تعریف و تاریخچه:

جدول تناوبی یا همان جدول مندلیف، جدولی است که در آن عناصر بر اساس عدد اتمی آنها (تعداد پروتون ها) از کم به زیاد کنار هم قرار گرفته اند. طبق این چینش عنصر ها در هر ستون خاصیت های مشابهی دارند و از چپ به راست در هر ردیف خاصیت ها تکرار می شود که به این امر، قانون دوره ای عناصر می گویند. جدول تناوبی دارای 7 گروه است که هر عناصر داخل گروه خواص سر گروه خود را دارا اند. در اواسط قرن نوزدهم این جدول توسط دیمیتری مندلیف کشف شد و تاثیرات ارزشمندی در علم شیمی به جای گذاشت. او با استفاده از این جدول توانسته بود ویزگی های عناصری که کشف نشده بودند را پیش بینی کند.
مندلیف دو انتخاب مهم انجام داد که باعث شد جدول او مورد پذیرش عمومی قرار بگیرد: یک اینکه او جای عناصر کشف نشده را خالی گذاشته بود و خواص آنها را پیش بینی کرده بود و مهم اینکه با توجه به خواص جدول، جای آنها را هم پیش بینی کرده بود.
انتخاب دوم او این بود که گاهی از وزن اتم صرف نظر کرده بود و با استفاده از خاصیت های شیمیایی، آنها را دسته بندی و جای گذاری کرده بود. بعد ها با پیشرفت علم مشخص شد که مندلیف به طور ناخواسته عناصر را بر اساس افزایش عدد اتمی آنها مرتب کرده بوده است.

گسترش جدول

مندلیف در سال 1871 جدول خود را بروز کرد و جزئیات بیشتری را در آن اضافه کرد. عنصر های ناشناخته به تدریج کشف شدند و در جای خود قرار گرفتند. آخرین عنصر کشف شده که به طور طبیعی ساخته می شود عنصر پلوتونیوم است. در سال 1940 دانشمندان این عنصر را در آزمایشگاه ها ساختند اما در ادامه و در سال 1971 متوجه شدند که پلوتونیوم به صورت طبیعی و در طبیعت ساخته می شود.
البته جدول تناوبی متداول امروزی به یک شیمی دان آمریکایی به نام «هوراس گرووز دمینگ» نسبت داده شده است که دو نسخۀ کوتاه جدول تناوبی را منتشر کرده بود.
با پیشرفت علم و دانش درباره الکترون ها مشخص شد که هر چه اتم بزرگتر باشد، لایه ها و زیر لایه های بیشتری نیز دارد. علاوه بر جدول تناوبی استاندارد، جدول های گوناگون دیگری هم وجود دارند و مورد استفاده قرار می گیرند که البته موضوع بحث ما نیست.

مشخصات جدول تناوبی

این جدول را می توان به چهار بلوک مستطیل شکل جداگانه تقسیم کرد:
بلوک S که در سمت چپ جایگذاری شده است
بخش P که در سمت راست قرار دارد
بلوک D که شامل فلزات واسطه در وسط است
و در نهایت گروه F که شامل فلزات واسطۀ داخلی در پایین است

به هر ردیف از جدول مندلیف یک دوره گفته می شود که عناصر هر دوره تعداد لایه الکترونی یکسان و تعداد الکترون لایه آخر مشابه دارند.. از طرفی به هر ستون در این جدول یک گروه می گویند که عناصر داخل هر گروه خاصیت های شیمیایی مشترکی دارند و تعداد الکترون در لایۀ الکترونی آخر آنها یکسان است.
جدول تناوبی دارای 118 عنصر است. از این میان 98 عنصر آن در طبیعت یافت می شود که 84 عنصر آن پایدار و بقیه ناپایدار اند. از طرفی تعدادی از عناصر دیگر توسط دانشمندان و در آزمایشگاه ها تولید می شوند.

همچنین اتم های گوناگون یک عنصر می توانند شامل پروتون های مختلفی باشند که در این صورت به آن ایزوتوپ گفته می شود.

