فيديو الدرس: تاريخ الجدول الدوري الكيمياء

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على تاريخ فهمنا للعناصر، وكيفية انعكاس هذا الفهم على تنظيم الجدول الدوري للعناصر وشكله. كيف يمكنك أن تعرف إذا ما كانت المادة أساسية، أي عنصرية؟

لنأخذ كعكة عادية مثالًا. إذا حللت الكعكة، فستجد أن بعض كتلتها من الدقيق، وبعضها من الزبد، وبعضها من السكر، وهكذا. إذا أردنا إثبات أن السكر ليس مادة أساسية أو عنصرية، فعلينا محاولة تحليله مرة أخرى. إذا لم نتمكن من ذلك، فمن المرجح أن يكون عنصرًا. ولكن في العصر الحديث، أصبحنا نعرف أن السكر يتكون من ذرات كربون وهيدروجين وأكسجين.

كما أصبحنا نعرف بوجود الذرات والبروتونات داخل النواة. ونعرف أن ذرات الكربون بها ستة بروتونات في نواتها، وذرات الأكسجين بها ثمانية بروتونات، وذرات الهيدروجين بها بروتون واحد. ونعرف أيضًا أن هذه المواد عناصر لأنه مهما بذلنا من جهد في المحاولة، فلن يمكننا تحليلها إلى عناصر أخرى مثل الكربون والهيدروجين والأكسجين. ويتطلب شطر الذرات كميات هائلة من الطاقة. وإذا تمكنا من فعل ذلك، فإننا نغير العناصر تمامًا. مع تطور التكنولوجيا وتحسن فهمنا، تمكنا من إثبات تصنيف المزيد من المواد إلى عناصر أو غير عناصر.

قبل وقت طويل من فهمنا لطبيعة الذرات أو الأيونات أو النوى، كنا نستخدم مواد تبين فيما بعد أنها عناصر كيميائية. ولم نتمكن من إثبات ذلك إلا منذ وقت قريب. وكانت المواد العنصرية المستخدمة قبل العام 1000 بعد الميلاد تقريبًا هي النحاس والرصاص والذهب والحديد والفضة والكربون والقصدير والكبريت والزئبق والزنك والزرنيخ والأنتيمون والبزموت.

كانت جميع هذه المواد صلبة في درجة حرارة الغرفة وضغطها، فيما عدا الزئبق الذي كان سائلًا. بعد اكتشاف البزموت، استغرق الأمر ما يزيد عن 600 عام لاكتشاف العنصر التالي. وفي نهاية القرن الثامن عشر، تم اكتشاف 21 مادة نعرف الآن أنها عناصر. وللمرة الأولى، حددت العناصر التي تكون غازات في درجة حرارة الغرفة، وهي: الهيدروجين، والأكسجين، والنيتروجين، والكلور.

في عام 1789، نشر أنطوان لافوازييه، الذي اكتشف الهيدروجين والأكسجين كعنصرين متميزين، كتابًا في الكيمياء يتضمن واحدًا من أول التصنيفات الرسمية للعناصر، حيث صنفها إلى غازات وفلزات ولا فلزات وعناصر ترابية طبقًا لسلوكها الكيميائي. تحت الغازات، وضع لافوازييه الأكسجين والنتروجين والهيدروجين. ولكنه وضع أيضًا كلًّا من الضوء والحرارة ضمن الغازات. قد يبدو هذا غريبًا بالنسبة إلينا في العصر الحالي لأننا أصبحنا ملمين بتعريف العنصر. لكنه كان يحاول فهم جميع الظواهر التي صادفها وتصنيفها.

وتحت الفلزات، وضع لافوازييه مواد نعتبرها كلها عناصر في عصرنا الحالي. وتحت اللافلزات، أدرج عناصر الكبريت والفوسفور والكربون بالإضافة إلى ثلاث مواد لا نطلق عليها عناصر، وهي حمض الهيدروكلوريك وحمض الهيدروفلوريك وحمض البوريك. وجميع المواد التي وضعها أنطوان تحت العناصر الترابية لا نعتبرها عناصر. تطلب الأمر اكتشاف الكيمياء الكهربية في العقود التالية لاستبعاد هذه المركبات.

