كشف قانون تناوبي

مندليف دانشمند مشهور روسي و لوتارمير دانشمند آلماني، به طور همزمان و بدون اطلاع از كار يكديگر، بررسيهاي دقيق و بسيار اساسي در مورد ارتباط جرم اتمي عنصرها و خواص آنها به عمل آوردند كه سرانجام منجر به كشف پديده‌اي شد كه امروزه قانون تناوبي نام دارد.
مندليف در سال ۱۸۶۹ جدولي از عنصرهاي شناخته شده زمان خود منتشر كرد كه با جدول نيوزلندز، مشابهت داشت.

لوتارمير نيز در همان سال و كمي پس از نشر جدول مندليف، جدول مشابهي تنظيم و در سال ۱۸۷۵ منتشر كرد كه تا اندازه‌اي با جدول مندليف مشابهت داشت.
در فاصله بين سالهاي ۱۸۶۹ تا ۱۸۷۱، لوتارمير بررسيهاي گسترده‌اي انجام داد و نمودار تغييرات بسياري از خواص فيزيكي عنصرها را نسبت به جرم اتمي آنها رسم و مشاهده كرد كه اين تغييرات روندي تناوبي دارند. براي نمونه نشان داد كه حجم اتمي عنصرها، نسبت به جرم اتمي آنها، مطابق شكل به طور تناوبي تغيير مي‌كند.

در همين فاصله، مندليف نيز با بررسي خواص عنصرها و تركيبهاي آنها از جمله تركيبهاي دوتايي هيدروژن‌دار و اكسيژن‌دار آنها، دريافت كه تغييرات خواص شيميايي عنصرها مانند خواص فيزيكي آنها، نسبت به جرم اتمي، روند تناوبي دارد. از اين رو جدولي را كه در سال ۱۸۶۹ منتشر كرده بود، به صورت جديدي در هشت ستون و دوازده سطر منظم كرد. بدين ترتيب، مندليف و لوتارمير به كشف قانون تناوبي دست يافتند كه در سال ۱۸۷۱ منتشر شد و مفهوم آن چنين است: «خواص عناصر، تابعي از تناوبي از جرم اتمي آنها است».
براساس اين قانون، جدول طبقه‌بندي عنصرها كه توسط مندليف منظم شده بود، «جدول تناوبي عناصر» نيز ناميده شد.

مندليف، با توجه به اشكالات و نارساييهاي جدول نيولندز و لوتارمير و حتي جدولي كه خود وي در سال ۱۸۶۹ منتشر كرده بود، جدولي تقريباً بدون اشكال ارائه داد كه فراگير و ماندني شد. در اين جدول به ابتكارات و نوآوريهاي جالبي به شرح زير دست زد:
۱- شك در درستي جرم اتمي برخي از عنصرها و ارزيابي دوباره آنها.
۲- توجه به اصل تشابه و مقدم شمردن بر جرم اتمي، به حكم ضرورت. بر همين اساس؛ مثلا با وجود اين كه جرم اتمي كبالت از نيكل بيشتر بود آن را پيش از نيكل قرار داد.

۳- خالي گذاشتن برخي از خانه‌هاي جدول، به منظور رعايت هر چه بيشتر اصل تشابه و پيش‌بيني وجود عنصرهاي ناشناخته.
۴- پيشگويي خواص عنصرهاي ناشناخته با توجه به خواص عنصرهاي مجاور و طبقه‌بندي سه تايي‌هاي دو بر اينر.
۵- تقسيم عنصرهاي هر ستون به دو گروه اصلي و فرعي (a و b) به منظور رعايت هر چه بيشتر اصل تشابه.