 

دسته بندی جدول تناوبی:

هماهنطور که گفته شد جدول مندلیف از گروه، دوره و بلوک تشکیل شده است.

گروه ها:

جدول مندلیف دارای 18 گروه می باشد. پیش تر نیز گفتیم که عناصر هر گروه خواص و در لایۀ آخر آرایش الکترونی یکسانی دارند. گروه ها از چپ به راست خوانده می شوند بدین ترتیب که گروه اول را فلزات قلیایی و گروه آخر را در راست، گاز های نجیب تشکیل می دهند.
در هر گروه از بالا به پایین تعداد لایه های الکترونی افزایش یافته و در نتیجه شعاع اتمی از بالا به پایین افزایش می باید. بنابراین قابلیت یونش و واکنش پذیری عناصر پایین تر بیشتر است چرا که جاذبه ی کمتری از طرف هسته به آنها وارد می شود. البته که استثاناهایی هم وجود دارد. مثلا در گروه 11 این قانون بر عکس انجام می گیرد.

دوره ها:

به هر ردیف افقی در جدول مندلیف یک دوره می گویند. این جدول 7 ردیف دارد. در هر دوره خاصیت ها به طور متناوب تکرار می شوند. همچنین از چپ به راست شعاع اتمی کاهش می یابد چرا که تعداد الکترون ها افزوده شده ولی تعداد لایه های الکترونی ثابت است که باعث دریافت جاذبۀ بیشتری از طرف هسته می باشد. کاهش شعاع اتمی هم باعث افزایش انرژی یونش میشود. بنابراین از چپ به راست الکترون دوستی عناصر افزایش پیدا می کند. البته که این قانون برای گاز های نجیب برقرار نیست.

بلوک ها:

می دانید که لایۀ آخر الکترونی عناصر اهمیت ویژه ای دارد. بلوک ها نیز بر همین اساس تقسیم بندی شده اند. بدین ترتیب گروه S شامل دو گروه اول یعنی فلزات قلیایی و قلیایی خاکی میشوند. گروه P ستون های 13 تا 18 جدول را در بر می گیرد و همۀ نافلزات و شبه فلزات در این گروه قرار دارند. گروه های 3 تا 12 عضو گروه d می باشند که فلزات را در بر می گیرد. و در نهایت گروه f هم شامل بدنۀ پایینی جدول می شود و لانتانید ها و اکتینید ها عضو این بلوک هستند. لانتانید ها و اکتینید ها غالبا به صورت دو ردیف اضافی در پایین جدول قرار می گیرند.

ویژگی های تناوبی جدول

آرایش الکترونی:

الکترون ها در یک عنصر مجموعه ای از لایه های الکترونی را پر میکنند. لایه های الکترونی نیز خودشان از زیر لایه هایی به نام s و p و d و f و g تشکیل می شوند. مسلما هر چه عدد اتمی افزایش یابد، لایه ها و زیر لایه های بیشتری الکترون می گیرند. این زیر لایه ها طبق قانونی به نام قاعده آفبا پر می شوند.

شعاع اتمی:

شعاع اتمی یک عنصر از فاصلۀ بین هسته های دو اتم آن بدست می آید. معمولا یک میانگین برای شعاع اتمی در نظر گرفته می شود. شعاع اتمی هم مانند ویژگی های دیگر از قاعده ای پیروی می کند به طوری که با حرکت به سمت چپ و پایین جدول شعاع اتمی افزایش می یابد.
البت باید بدانید که عنصر های واسطه از این قاعده برای پر شدن زیر لایه هایشان پیروی نمی کنند بدین صورت که در آغاز پر شدن زیر لایۀ d، شعاع اتمی کاهش یافته ولی در اتم های انتهایی این روند به افزایشی تغییر می کند.

انرژی یونش:

انرژی یونش به انرژی لازم برای جدا کردن سست ترین الکترون اتم در حالت گازی می گویند. با افزایش درجه یونش، انرژی یونش نیز افزایش می یابد. هر چه یک الکترون به هستۀ اتم نزدیک تر باشد، انرژی یونش برای آزاد سازی آن الکترون بیشتر خواهد بود چرا که هسته جاذبه بیشتری به آن الکترون وارد کرده و جدا کردن آن سخت تر است. انرژی یونش برعکس ِ شعاع اتمی، با حرکت به سمت بالا و راست جدول افزایش می یابد.

