جدول تناوبی و آرایش الکترونی

مهم ترین ویژگی یک عنصر که باعث می شود آن عنصر خواص ویژه و منحصر به فردی داشته باشد, آرایش الکترونی آن عنصر است

● جدول تناوبی

مهم ترین ویژگی یک عنصر که باعث می‌شود آن عنصر خواص ویژه و منحصر به فردی داشته باشد، آرایش الکترونی آن عنصر است. در کتاب درسی با نحوه تعیین آرایش الکترونی عناصر آشنا شده اید. اما همان طور که می‌دانید آرایش الکترونی تعیین شده با این روش گاهی با آرایش الکترونی واقعی عنصر متفاوت است. با استفاده از این جدول تناوبی شما می‌توانید به سادگی آرایش الکترونی عنصر مورد نظر خود را پیدا کنید.

● عدد اتمی و قانون تناوبی

در اوایل سده نوزدهم مشابهتهای فیزیکی و شیمیایی بین عناصر، توجه شیمیدانها را به خود جلب کرده بود. در سالهای ۱۸۱۷ و ۱۸۲۹ یوهان دوبراینر( Johann W. Doebereiner )، مقالاتی منتشر کرد که در آنها خواص مجموعه هایی از عناصر را که او مجموعه های سه تایی می‌نامید مانند Ba - Sr - Ca , I - Br - Cl , K - Na - Li و S - Se - Te، مورد بررسی قرار داده بود. عناصر هر مجموعه دارای خواص مشابه اند و وزن اتمی عنصر وسطی در هر مجموعه، تقریبا میانگین اوزان اتمی دو عنصر دیگر است.

طی سالهای بعد، بسیاری از شیمیدانها، تلاشهایی برای طبقه بندی عناصر در گروههای دارای خواص مشابه به عمل آوردند. در سالهای ۱۸۶۶ - ۱۸۶۳، جان نیولندز ( John A. R. Newlands )، " قانون هشت تایی " خود را تنظیم و ارائه کرد. به گفته او، هرگاه عناصر را بر حسب افزایش اوزان اتمی به دنبال یکدیگر مرتب کنیم هشتمین عنصر با عنصر اول و نهمین عنصر با عنصر دوم ( الی آخر ) مشابه است. او این رابطه را با اکتاو در نتهای موسیقی، مشابه می‌دانست. متأسفانه روابط واقعی بین عناصر به سادگی پیشنهاد نیولندز در مورد نتهای موسیقی نیست. در زمانی که او کارش را ارائه داد، قیاس او مع الفارق به نظر می‌رسید و از سوی دیگر شیمیدانها جدی تلقی نشد، اما سالها بعد نیولندز برای این کار از انجمن سلطنتی موفق به دریافت نشان دیوی گردید.

طبقه بندی تناوبی نوین عناصر، از کار یولیوس لوتارمیر ( Julius Lothar Meyer )(۱۸۶۹) و به ویژه دمیتری مندلیف ( Dmitri Mandeleev ) (۱۸۶۹) نشأت می‌گیرد. مندلیف قانون تناوبی خود را به این صورت بیان کرد که: وقتی عناصر به ترتیب افزایش وزن اتمی مورد مطالعه قرار گیرند، شباهتهایی در خواص آنها به طور تناوبی ظاهر می‌شود. در جدول مندلیف عناصر به گونه ای زیر هم نوشته شده اند که عناصر مشابه موسوم به یک گروه زیر هم قرار می‌گیرند.

برای آنکه عناصر مشابه زیر یکدیگر قرار گیرند مندلیف ناچار شد که برای برخی عناصر کشف نشده در آن زمان، در جدول خود جای خالی بگذارد. براساس نظام پیشنهادی خود، او توانست خواص سه عنصر ناشناخته را پیش بینی کند. کشف بعدی عناصر اسکاندیم، گالیم و ژرمانیم و پی بردن به آنکه هر یک دارای خواصی مشابه با خواصی است که مندلیف پیشتر پیش بینی کرده بود، اعتبار نظام تناوبی را نشان داد. مندلیف وجود گازهای نجیب ( He, Ne, Ar, Kr, Xe و Ra ) را پیش بینی نکرد. اما در هر حال پس از کشف این عناصر در سالهای ۱۸۹۸ - ۱۸۹۲، عناصر مزبور به سهولت در گروه خود در جدول جا داده شدند. درست ماندن جدول تناوبی عناصر، ایجاب می‌کرد که سه عنصر I, Ni, K در محلی جز آنکه ترتیب افزایش وزن اتمی حکم می‌کرد، قرار داده شوند. مثلا ید، براساس وزن اتمی باید عنصر شماره ۵۲ باشد، اما برای قرار گرفتن در گروه عناصر به لحاظ شیمیایی، مشابه ( Br, Cl, F ) عنصر شماره ۵۳ در نظر گرفته شد. مطالعه بعدی طبقه بندی تناوبی، بسیاری از شیمیدانها را متقاعد ساخت که خاصیت بنیادی دیگری جز وزن اتمی موجب پیدایش خاصیت مشهود تناوبی است. پیشنهاد شد که این خاصیت بنیادی به نحوی با عدد اتمی، که در آن زمان تنها یک شماره ترتیب در جدول تناوبی بود، مرتبط است.

