پیدایش عناصر

[رزیتا]

پیدایش عناصر

تاریخچه عناصر شیمیایی

در یونان قدیم و در سده پنجم بیش از میلاد ، عده‌ای از فیلسوفان آب را مادة‌المواد پنداشته، گروهی هم آتش و عده ای هم هوا را منشاء همه اجسام در طبیعت می‌دانستند. در پایان سده پنجم پیش از میلاد ، "امپیدوکل" ، فرضیه پیشینیان خود را در یک فرضیه جمع‌آوری و به آن عنصر خاک را نیز اضافه کرد و فرضیه چهار عنصر شناخته گردید که هر کدام دارای یک خاصیت معین می‌باشند و این خواص قابل تبدیل به یکدیگرند.

"ارسطو" (384-322 پیش از میلاد) که نفوذ زیادی در سایر فلاسفه بعدی خود داشت، معتقد بود که تمام مواد از عناصری ساخته شده‌اند که این عناصر ، ازلی و قدیم‌اند، نه از عدم بوجود می‌آیند و نه معدوم می‌شوند و کمیت آنها در طبیعت تغییر ناپذیر است. به عقیده او ماده اولیه دارای چهار خاصیت است که دو به دو در برابر هم و به صورت زوج متضاد قرار گرفته‌اند. این چهار ماده عبارتند از: گرمی ، سردی ، خشکی و رطوبت. تفاوت مواد ، وابسته به مقدار ترکیبی آن از هر یک از این چهار عنصر و نسبت آنها می‌باشد. ترکیب دو زوج خاصیت توسط ارسطو ، او را سرانجام با امپیدوکل در مکتب چهار عنصر همراه ساخت که خاک ، آب ، آتش و هوا باشد.

در قرون وسطی ، کیمیاگران روشی را برای تشخیص عناصر ساده از اجسام پیچیده نداشتند و تنها چند فلز را می‌شناختند، مانند آرسنیک ، قلع و غیره. کیمیاگران سده‌های میانی ، شمار عناصر را برابر با 7 سیاره می‌دانستند: مس ، آهن ، نقره ، طلا ، قلع ، سرب ، گوگرد و جیوه. گوگرد را پدر عناصر و جیوه را مادر آنها می‌دانستند.

با پیشرفت دانش در سده‌های اخیر ، کم‌کم ماهیت عناصر روشن گردید، مواد گوناگون در دست تجزیه و ترکیب قرار گرفت و عناصر شیمیایی ، ابتدا بطور مجزا و جدا از هم مورد مطالعه قرار گرفتند و سپس بعدها پیوند و بستگی کامل آنها در جدول پریود ( جدول مندلیف ) منعکس گردید. با پیشرفت علم ، نحوه پیوستگی این جدول نیز کاملتر و دقیق‌تر شد که در ذیل به شرح آنها می‌پردازیم.
اولین طبقه بندی عناصر شیمیایی

در 1829 ، شیمیدان آلمانی "دوبراینر" ، نتیجه مطالعات خود را در طبقه‌بندی عناصر برحسب خواص شیمیایی مشابه آنها منتشر کرد و استنباط کرد که می‌توان عناصری را که دارای خواص مشابه هستند، به دسته‌های سه‌تایی تقسیم کرد که در این صورت وزن اتمی یکی از آنها معدل وزنهای اتمی دو تای دیگر است. مثلا وزن اتمی لیتیم ، سدیم و پتاسیم ، به‌ترتیب 7 ، 23 و 39 است. از روی وزن اتمی لیتیم و پتاسیم می‌توان وزن اتمی سدیم را به صورت زیر بدست آورد:

دوبراینر ، این گروهها را تریاد یا گروههای سه گانه نامید. لیکن در میان همه عناصری که در آن زمان شناخته شده بود، وی تنها به کشف چهار گروه سه گانه یا چهار تریاد موفق گردید.
مطالعات و بررسیهای انجام شده پیش از مندلیف