مثلا در سال ۱۸۶۹، مس، نقره و طلا را مانند فلزهاي قليايي در ستون اول قرار داده بود، اما كمي بعد، عنصرهاي اين ستون را به دو گروه اصلي a (فلزهاي قليايي) و فرعي b (مس، نقره و طلا) تقسيم كرد.
۶- تنظيم ده سطر جدول به صورت پنج دوره، به ترتيبي كه دوره‌هاي اول و دوم شامل يك سطر و هر يك از دوره‌هاي سوم به بعد، شامل دو سطر باشد.
۷- توجه به اين كه ۹ عنصر: آهن، كبالت، نيكل، روتنيم، رديم، پالاديم، اسميم، ايريديم و پلاتين، خواص نسبتاً مشابهي با يكديگر داشته و با عنصرهاي اصلي و يا فرعي گروههاي ديگر شباهتي ندارند و براي رعايت هر چه بيشتر اصل تشابه، اين عنصرها را در سه سري سه تايي در ستون جداگانه‌اي قرار داد. به عبارت ديگر. به گروههاي هفت گانه جدول پيشين خود، گروه ديگري (گروه VIII) را اضافه كرد.

در زمان تنظيم جدول تناوبي، هنوز گازهاي كمياب كشف نشده بود. از اين رو، در متن جدول اصلي مندليف، جايي براي اين عنصرها پيش‌بيني نشد. اما با توجه به نبوغ مندليف در تنظيم جدول تناوبي، اين امر اشكالي به وجود نياورده بود. به طوري كه هنگامي رامسي و رايلي در سال ۱۸۹۴ گاز

آرگون را كشف كردند و تا سال ۱۹۰۸ گازهاي كمياب ديگر نيز كشف شد، از آنجا كه اين عنصرها فعاليت شيميايي نداشته، به بيان ديگر، ظرفيت شميايي آنها برابر صفر در نظر گرفته شده بود آنها را پيش از فلزهاي قليايي در ستون جداگانه‌اي به نام گروه صفر قرار داد البته بعدها، پس از كشف ساختار اتم و با توجه به آرايش الكتروني اتمها، آنها را به آخر جدول منتقل كردند.

در سال ۱۹۱۳ يعني در همان سالي كه بور دانشمند دانماركي نظريه اتمي خود را منتشر كرده بود، موزلي دانشمند انگليسي، با استفاده از دستگاه طيف سنجي كه توسط براگ (Bragg) اختراع شده بود، طيف پرتوهاي X تعداد زيادي از عنصرها (از آلومينيوم تا نقره) را با دقت مورد بررسي قرار داد و دريافت كه از انواع ديگر طيفها (مثلا طيف اتمي و طيف مولكولي) ساده‌تر است و همان‌طور كه باركلا و سدلر، نظر داده بودند، شامل دوسري متمايز از خطوط (سري K و سري L) مي‌باشند.
با عسكبرداري از طيف پرتوهاي X عناصر، ظاهر كردن عكسها و بررسي خطوط هر سري و تعيين طول موج و موقعيت آنها، مشاهده كرد كه وضع كلي اين خطوط براي همه عنصرها يكسان است. فقط در هر سري، از عنصري به عنصر ديگر، هر خط طيفي معين، به اندازه مشخص جابه‌جا مي‌شود.
موزلي با تكرار آزمايشها و انجام محاسبه‌ها، به اين نتيجه رسيد كه بين عدد اتمي عنصرها و طول موج (و يا فركانس) تابشي هر خط طيفي پرتوهاي X آن عنصر را به وجود مي‌آورد، رابطه مشخصي

وجود دارد. با بررسيهاي دقيقتر، دريافت كه جذر فركانس هر خط طيفي از هر عنصر، تابعي خطي از عدد اتمي آن است. براساس اين ارتباط و با استفاده از نظريه اتمي بور كه در آن زمان منتشر شده بود. موزلي ثابت كرد كه شماره خانه هر عنصر در جدول تناوبي همان تعداد پروتونهاي هسته اتم آن عنصر است. به بيان ديگر، عدد اتمي را نه به مفهوم شماره خانه عنصر در جدول، بلكه به مفهوم امروزي آن كشف كرد و نشان داد كه تغييرات خواص عنصرها نسبت به عدد اتمي از نظم بيشتري برخوردار است تا جرم اتمي آنها