حدثت الطفرة التالية في بدايات القرن التاسع عشر. الفكرة القائلة بأن الذرة شيء أساسي لا يمكن تقسيمه إلى جزأين تسبق القرن التاسع عشر بكثير. لكن النموذج العلمي الأول للذرة لم يقدم حتى عام 1808 على يد جون دالتون. آنذاك كان عدد العناصر المكتشفة قد بلغ 46 عنصرًا. رسم دالتون في نموذجه البسيط ذرات العناصر في صورة دوائر. ويمكن أن تتحد هذه الذرات بنسب محددة، ما يعطينا مركبات كيميائية مختلفة، وهو ما نعتبره أمرًا مسلمًا به اليوم.

في عام 1814، توصل يونس ياكوب بيرسيليوس إلى نظام يستخدم الحروف بدلًا من الدوائر للإشارة إلى العناصر، مستخدمًا كلمات مثل «‪oxygen‬‏» لاشتقاق الرمز ‪O‬‏ والمرادف اللاتيني لعنصر الحديد «‪ferrum‬‏» لاشتقاق الرمز ‪Fe‬‏. ولا تزال الكثير من الرموز التي ابتكرها مستخدمة حتى يومنا هذا.

كانت هناك بعض الملاحظات على مدار العقود القليلة التالية مهدت الطريق نحو فهم العناصر بصورة أفضل، مثل عمل يوهان فولفجانج دوبرينير في عام 1829 الذي حدد ثلاثيات من العناصر لها أنماط معينة في خواصها، مثل الكلور والبروم واليود. إلا أن الملمح الأول لشكل الجدول الدوري الذي نألفه يرجع إلى ألكسندر إيميل بيجييه دو شانكورتوا في عام 1863. بحلول ذلك الوقت، كانت هناك تقديرات موثوقة للكتل الذرية النسبية لكثير من العناصر. لذا، تم ترتيب العناصر طبقًا للكتلة الذرية النسبية. وبعد ذلك، لاحظ ألكسندر أنماطًا دورية في خواص العناصر.

في عام 1864، طرح جون نيولاندز قانون الثمانيات. فعند ترتيب العناصر حسب الكتلة الذرية النسبية، رأى أنماطًا سلوكية تتكرر كل ثمانية عناصر. وضع نيولاندز هذه العناصر ذات الصلة في أعمدة، مكونة صفوفًا يحتوي كل منها على سبعة عناصر. وبينما تشبه بداية جدوله النسخة الحديثة، كانت هناك الكثير من التصنيفات التي لم تثبت صحتها. ولم تكن الغازات النبيلة قد اكتشفت بعد. ولو كانت قد اكتشفت، لكنا سنستخدم قانون التساعيات بدلًا من الثمانيات.

بعد مرور خمس سنوات، أثمرت دراسات العناصر التي استمرت على مدار 200 عام عن إحدى أكثر الأحداث التي لا تنسى في تاريخ الكيمياء. ففي عام 1869، نشر ديمتري إيفانوفيتش مندليف جدوله الدوري الأول للعناصر. استخدم جدوله بعضًا من المبادئ نفسها التي استخدمت في جدول نيولاندز. فقد رتبت العناصر طبقًا لكتلتها الذرية النسبية وصنفت في مجموعات طبقًا لسلوكها الكيميائي. لكن مندليف فعل شيئًا يجدر بكل عالم متميز أن يفعله. فهو لم يجبر البيانات على أن تتوافق مع نظرياته. بدلًا من ذلك، كان يترك مكانًا فارغًا إذا لم يجد عنصرًا يحمل الخواص التي يتوقعها. كان هذا جدوله المبدئي، حيث رتبت العناصر رأسيًّا طبقًا للكتلة الذرية النسبية، ودوريًّا من اليسار إلى اليمين. وكان مدارًا بزاوية 90 درجة مقارنة بالجدول الذي نعرفه الآن.

