه التعليم العالي في المعهد البيداغوجي في سان بطرسبرغ ، توفي تقريبا من مرض خطير. بعد التخرج ، قام بالتدريس في المدارس الثانوية (كان هذا ضروريًا للحصول على راتب في المعهد) ، بينما في الوقت نفسه يدرس الرياضيات والعلوم الطبيعية للحصول على درجة الماجستير.

ثم عمل كمدرس ومحاضر (وكتب الأوراق العلمية) حتى حصل على منحة دراسية لجولة بحثية مطولة في أفضل المختبرات الكيميائية في أوروبا.

مرة أخرى في سان بطرسبرغ ، كان بلاالعمل ، لذلك ، كتب دليلا ممتازا للكيمياء العضوية على أمل الفوز بجائزة نقدية كبيرة. في عام 1862 ، فاز بجائزة ديميدوف. كما عمل محررًا ومترجمًا ومستشارًا في مختلف المجالات الكيميائية. في عام 1865 ، عاد للبحث ، وحصل على درجة الدكتوراه وأصبح أستاذا في جامعة سانت بطرسبرغ.

بعد فترة وجيزة ، بدأ منديليف التدريسكيمياء غير عضوية. عند الاستعداد لإتقان هذا الحقل الجديد (بالنسبة له) ، ظل غير راض عن الكتب المدرسية المتاحة. لذلك ، قررت أن أكتب بلدي. يتطلب تنظيم النص تنظيم العناصر ، لذا فإن مسألة أفضل موقع لها كانت دائمًا في ذهنه.

بحلول بداية عام 1869 ، كان منديليف قد حقق ما يكفيالتقدم لفهم أن بعض مجموعات العناصر المماثلة أظهرت زيادة منتظمة في الكتل الذرية ؛ العناصر الأخرى ذات الكتلة الذرية نفسها تقريبا لها خصائص مماثلة. اتضح أن ترتيب العناصر وفقا لوزنها الذري كان هو المفتاح لتصنيفها.

وفقا لكلمات منديليف الخاصة ، هومنظم تفكيره عن طريق كتابة كل من العناصر المعروفة 63 على بطاقة منفصلة. ثم ، من خلال نوع من لعبة سوليتير الكيميائية ، وجد النمط الذي كان يبحث عنه. وضع البطاقات في أعمدة عمودية مع كتل ذرية من أدنى إلى أعلى ، ووضع عناصر مع خصائص مماثلة في كل صف أفقي. ولد الجدول الدوري لمينديليف. قام برسم نسخة مسودة في 1 مارس ، وإرسالها لطباعتها وإدراجها في كتابه المدرسي ، الذي سيتم نشره قريبًا. كما أعد بسرعة ورقة لعرضها على الجمعية الكيميائية الروسية.

العناصر مرتبة حسب حجمها الذريالجماهير ، تظهر خصائص دورية واضحة "، كتب منديليف في عمله. "جميع المقارنات التي أجريتها دفعتني إلى استنتاج مفاده أن حجم الكتلة الذرية يحدد طبيعة العناصر".

وفي الوقت نفسه ، الكيميائي الألماني لوثار ماير أيضاعملت على تنظيم العناصر. قام بإعداد جدول مشابه لجدول Mendeleev ، وربما حتى قبل Mendeleev. لكن منديليف نشر كتابه الأول.

ومع ذلك ، أكثر أهمية بكثير من الفوزعلى ماير ، كان كيف استخدم منديليف طاولته لعمل تنبؤات جريئة حول العناصر غير المكتشفة. عند إعداد جدول البيانات الخاص به ، لاحظ منديليف أن بعض البطاقات كانت مفقودة. كان عليه أن يترك مسافات فارغة حتى تتمكن العناصر المعروفة من محاذاتها بشكل صحيح. خلال حياته ، امتلأت ثلاثة أماكن فارغة بعناصر غير معروفة سابقًا: الغاليوم ، سكانديوم ، الجرمانيوم.