در سال 1862 ، "Dechancourtoi" ،‌ عناصر را به ترتیب وزن اتمی ، بوسیله نقاطی روی یک مارپیچ نمایش داد. بطوری‌که اختلاف اوزان اتمی برای دو نقطه که فاصله یک حلقه روی مارپیچ داشتند، 16 بود و سعی کرد که تشابه خواص یک گروه را از روی ارتباط هندسی بین نقاط مارپیچ نمایش دهد. مثلا کلر ، برم و ید ، بوسیله نقاط واقع در یک خط نمایش داده شدند؛ ولی متاسفانه کارش مورد توجه واقع نگردید.

در سال 1863 ، "نیولندز" ، دانشمند انگلیسی ، عناصر را به ترتیب افزایش وزن اتمی تنظیم کرد و بدین نکته پی برد که هر هشت عنصر از هر کجا که شروع می‌شود، مانند نت هشتم در موسیقی تقریبا خواص عنصر نخستین را تکرار می‌کند. این رابطه را قانون اکتاوها نامید. سه اکتاو نخستین نیولندز برای نشان دادن سیستم او در زیر آورده می‌شود:

ONCBBeLiH SPSiAlMgNaF FeMnTiCrCaKCl
این سیستم ، تناقضات زیادی را دربر داشت، لیکن بر پایه این فرضیه صحیح نهاده شده بود که خواص عناصر برحسب پریودی معین ، با افزایش وزن اتمی تغییر می‌کنند.

سال بعد ، "Lother- Mayer" جدول شامل بعضی عناصر شیمیایی که برحسب ظرفیت آنها به شش گروه تقسیم شده بود، منتشر کرد. Mayer با توجه به اینکه اختلاف میان وزن اتمی عناصر متوالی در هر گروه ، پایداری معینی را نشان می‌دهد، نوشته خود را بدین مضمون پایان داد: « شکی نیست که میان ارزش عددی و وزنهای اتمی رابطه معینی وجود دارد. » لیکن مایر نتیجه‌های قطعی‌تری درباره ماهیت و اهمیت این رابطه بدست نیاورد.

"مندلیف" (Dmitri Mandeleew) روی جدول تنظیمی خود 20 سال کار کرد تا توانست در سال 1868 آنرا عرضه کند و در مارس 1869 اولین گزارش مختصر خود راجع به قانون پریود به انجمن شیمی _ فیزیک پترزبورگ تقدیم داشت.
قانون تناوبی مندلیف

کشف مهم مندلیف که شاهکار تحقیقات علمی اوست، این بود که متوجه شد خواص قابل اندازه گیری عناصر با افزایش اوزان اتمی ترقی یا تنزل نمی‌کند، بلکه این تغییرات ، تناوب دارد و بطور متناوب گاهی صعودی و گاهی نزولی است. مندلیف برای اینکه عناصر مشابه را زیر یکدیگر قرار دهد، ناچار شد برای برخی عناصر کشف نشده در آن زمان ، در جدول خود جای خالی بگذارد و او توانست خواص سه عنصر ناشناخته را پیش بینی نماید.

با کشف گالیم در سال 1875 توسط "de.Bosibaudran" فرانسوی ، اسکاندیم توسط Larnilson سوئدی در سال 1879 و ژرمانیم توسط Clemenswinkler آلمانی در سال 1885 ، پیشگویی‌های مندلیف تائید گردید و سیستم تناوبی ، جایگاهی مناسب یافت. مندلیف وجود گازهای نجیب (Ra , Xe , Kr , Ar , Ne , He ) را پیش بینی نکرد، اما در هر حال پس از کشف این عناصر در سالهای 1898-1892 ، عناصر مزبور به سهولت در گروه خود در جدول جا داده شدند.