الکترونگاتیوی:

تمایل جذب یک اتم به الکترون را الکترونگاتیوی می گویند. این خاصیت به عدد اتمی و فاصلۀ آخرین الکترون از هسته بستگی دارد. الکترونگاتیوی همانند انرژی یونش با حرکت به سمت راست و بالای جدول افزایش می یابد. با توجه به این ویژگی ها می فهمیم که فلوئور بیشترین و سزیم کمترین خاصیت الکترونگاتیوی را دارند. البته در این مورد نیز استثناهایی وجود دارد مثل دوره های سوم و چهارم در گروه های 13 و 14.

الکترون خواهی:

انرژی ای که از پیوند بین یک الکترون و یک اتم در حالت گازی بدست می آید را الکترون خواهی می گویند که در نتیجۀ آن اتم به یون منفی تبدیل می شود. اغلب این فرآیند با آزاد شدن انرژی همراه است. از این مطلب نتیجه میگیریم که الکترون خواهی اولین الکترون مقداری منفی است و فقط در گروه های 2 و 7 و 12 و 18 مقدار مثبتی دارد. در هر دوره بیشترین الکترون خواهی را هالوژن ها دارند و همینور کلر بیشترین الکترون خواهی را در میان تمام عناصر دارد.

ابهام های جدول

عنصر هایی با خواص نامعلوم: 

اگرچه تا به حال 118 عنصر شناخته شده است اما تا عنصر های 108 و عنصر 112 خواص شیمیایی شناخته شده دارند.

موقعیت هیدروژن و هلیم:

در بعضی مواقع ممکن است جای هیدروژن و هلیم با توجه به رفتار هایشان تغییر کند. برای مثال هیدروژن معمولاً بر اساس عدد اتمی در بالای عنصر لیتیم قرار می گیرد اما گاهی رفتار هایی مانند فلوئور و کربن از خود نشان میدهد و جایگاهش در بالای این دو عنصر قرار می گیرد. اما هلیم غالباً به دلیل خواص مشترک زیادی که با نئون دارد، در بالای این عنصر قرار می گیرد.

گسترش بیشتر:

هنوز بر ما روشن نیست که عنصر هایی بیشتری کشف خواهد شد یا نه و همچنان امکان دارد که جدول دچار تغییر شود. شیمی دان آمریکایی به نام گلن سیبورگ بر این باور بود که دورۀ هشتم جدول هم وجور دارد و در آن 50 عنصر به عناصر موجود اضافه خواهد شد.

اختلاف نظرات در گروه سوم :

در دو عنصر سطر اول و دوم گروه سوم بحثی نیست و همه آن را مورد قبول دارند. ولی بر سر دو عنصر بعدی اختلاف نظر هایی با استدلال ویژگیهای شیمیایی وجود دارد. برخی اعتقاد بر قرار گرفتن اسکاندیم و ایتریم در این جایگاه دارند و گروهی دیگر می گویند عناصر لانتان و اکتینیم باید در این گروه قرار بگیرند.

فلز های واسطه: 

فلز واسطه شامل عنصری می شود که لایۀ d آن پر نشده و قابلیت تشکیل کاتیون داشته باشد که با این تفسیر گروه های 3 تا 11 می توانند عضو فلز های واسطه قرار بگیرند. اما برخی از شیمیدان ها معتقدند که باید تمام بلوک d از جمله گروه 12 شامل روی، کادمیوم و جیوه، عضو عناصر واسطه باشند با این استثنا که تشکیل کاتیون نمی دهند.
برخی دیگر گروه 3 را از فلز های واسطه جدا می دانند با این استدلال که هیچ یونی با زیر لایۀ d ناقص ایجاد نمی کنند و باید گروه های 4 تا 12 عضو این فلزات باشند.
اختلاف نظر های گوناگون دیگری هم در این زمینه وجود دارد که چند مورد به عنوان مثال آورده شد.