منديليف ليس فقط توقع وجود هذهالعناصر ، ولكن أيضا وصف خصائصها بشكل صحيح في التفاصيل. غاليوم ، على سبيل المثال ، اكتشف في عام 1875 ، وكان كتلة ذرية 69.9 وكثافة ستة أضعاف من الماء. تنبأ منديلييف بهذا العنصر (الذي أطلق عليه اسم الألومنيوم) ، فقط بهذه الكثافة والكتلة الذرية من 68. تتوافق تنبؤاته بالكريمة الإيكولوجية عن قرب مع ألمانيا (اكتشفت في عام 1886) من قبل الكتلة الذرية (72 متوقعة ، 72.3 في الواقع) والكثافة. كما توقع بشكل صحيح كثافة مركبات الجرمانيوم بالأكسجين والكلور.

أصبح الجدول الدوري النبوية. يبدو أنه في نهاية هذه اللعبة سيكشف هذا المآس الأولي عن أسرار الكون. في الوقت نفسه ، كان منديليف نفسه بارعًا في استخدام طاولته الخاصة.

منحته تنبؤات مندليف الناجحةالوضع الأسطوري لسيد السحر الكيميائي. لكن المؤرخين اليوم يجادلون ما إذا كان اكتشاف العناصر المتوقعة قد عزز اعتماد قانونها الدوري. قد يكون اعتماد القانون أكثر ارتباطًا بقدرته على شرح الروابط الكيميائية القائمة. على أي حال ، فإن الدقة التنبؤية لمندليف ، لفتت الانتباه بالطبع إلى مزايا طاولته.

بحلول عام 1990 ، اعترف الكيميائيون على نطاق واسع بقانونه.كمعلم رئيسي في المعرفة الكيميائية. في عام 1900 ، أطلق ويليام رامزي ، الحاصل على جائزة نوبل في الكيمياء في المستقبل ، على أنه "أعظم تعميم يتم تنفيذه على الإطلاق في الكيمياء". وفعل منديليف ذلك دون أن يفهم كيف.

بطاقة رياضية

في كثير من الحالات في تاريخ العلم كبيرةتحولت التوقعات القائمة على معادلات جديدة إلى حقيقة. بطريقة ما ، تكشف الرياضيات عن بعض الأسرار الطبيعية قبل أن يكتشفها المجربون. مثال على ذلك هو المادة المضادة ، والآخر هو تمدد الكون. في حالة منديليف ، نشأت تنبؤات عناصر جديدة دون أي الرياضيات الإبداعية. ولكن في الواقع ، اكتشف منديليف خريطة رياضية عميقة للطبيعة ، حيث أن طاولته تعكس معنى ميكانيكا الكم ، والقواعد الرياضية التي تحكم العمارة الذرية.

في كتابه ، لاحظ منديليف أن "الداخليةيمكن أن تكون الاختلافات في المادة التي تشكل الذرات مسؤولة عن خصائص العناصر المتكررة بشكل دوري. لكنه لم يلتزم بهذا الخط من التفكير. في الواقع ، فكر لسنوات عديدة في مدى أهمية النظرية الذرية لطاولته.

لكن الآخرين تمكنوا من قراءة الرسالة الداخلية.الجدول. في عام 1888 ، أعلن الكيميائي الألماني يوهانس ويسيتزين أن دورية خواص العناصر ، مرتبة حسب الكتلة ، تشير إلى أن الذرات تتكون من مجموعات منتظمة من الجزيئات الأصغر. وهكذا ، بشكل ما ، فإن الجدول الدوري توقع بالفعل (وقدم أدلة) البنية الداخلية المعقدة للذرات ، في حين لم يكن لدى أحد أي فكرة عن كيف تبدو الذرة بالفعل أو ما إذا كان لديها أي بنية داخلية على الإطلاق.