درست ماندن جدول تناوبی ایجاب می‌کرد که سه عنصر I , Ni , K در محلی غیر از آنکه ترتیب افزایش وزن اتمی حکم می‌کرد، قرار داده شوند. مثلا ید ، بر اساس وزن اتمی باید عنصر شماره 52 باشد، اما برای قرار گرفتن در گروه عناصر به لحاظ شیمیایی ، مشابه Br , Cl , F ، عنصر شماره 53 در نظر گرفته شد. مطالعه بعدی طبقه‌بندی تناوبی ، بسیاری از شیمیدانها را متقاعد ساخت که خاصیت بنیادی دیگر جز وزن اتمی موجب پیدایش خاصیت مشهود تناوبی است. پیشنهاد شد که این خاصیت بنیادی به نحوی با عدد اتمی مرتبط است.

شایان ذکر است که در زمان مندلیف ، تنها 62 عنصر شناخته شده بود و اوزان اتمی آنها با روشهای غیر دقیق تعیین گردیده بود و از خواص آنها اطلاعات کمتری در دست قرار داشت و در چنین شرایطی ، مندلیف توانست رابطه و تشابه بین گروهی از عناصر مختلف را درک کند.
قانون تناوبی موزلی

"هنری موزلی" Henry G.J.Mosley در سالهای 1913 و 1914 مشکل فوق را حل کرد؛ او توانست با بررسی طیف پرتو ایکس عناصر ، اهمیت عدد اتمی را نشان دهد و طیف پرتو ایکس سی و هشت عنصر را که اعداد اتمی آنها بین 13 (Al) و 79 (Au) بود، مورد بررسی قرار داد و دریافت که وقتی عناصر به ترتیب افزایش عدد اتمی مرتب شده باشند، ریشه دوم فرکانس خط طیفی از عنصری به عنصر دیگر همیشه به مقدار ثابتی افزایش می‌یابد.

بنابراین موزلی موفق شد که بر پایه طیف خطی پرتو ایکس هر عنصر ، عدد اتمی صحیح آن را تعیین کند و به این ترتیب توانست مشکل طبقه بندی عناصری را حل کند که بر اساس وزن اتمی در جای درست خود قرار نمی‌گرفتند. او همچنین ابراز داشت که بین 58Ce تا 71Lu باید چهارده عنصر وجود وجود داشته باشد و ثابت کرد که این عناصر باید در جدول تناوبی به دنبال لانتان قرار گیرند.

در آن زمان هنوز خانه‌های 43 ، 61 ، 72 ، 75 ، 85 و 87 خالی مانده بود و وجود عناصر احتمالی را که هنوز کشف نشده بود، نشان می‌داد. در سال 1922 ، Hafnium کشف شد که خانه 72 را اشغال کرد. سپس در سال 1925 خانه 75 توسط عنصر Rhenium پر گردید. درباره چهار عنصر باقیمانده باید گفت که با اظهار نظرهای چندی درباره کشف آنها هنوز دلیل قابل اطمینانی بر وجود این عناصر در طبیعت در دست نیست و هر چهار عنصر اخیرا بطور مصنوعی تهیه شده‌اند و این عناصر را Francium ، Astatine ، Promerhiam ، Technetium نامیدند.

سنجش رقمهای اتمی عناصر ، بوسیله طیف اشعه ایکس از نظر دیگر نیز بسیار اهمیت داشته است. این کار تعیین عدد کلی خانه‌ها را در جدول بین هیدروژن با عدد اتمی یک و اورانیوم با عدد اتمی 92 که در آن زمان آخرین عضو جدول تناوبی تصور می‌شد، ممکن ساخت و به این ترتیب جدول تناوبی تکامل یافت و با کشف عناصر جدید به تعداد عناصر شناخته شده افزوده گردید تا اینکه جدول تناوبی عناصر به صورت کنونی درآمده است.