● قانون تناوبی موزلی

کار هنری موزلی( Henry G. J. Mosley ) در سالهای ۱۹۱۳ و ۱۹۱۴ این مسأله را حل کرد. وقتی پرتو پر انرژی کاتدی، روی یک هدف متمرکز شود، پرتو ایکس تولید می‌شود ( شکل روبرو ). طول موجهای تشکیل دهنده این تابش ایکس را می‌توان از هم جدا کرد و طیف خطی حاصل را روی یک صفحه عکاسی ثبت نمود. وقتی عناصر مختلف به عنوان هدف به کار برده شوند، طیفهای پرتو ایکس متفاوتی به دست می‌آید که هر طیف فقط از معدودی خط تشکیل شده است.

موزلی، طیف پرتو ایکس سی و هشت عنصر را که اعداد اتمی آنها بین ۱۳ ( آلومینیم ) و ۷۹ ( طلا ) بود، مورد بررسی قرار داد. او با مطالعه خطوط مشابه در طیفهای این عناصر دریافت که بین جذر فرکانس خط طیفی و عدد اتمی عنصر مربوط، یک رابطه خطی وجود دارد ( شکل پایین ). به عبارت دیگر 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. او به این ترتیب توانست مشکل طبقه بندی عناصری را حل کند که براساس وزن اتمی در جای درست خود قرار نمی گرفتند ( I, Ni, K ). او همچنین ابراز داشت که بین ۵۸Ce تا ۷۱Lu ( جدول تناوبی ) باید چهارده عنصر وجود داشته باشند و ثابت کرد که این عناصر باید در جدول تناوبی به دنبال لانتان قرار گیرند.

در آن زمان، نمودار موزلی نشان داد که باید چهار عنصر کشف نشده ( دارای اعداد اتمی ۴۳، ۶۱، ۷۲ و ۷۵ ) پیش از ۷۹Au وجود داشته باشند. بر پایه کار موزلی، قانون تناوبی بار دیگر تعریف شد که: خواص شیمیایی و فیزیکی عناصر تابع تناوبی عدد اتمی است.

اعداد اتمی موزلی با بار هسته ای که رادرفورد براساس آزمایشهای پراش ذرات محاسبه کرده بود، کم و بیش همسانی داشت. بنابراین، موزلی پیشنهاد کرد که عدد اتمی، Z، تعداد واحد بار مثبت هسته اتمی است. به گفته او: " در اتم، کمیتی بنیادی هست که از یک عنصر به عنصر بعدی به مقادیر منظمی افزایش می‌یابد. این کمیت تنها می‌تواند بار الکتریکی هسته مرکزی مثبت باشد ".

پرتو ایکس، تابشهای الکترومغناطیسی اند که طول موجهایی به مراتب کوتاهتر ( و در نتیجه فرکانس و انرژیهای به مراتب بیشتر ) از نور مرئی دارند. اعتقاد بر این است که طیف پرتو ایکس یک عنصر ناشی از نوعی انتقال الکترونی، درون اتمهای عنصر هدف است. در لامپ پرتو ایکس اشعه کاتدی الکترونهای لایه های داخلی اتم هدف را از جا می‌کنند. وقتی الکترونهای لایه های بیرونی تر، به جاهای خالی که به این ترتیب ایجاد شده اند سقوط می‌کنند پرتو ایکس به وجود می‌آید. از آنجا که انتقال الکترونی از تراز بالاتر به تراز پایین تر یک اتم متضمن رها شدن مقدار زیادی انرژی است فرکانس انرژی آزاد شده بالا و به تناسب طول موج آن کوتاه و ویژه پرتو ایکس است.

فرکانس تابشی آزاد شده از یک انتقال الکترونی به بار مثبت هسته اتم نیز بستگی دارد. مقدار انرژی آزاد شده مستقیما با مجذور بار هسته ای،۲ Z، متناسب است. هر چه بار هسته ای بیشتر باشد انرژی آزاد شده بیشتر و طول موج تابش نشر یافته کوتاهتر خواهد بود. مشاهدات موزلی بازتاب این رابطه است.

صادق بهداد