استخدم مندليف رموز العناصر وعلامة «يساوي» لربط العناصر بكتلتها الذرية النسبية. وتضمن جدوله توقعات لعناصر لم تكن قد اكتشفت بعد، مع ذكر كتلها الذرية النسبية التقديرية. قد تبدو بعض الرموز في هذا الجدول غير مألوفة بالنسبة إلينا لأنه استخدم ‪Pl‬‏ رمزًا لعنصر البلاديوم و‪Ur‬‏ رمزًا لعنصر اليورانيوم. كما عارض مندليف عن عمد ترتيب العناصر طبقًا للكتلة الذرية النسبية حيث كان ترتيبها طبقًا للخواص الكيميائية منطقيًّا أكثر. لذا، عكس مندليف موقعي التيلوريوم واليود. فكان سلوك التيلوريوم الكيميائي أشبه بعناصر الأكسجين والكبريت والسيلينيوم. وسلوك اليود أشبه بعناصر البروم والكلور والفلور.

لكن ذلك الجدول لم يكن مثاليًّا. فقد ظلت هناك بعض الشكوك، خاصة مع زيادة العناصر ثقلًا. نشر مندليف نسخة منقحة في عام 1871 رتب فيها العناصر أفقيًّا طبقًا للكتلة الذرية النسبية، ودوريًّا من أعلى إلى أسفل، مما أعطانا المجموعات والدورات التي نألفها. كانت هذه النسخة من الجدول أبسط بعض الشيء من النسخة الأصلية.

سميت العناصر المجهولة أسفل البورون والألومنيوم والسليكون بإيكا بورون وإيكا ألومنيوم وإيكا سليكون. تعني كلمة «إيكا» واحدًا باللغة السنسكريتية، في إشارة إلى أنه العنصر الأول أسفل العنصر المذكور. إذن إيكا بورون هو العنصر الأول أسفل البورون. وكان يقع أسفل البورون في المخطط الأصلي.

اكتشف العنصر إيكا بورون بعد ثماني سنوات وسمي الاسكانديوم. واكتشف العنصر إيكا ألومنيوم في عام 1875 وسمي الجاليوم. واكتشف إيكا سليكون في عام 1886 وسمي الجرمانيوم. لقد تحققت تنبؤات مندليف. لذا، علينا أن نقدر شجاعته لمناهضة العلم الذي كان قائمًا في ذلك العصر وتقديمه جدولًا يتضمن أماكن فارغة.

لكن ظلت هناك مشكلة في الجدول. فقد كانت هناك عناصر معينة عكس ترتيبها من حيث كتلتها الذرية النسبية، مثل التيلوريوم واليود. وأجريت مراجعات على جدول مندليف عندما اكتشفت عناصر جديدة. لكن تحطم المبدأ الأساسي لهذا الجدول عام 1913.

مع اكتشاف الغازات النبيلة والقياسات الأكثر دقة للكتل الذرية النسبية للنحاس والنيكل، ظهر العديد من الأزواج الأخرى التي يجب تبديل أماكنها. وانضم إلى التيلوريوم واليود كل من الأرجون والبوتاسيوم والكوبالت والنيكل. وأثبت وجود النواة داخل الذرات والبروتونات داخل النواة قبل عامين فقط من ذلك على يد إرنست رذرفورد ومارسدن وجايجر.

ومع توفر الكتل الذرية النسبية الأكثر دقة والمزيد من الأدلة على وجود مشكلة ما والتعرف على البروتون، تخطى هنري موزلي مبدأ الترتيب الأساسي لجدول مندليف الدوري للعناصر. فبدلًا من ترتيب العناصر على أساس الكتلة الذرية النسبية، اقترح موزلي نموذجًا للجدول الدوري الحديث يرتب العناصر طبقًا للعدد الذري، أي عدد البروتونات في نواة العنصر.

العدد الذري والكتلة الذرية النسبية متناسبان تقريبًا في جميع العناصر. لذا يمكننا استيعاب سبب ملاءمة الكتلة الذرية النسبية لترتيب العناصر. وبموجب هذا النظام، اتبعت عناصر مثل التيلوريوم واليود، التي بدت أماكنها معكوسة في النظام القديم، الترتيب الصحيح حيث وقعت في مجموعتها الصحيحة وزاد عددها الذري بطريقة طبيعية.