طبقه بندی عناصر در جدول تناوبی

عناصر نماینده

این عناصر گروههای A جدول تناوبی را تشکیل می‌دهند و شامل فلزات و نافلزات هستند. خواص شیمیایی این عناصر بسیار متنوع است. بعضی از آنها دیامغناطیس و برخی دیگر پارامغناطیس هستند، ولی ترکیبات این عناصر معمولا دیامغناطیس و بی‌رنگ‌اند. در این عناصر الکترون متمایز کننده ، الکترون s یا p است که به روش بناگذاری به آخرین پوسته الکترونی افزوده می‌شود.
عناصر واسطه

این عناصر در گروههای B جدول تناوبی دیده می‌شود. تمام این عناصر فلز بوده ، بیشتر آنها پارامغناطیس‌اند و ترکیبات شدیدا رنگین و پارامغناطیس بوجود می‌آورند. در این عناصر الکترون متمایز کننده که به روش بناگذاری به عنصر پیشین اضافه می‌شود، الکترون d است و به پوسته ماقبل آخر افزوده می‌شود. در عناصر واسطه ، الکترونهای دو پوسته آخری در واکنشهای شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
عناصر واسطه داخلی

این عناصر در پایین جدول تناوبی دیده می‌شوند، اما در واقع باید در تناوبهای ششم و هفتم به دنبال عناصر گروه IIIB قرار گیرند. 14 عنصری که در تناوب ششم بعد از لانتان قرار دارند، سری لانتانیدها نامیده می‌شوند. در تناوب هفتم ، دسته‌ای که به دنبال اکتنیم قرار می‌گیرند، سری اکتینیدها خوانده شده‌اند. در این دسته از عناصر ، الکترونهای متمایز کننده از نوع f بوده ، در پوسته فرعی f واقع در پوسته زیر ماقبل آخر قرار می‌گیرند. تمام عناصر واسطه درونی ، فلز هستند. این عناصر پارامغناطیس‌اند و ترکیبات آنها نیز رنگین و پارامغناطیس می‌باشند.
گازهای نجیب

در جدول تناوبی ، گازهای نجیب در انتهای هر تناوب جای دارند. این عناصر گازهای بی‌رنگ ، تک اتمی ، دیامغناطیس و از نظر شیمیایی غیر فعال‌اند. بجز هلیم (که آرایش الکترونی

دارد) ، تمام گازهای نجیب آرایش الکترونی بیرونی

که نظمی بسیار پایدار است، دارند

[رزیتا]

آرایش الکترونی عناصر

آشنایی

آرایش الکترونی نحوه چنیش الکترونها را در لایه‌های اطراف هسته اتم نشان می‌دهد. کار را با اتم هیروژن که یک الکترون در اوربیتال 1s دارد، آغاز می‌کنیم. با افزودن یک الکترون ، آرایش الکترونی اتم عنصر بعدی He که 1s2 است بدست می‌آید. به این ترتیب از عنصری به عنصر بعدی می‌رویم تا به آرایش الکترونی اتم مورد نظر می‌رسیم. این روش در ابتدا از طرف ولفگانگ پاولی مطرح شد و به روش «بناگذاری» موسوم است.

الکترون متمایز کننده

الکترونی که در روش بناگذاری ، به آرایش الکترونی یک عنصر افزوده می‌شود تا عنصر بعدی بدست آید، الکترون متمایز کننده نامیده می‌شود. این الکترون آرایش الکترونی اتم یک عنصر را از اتم عنصر پیشین متمایز می‌کند. الکترون متمایز کننده در هر مرحله به اوربیتال خالی دارای کمترین انرژی افزوده می‌شود.


آرایش الکترونی صحیح عناصر

آرایش الکترونی صحیح عناصر به صورت زیر است:


... ، 1s ، 2s ، 2p ، 3s ، 3p ، 4s ، 3d ،4p ، 5s ، 4d ، 5p ، 6s ، 4f ، 5d ، 6p ، 7s ،5f ، 6d ، 7p.