بحلول الوقت الذي توفي منديليف في عام 1907 ، والعلماءعرف أن الذرات تنقسم إلى أجزاء: الإلكترونات التي تحمل شحنة كهربائية سالبة ، بالإضافة إلى بعض المكونات الموجبة الشحنة التي تجعل الذرات محايدة كهربائيا. مفتاح اكتشاف هذه الأجزاء هو اكتشاف عام 1911 ، عندما اكتشف الفيزيائي إرنست روثرفورد ، الذي يعمل في جامعة مانشستر في إنجلترا ، النواة الذرية. بعد ذلك بفترة قصيرة ، أوضح هنري موسلي ، الذي عمل مع راذرفورد ، أن مقدار الشحنة الموجبة في النواة (عدد البروتونات التي تحتوي عليها ، أو "الرقم الذري") يحدد الترتيب الصحيح للعناصر الموجودة في الجدول الدوري.

كانت الكتلة الذرية مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالعدد الذريMosley قريب بما فيه الكفاية بحيث ترتيب العناصر حسب الكتلة في أماكن قليلة فقط يختلف عن الترتيب في العدد. أصر مندليف على أن هذه الجماهير كانت خاطئة وتحتاج إلى إعادة قياسها ، وفي بعض الحالات تبين أنها كانت على حق. لا يوجد سوى عدد قليل من التناقضات ، ولكن العدد الذري لموزلي يكمن في الجدول.

في نفس الوقت تقريبًا ، أدرك الفيزيائي الدنماركي نيلز بور أن نظرية الكم تحدد ترتيب الإلكترونات المحيطة بالنواة ، وأن أكثر الإلكترونات البعيدة تحدد الخصائص الكيميائية لعنصر ما.

سوف ترتيبات مماثلة من الإلكترونات الخارجية يكونكرر بشكل دوري ، وشرح الأنماط التي كشف عنها الجدول الدوري في الأصل. أنشأ بوهر نسخته الخاصة من الجدول في عام 1922 ، بناءً على قياسات تجريبية لطاقة الإلكترون (إلى جانب بعض النصائح من القانون الدوري).

Bohr table أضاف عناصر تم فتحها منذ عام 1869سنوات ، لكنه كان نفس الترتيب الدوري ، فتح منديليف. لعدم وجود فكرة عن نظرية الكم ، أنشأ منديليف جدولًا يعكس الهندسة الذرية التي تمليها فيزياء الكم.

طاولة بورا الجديدة لم تكن الأولى ولاأحدث نسخة من التصميم الأولي لل Mendeleev. مئات الإصدارات من الجدول الدوري تم تطويرها ونشرها. أصبح الشكل الحديث - في التصميم الأفقي ، على عكس النسخة الرأسية الأصلية من مندليف - ذو شعبية واسعة بعد الحرب العالمية الثانية ، ويرجع الفضل في ذلك إلى حد كبير إلى عمل الكيميائي الأمريكي جلين سيبورج.

وقد خلق سيبورج وزملاؤه العديد من الجديدالعناصر صناعيا ، مع الأعداد الذرية بعد اليورانيوم ، العنصر الطبيعي الأخير في الجدول. رأى سيبورج أن هذه العناصر ، ما وراء اليورانيوم (بالإضافة إلى العناصر الثلاثة التي سبقت اليورانيوم) ، تتطلب صفًا جديدًا في الجدول لم يتوقعه مندليف. أضاف جدول Seaborg صفًا لتلك العناصر تحت سلسلة مماثلة من العناصر الأرضية النادرة التي لم يكن لها مكان في الجدول.

مساهمة سيبورج في الكيمياء جلبت له شرف الاسمالعنصر الخاص - siborgiy برقم 106. هذا هو واحد من عدة عناصر سميت على اسم علماء مشهورين. وفي هذه القائمة ، بالطبع ، هناك عنصر 101 ، افتتحه سيبورج وزملاؤه في عام 1955 وأطلق عليهم اسم مندليف - تكريما للعالم الكيميائي ، الذي كان يستحق ، قبل كل شيء ، مكانًا في الجدول الدوري.

تعال إلى موجز الأخبار لدينا إذا كنت تريد المزيد من القصص المشابهة.