تكافئ تقريبًا الكتلة الذرية النسبية عدد البروتونات والنيوترونات في ذرة العنصر، بينما العدد الذري يساوي عدد البروتونات في ذرة أو أيون العنصر. وعدد البروتونات في الذرة أو الأيون هو الذي يحدد سلوكها الكيميائي في المقام الأول. أما النيوترونات فتضيف كتلة فحسب. ونظرًا لنطاق نظائر العنصر ووفرتها، لا تكون الكتلة الذرية النسبية لأي عنصر قاطعة في التنبؤ بالسلوك الكيميائي بقدر العدد الذري.

والآن لنتدرب على ما تعلمناه.

يعد الجدول الدوري نموذجًا. فهو يتيح للعلماء وضع التنبؤات عن طريق تحديد الأنماط المتكررة في خواص العناصر. وأتاح اكتشاف العناصر الجديدة للعلماء إمكانية سد الفجوات في الجدول الدوري الأصلي وتصحيح أخطائه. أي مما يلي يصف النموذج المستخدم لإنشاء الجدول الدوري الأصلي؟‪‎‬‏

يقال إن أول جدول دوري على الإطلاق ابتكر عام 1863 على يد ألكسندر إيميل بيجييه دو شانكورتوا الذي وضع العناصر في شكل حلزوني على ورقة. ورتبت العناصر على الأسطوانة من اليسار إلى اليمين طبقًا للكتلة الذرية النسبية، ورتبت رأسيًّا باستخدام الشكل الحلزوني طبقًا لسلوكها الكيميائي. ولكن هذا الشكل لا يعتبر جدولًا تقليديًّا.

ما يعتبر عادة الجدول الدوري الأصلي هو الجدول الذي وضعه دميتري إيفانوفيتش مندليف عام 1869، ورتب فيه العناصر من أسفل إلى أعلى طبقًا للكتلة الذرية النسبية ومن اليسار إلى اليمين طبقًا للسلوك الكيميائي الدوري. في عام 1871، نشر مندليف نسخة منقحة حيث رتبت الدورات من أعلى إلى أسفل والمجموعات من اليسار إلى اليمين في نسخة أشبه بالجدول الدوري الحديث الذي نألفه. كانت السمة الأساسية التي ميزت نظام مندليف عن الأنظمة السابقة هي أنه ترك أماكن فارغة باستخدام البيانات الموجودة للتنبؤ بخواص عناصر مجهولة. جعل ذلك من جدول مندليف نموذجًا جيدًا للغاية لأنه سمح بإجراء تنبؤات دقيقة. اكتشفت عناصر جديدة، مثل الاسكانديوم والجاليوم والجرمانيوم، في وقت لاحق ووضعت بصورة طبيعية في الأماكن الفارغة بالجدول لتتلاءم مع التنبؤات بصورة جيدة للغاية.

والآن لنلق نظرة على السؤال. علينا النظر إلى خمس كلمات وإيجاد أفضل كلمة تصف النموذج المستخدم في الجدول الدوري الأصلي. تلك المبادئ التنظيمية الثلاثة تشكل النموذج المستخدم في وضع الجدول. سيكون دقيقًا تمامًا أن نقول إن جدول مندليف خطأ. فهناك الكثير من الأمور التي تغيرت منذ ذلك الحين.

لكن السؤال لا يطلب أي وصف فحسب. وإنما نبحث عن أفضل وصف، الوصف الذي ينصف الجهد الكبير المبذول. كان الجدول الأصلي به أخطاء في بعض الجوانب. ولكنه كان صائبًا أيضًا في جوانب كثيرة. ومن المنصف أيضًا أن نقول إن جدول مندليف كان معيبًا في الأساس لأنه استخدم الكتلة الذرية النسبية بدلًا من العدد الذري كما نفعل اليوم.