انرژی لایه‌های فرعی

انرژی همه اوربیتالهای یک پوسته فرعی یکسان است. مثلا انرژی هر اوربیتال 3p برابر انرژی هر یک از دو اوربیتال 3p دیگر است. تمام پنج اوربیتال 3d نیز انرژی یکسان دارند. اما در یک پوسته اصلی ، پوسته‌های فرعی مختلف انرژی متفاوت دارند. برای هر مقدار n ، انرژی پوسته‌های فرعی به ترتیب s < p < d < f افزایش می‌یابند.

در پوسته n = 3 ، اوربیتال 3s کمترین انرژی ، اوربیتالهای 3p ، انرژی متوسط و اوربیتالهای 3d حداکثر انرژی را دارند. گاهی انرژی اوربیتالهای مربوط به پوسته‌های مختلف ، همپوشانی دارند. مثلا در بعضی از اتمها ، اوربیتال 4s ، کم انرژی‌تر از اوربیتال 3d است.


ترتیب قرار دادن اوربیتالها

ترتیب معینی برای قرار دادن متوالی اوربیتالها برحسب انرژی که برای تمام اتمها صدق می‌کند، وجود ندارد. در فرآیند فرضی بناگذاری ، خصلت اتم به موازات افزایش یافتن تعداد پروتون و نوترون در هسته و نیز اضافه شدن تعداد الکترونها تغییر می‌کند. خوشبختانه ، تغییرات ترتیب انرژی اوربیتالی از عنصری به عنصر بعد به تدریج و بطور منظم صورت می‌پذیرد. این ترتیب تنها برای موقعیتهای اوربیتالی که الکترون متمایز کننده در فرآیند بناگذاری در آن جا می‌گیرد صادق است.

به این ترتیب که از 1s شروع می‌کنیم و به تدریج اوربیتالهای بالاتر را پر می‌کنیم. باید توجه کنیم که در پوسته فرعی p سه اوربیتال ، در d پنج اوربیتال و در f هفت اوربیتال وجود دارد. هر پوسته فرعی را پیش از آنکه به پوسته بعدی الکترون داده شود، پر می‌کنیم.



جدول تناوبی و آرایش الکترونی

برای بدست آوردن آرایش الکترونی می‌توان جدول تناوبی را مورد استفاده قرار داد. نوع الکترون متمایز کننده به موقعیت عنصر در جدول تناوبی ارتباط داده می‌شود. توجه کنید که جدول را می‌توان به یک دسته «s» ، یک دسته «p» ، یک دسته «d» ، و یک دسته «f» تقسیم کرد. برای عناصر دسته «s» ، و دسته «p» ، عدد کوانتومی اصلی الکترون متمایز کننده ، مساوی شماره تناوب ، برای عناصر دسته «d» برابر با شماره تناوب منهای یک و برای عناصر دسته «f» مساوی با شماره تناوب منهای دو است.

• برای آنکه بتوانید بحث را برای بدست آوردن آرایش الکترونی تعقیب کنید، باید یک جدول تناوبی دم دست داشته باشید. به عنوان مثال ، اولین تناوب از دو عنصر تشکیل شده است، (هیدروژن و هلیوم) که هر دوی آنها ، از عناصر دسته «s» هستند. آرایش الکترونی هیدروژن 1s1 و از آن هلیوم 1s2 است.
• تناوب دوم با لیتیم (1s1 2s1) و بریلیم (1s2 2s2) آغاز می‌شود که در آنها الکترونها به اوربیتال 2s افزوده می‌شوند. در شش عنصری که این تناوب را تکمیل می‌کنند، یعنی بور (1s2 2s2 2p1) تا گاز نجیب نئون (1s2 2s2 2p6) الکترونها یک به یک به سه اوربیتال 2p افزوده می‌شوند.
• الگوی تناوب دوم در تناوب سوم نیز تکرار می‌شود. دو عنصر دسته «s» ، سدیم (1s2 2s2 2p6 3s1) و منیزیم (1s2 2s2 2p6 3s2) هستند. شش عنصر «دسته p» از آلومینیوم (1s2 2s2 2p6 3s2 3p1) تا گاز نجیب آرگون (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6) را در بر می‌گیرند.
• در بحث مربوط به آرایش الکترونی بقیه عناصر ، تنها اوربیتالهای بیرونی نشان داده خواهند شد.