کاربرد های جدول مندلیف

جدول مندلیف (Mendeleev’s table) یا جدول تناوبی عناصر شیمیایی، یک ساختار سازماندهی شده است که عناصر شیمیایی را بر اساس ویژگی‌های شیمیایی آن‌ها به صورت دسته‌بندی می‌کند. در زیر، به برخی از کاربردهای جدول مندلیف اشاره می‌کنم:

1. شناخت عناصر شیمیایی:

جدول مندلیف به شیمیدانان و دانشمندان کمک می‌کند تا الگوها و روابط بین عناصر شیمیایی را درک کنند. با استفاده از جدول مندلیف، می‌توان ویژگی‌های شیمیایی هر عنصر را مطالعه کرده و روابطی میان آن‌ها بررسی کرد.

2. پیش‌بینی ویژگی‌های عناصر:

با توجه به موقعیت عناصر در جدول مندلیف، می‌توان ویژگی‌های ناشناخته یک عنصر را پیش‌بینی کرد. به عنوان مثال، با تحلیل جدول مندلیف می‌توان پیش‌بینی کرد که چگونه یک عنصر جدید به نام ویبورنیم (اصطلاحاً Ununbium) خواصی مانند وزن اتمی، تراکم و ویژگی‌های شیمیایی دیگر را خواهد داشت.

3. تعیین گروه‌ها و خانواده‌های عناصر:

جدول مندلیف عناصر را بر اساس ویژگی‌های شیمیایی به گروه‌ها و خانواده‌های مختلف تقسیم می‌کند. این دسته‌بندی کمک می‌کند تا الگوها و روابط بین اعضای هر گروه را درک کرده و ویژگی‌های مشترک آن‌ها را بررسی کنیم. به عنوان مثال، عناصر در گروه هالوژن‌ها (مانند کلر و بروم) خواص شیمیایی مشابهی دارند.

4. پیش‌بینی خواص ترکیبات شیمیایی:

با استفاده از جدول مندلیف، می‌توان خواص ترکیبات شیمیایی را پیش‌بینی کرد. با ترکیب ویژگی‌های عناصری که در یک ترکیب شیمیایی حضور دارند، می‌توان خواص فیزیکی و شیمیایی ترکیب را تخمین زد.

5. راهنمای آموزش:

در طراحی و آموزش شیمی، جدول مندلیف به عنوان یک راهنمای آموزشی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از جدول مندلیف، معلمان می‌توانند به دانش‌آموزان خود نحوه سازماندهی عناصر شیمیایی و الگوهایی که در جدول وجود دارد را آموزش دهند.

6. پژوهش‌های علمی:

جدول مندلیف در زمینه پژوهش‌های علمی نقش مهمی ایفا می‌کند. در طول تحقیقات شیمیایی و فیزیکی، محققان از جدول مندلیف برای بررسی و مقایسه ویژگی‌های شیمیایی عناصر مختلف استفاده می‌کنند.

7. صنعت و فناوری:

جدول مندلیف در صنایع شیمیایی و فناوری نقش مهمی دارد. با استفاده از اطلاعات موجود در جدول مندلیف، می‌توان خواص شیمیایی و فیزیکی عناصر را بررسی کرده و در طراحی و تولید مواد شیمیایی، داروها، مواد نیروگاهی و سایر محصولات فناورانه استفاده کرد.

8. آموزش و ترویج علوم شیمی:

این جدول به عنوان یک ابزار تحریریه، کتاب‌های درسی، نمایشگاه‌ها و مراکز علمی مورد استفاده قرار می‌گیرد تا دانش‌آموزان و علاقه‌مندان به علوم شیمی با عناصر و ویژگی‌های آن‌ها آشنا شوند.

جدول مندلیف به عنوان یک ابزار مهم در شیمی و علوم مرتبط، در مطالعه، آموزش و تحقیقات مورد استفاده قرار می‌گیرد و به دلیل ساختار منظم و منطقی خود، به کاربردهای متعددی در رشته‌های مختلف دارد.

برای اطلاعات بیشتر و خواندن وبلاگ های دیگر به سایت مغز برتر مراجعه کنید.