لكن بناء على البيانات المتوفرة في ذلك العصر، كان التيلوريوم واليود زوج العناصر الوحيد الذي بدا أنه يخرج عن الترتيب السائد. فكان للتيلوريوم كتلة ذرية نسبية أعلى، لكن سلوكه الكيميائي كان يعني أنه من الأفضل أن يأتي قبل اليود وليس بعده. لن يكون من المنصف أن نعتبر جدول مندليف غير علمي لأنه أظهر فهمًا متعمقًا للبيانات المتاحة في ذلك الوقت.

إن حقيقة أن مندليف قد ترك أماكن فارغة طبقًا للبيانات وحقيقة أنه بدل مكان كل من التيلوريوم واليود على الرغم من أن هذا الترتيب لا يلائم مبدأ الكتلة الذرية النسبية، توحيان بأنه كان يفكر حقًّا فيما يفعل. فلم يكن يريد أن يجعل البيانات تتناسب مع نظريته فحسب.

الكلمة الأخيرة التي يمكن أن تنطبق على جدول مندليف هي ببساطة «غير مكتمل». لقد وضع هذا الجدول قبل فهمنا للذرات بالتفصيل وقبل أن نفهم البروتونات وتأثيرها على السلوك الكيميائي. من بين جميع الإجابات، هذه الإجابة هي الأكثر إنصافًا. فعلى الرغم من وجود جوانب خاطئة وصائبة ومعيبة في الجدول، فقد كان خطوة في الاتجاه الصحيح وتحولًا حاسمًا في طريقة فهمنا للعناصر.

وكما هو الحال في العديد من النماذج والنظريات العلمية، يحدث التطور على مراحل. ولا نحتاج بالضرورة إلى تجاهل نموذج لمجرد أنه ليس كاملًا. إذن من بين الكلمات الخمس المعطاة، أفضل وصف للنموذج المستخدم في وضع الجدول الدوري الأصلي هو «غير مكتمل».

لنلق نظرة على النقاط الرئيسية. المواد الكيميائية النقية التي نصنفها الآن بأنها عناصر تمكن العلماء من تحديدها على مدار فترات مختلفة من التاريخ. وبعد اكتشاف عدد كاف من العناصر، رتبت طبقًا للكتلة الذرية النسبية. وعندما نظر العلماء في سلوكيات العناصر، لاحظوا أنماطًا دورية في السلوك الكيميائي. صممت نماذج في صورة جداول دورية للتنبؤ بخصائص العناصر غير المكتشفة، ومن أبرزها جداول مندليف في عام 1870 تقريبًا.

بعد اكتشاف عيوب طفيفة في جداول مندليف، حل العدد الذري محل الكتلة الذرية النسبية باعتباره المبدأ الأساسي لتنظيم الجداول الدورية الحديثة. وعلى مدار المائة عام الماضية، لم تتغير المبادئ الأساسية لتنظيم الجدول الدوري على الرغم من اكتشاف العديد من العناصر. على مدار الـ 350 عامًا الماضية، ارتفع عدد العناصر المكتشفة من 14 عنصرًا في أواخر القرن السابع عشر إلى 118 عنصرًا في العصر الحديث.

في عام 1789، حدد أنطوان لافوازييه أربع مجموعات من المواد التي اعتبرها عناصر، وهي: الغازات والفلزات واللافلزات والعناصر الترابية. تضمنت الغازات والفلزات واللافلزات عددًا من المواد التي نعتبرها عناصر في العصر الحالي. وفي عام 1808، قدم جون دالتون أول نموذج علمي للذرة. وفي عام 1869، وضع ديمتري مندليف الأسس التي قام عليها الجدول الدوري الحديث في مسودته الأولى. وأخيرًا، في عام 1913، أي بعد مرور عامين من إثبات رذرفورد لوجود البروتون، أعاد هنري موزلي ترتيب الجدول الدوري وفقًا للعدد الذري، ما ترتب عليه تصحيح الأخطاء الطفيفة في تصميم مندليف الأصلي للجدول. منذ ذلك الحين، أضيفت عناصر أخرى إلى الجدول الدوري في الأماكن الفارغة المقابلة لأعدادها الذرية.