[رزیتا]

عنصر شیمیایی




دید کلی

عناصر شیمیایی ، بر اساس خصوصیات شیمیایی و فیزیکی ، در گروههای مختلفی در جدول تناوبی طبقه‌بندی شده‌اند. در بین عناصر هر گروه نیز علاوه بر برخی تشابهات ، تفاوتهای عمده‌ای نیز وجود دارد.عناصر را با مشخصات گوناگونی طبقه‌بندی می‌کنند. یکی از آن مشخصات ، آرایش الکترونی می‌باشد. عناصر را می‌توان بر اساس آرایش الکترونی آنها به چهار گروه تقسیم کرد.


گازهای نجیب

در جدول تناوبی ، گازهای نجیب در انتهای هر دوره جای دارند. این عناصر گازهای بی‌رنگ ، از نظر شیمیایی غیر فعال و دیا مغناطیسی هستند. به استثنای هلیم ، تمام گازهای نجیب دارای آرایش الکترونی خارجی ns2 np6 هستند که آرایش‌های بسیار پایدارند.

عناصر نماینده

این عناصر ، گروه های A از جدول تناوبی را تشکیل می‌دهند و شامل فلزات و غیر فلزات هستند. خواص شیمیایی و فیزیکی این عناصر بسیار متنوع است. بعضی از آنها دیامغناطیس و بعضی دیگر پارامغناطیس هستند. ولی ترکیبات این عناصر معمولا دیامغناطیس و بی‌رنگ هستند. لایه های الکترونی تمام این عناصر یا کامل هستند و یا پایدارند به استثنای لایه‌های خارجی که الکترونهای آنها را می‌توان بعنوان الکترونهای اضافه شده در نظر گرفت.

این لایه خارجی را لایه والانس و الکترونهای آن را الکترونهای والانس می‌نامند. تعداد الکترونهای والانس هر اتم برابر شماره گروه آن اتم است. خواص شیمیایی این عناصر ، به تعداد الکترونهای والانس آنها بستگی دارد.


عناصر واسطه

عناصر واسطه ، گروههای B از جدول تناوبی را تشکیل می‌دهند. از ویژگیهای این عناصر ، درون سازی آنهاست. یعنی آخرین الکترونی که بر اساس روش آفبا به آنها اضافه می‌شود، یک الکترون d درونی است. الکترونهای دو لایه آخری عناصر واسطه در واکنشهای شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تمام این عناصر ، فلز بوده، بیشتر آنها پارامغناطیسی‌اند و ترکیبات شدیدا رنگین و پارامغناطیس تولید می‌کنند.


عناصر واسطه داخلی

این عناصر در پایین ، جدول تناوبی قرار دارند. یک سری از عناصر دوره ششم که بعد از لانتانیم قرار دارند، سری لانتانیدها نامیده می‌شود و نظیر این سری در دوره هفتم به سری آکتنیدها معروفند. آخرین الکترون اضافه شده به هر یک از این عناصر یک الکترون f است. چون این الکترون به سومین لایه از آخر اضافه می‌شود، بدین جهت ، سه لایه آخر این عناصر ممکن است در واکنشهای شیمیایی آنها دخالت کنند. تمام عناصر واسطه داخلی فلزند. این عناصر بطور کلی پارامغناطیس‌اند و ترکیبات آنها پارامغناطیس و بشدت رنگین هستند.