جدول دوري العناصر
كان أرسطو عام 330 ق م يعتبر العناصر أربعة عناصر، هي الأرض والهواء والنار والماء. وفي عام 1770 صنف لافوازييه 33 عنصر. وفرق بين الفلزات (المعادن ) واللافلزات. وفي عام 1828 صنع جدولا للعناصر وأوزانها الذرية ووضع للعناصر رموزها الكيماوية . وفي عام 1829 وضع دوبرينر ثلاثة جداول بها ثلاثة مجموعات كل مجموعة تضم 3 عناصر متشابهة الخواص . المجموعة الأولي تضم الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم والثانية تضم الكالسيوم والإسترونشيوم والباريوم. والثالثة تضم الكلورين والبرومين واليود. وفي عام 1864 رتب جون نيولاندز John Newlands 60 عنصرا حسب الأوزان الذرية ووجد تشابها مابين العنصر الأول والعنصر التاسع والعنصر الثاني والعنصر العاشر إلي آخره من الترتيب . فاقترح قانون أوكتاف the Law of Octaves' .وكان ديمتري مندليف Dmitri Mendeleev - عالم كيميائي روسي ولد بمدينة توبولسك بسيبريا عام 1834 - عرف بانه أبو الجدول الدوري للعناصر the periodic table of the elements .وهذا الجدول له أهميته لدراسة الكيمياء وفهم وتبسيط التفاعلات الكيميائية حتي المعقدة منها . ولم يكن مندليف قد رتب الجدول الدوري للعناصر فقط ، بل كتب مجلدين بعنوان مباديء الكيمياء Principles of Chemistry. مات 20 يناير 1907 .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
جدول مندليف
مقالة مفصلة: جدول مندليف
كان مندليف قد حاول تصنيف العناصر من خلال ملاحظاته ان بعض العناصر لها خاصية كيميائية وفيزيائية متشابهة. وهذا التشابه اعتبره مندليف المفتاح للكشف عن النماذج الخفية في العناصر. فبدأ بكتابة بطاقات عليها العناصر والحقائق الثابتة والمعروفة عنها. وجعل لكل عنصر بطاقة دون عليها درجة الإنصهار والكثافة واللون والوزن الذري لذرة كل عنصر والقوة الترابطية له. وعدد الروابط التي يستطيع العنصر تكوينها . ولما فرغ مندليف من تدوين البطاقات حاول تصنيفها بعدة طرق . واخيرا لاحظ أن ثمة نماذج بدت له من خلال ترتيب هذه العناصر حسب الزيادة في الكتلة الذرية atomic mass أو الوزن الذري . فلاحظ أن القوة الترابطية the bonding power للعناصر من الليثيوم lithium حتي الفلور fluorine تغيرت بطريقة مرتبة . فمثلا بعد الفلورين fluorine نجد العنصر الأثقل الصوديوم الذي له نفس القوة الترابطية كالليثيوم . لهذا رتب مندليف بطاقة الصوديوم تحت بطاقة الليثيوم . وهذا معناه في جدول مندليف أن العنصر له نفس الخاصية كالعنصر الذي فوقه أو العنصر الذي تحته .ورغم هذا لم يكن جدول مندليف كاملا او دقيقا . لأن ترتيب العناصر به حسب تزايد الكتلة( الوزن ) الذرية atomic mass لكل عنصر ، خلف 3 فراغات بجدوله و وقال مندليف أن هذه الفراغات ستملآ بعناصر لم تكتشف بعد . ومن خلال موقعها في جدوله استطاع أن يبين خواصها . ونشر جدول مندليف عام 1869م. ومعني كلمة دوري "periodic" أن أنماطا من خواص العناصر متكررة في كل صف. وبعد 16 سنة من نشر جدول مندليف استطاع الكيميائيون اكتشاف العناصر الثلاثة المفقودة من الجدول وهي اسكانيديوم scandium وجاليوم gallium وجرمانيوم germanium .وكانت خواصها تشبه ما ذكره مندليف عنها . فالجدول الدوري نجده جدولا للعناصر الكيماوية مرتبة لتبين خواصها الكيمائية والفيزيائية . غير ان عناصر كالكلورين والحديد والنحاس مواد كيماوية اساسية لاتتكسر بالتفاعلات الكيماوية .عكس المركبات الكيماوية التي تتكون من عدة عناصر . فالجدول الدوري وسيلة لترتيب العناصر المعروفة حتي العناصر التي لم تكتشف بعد . حقيقة العناصر المتشابهة في الخواص توضع في نفس المجموعة بالجدول الدوري . لكن لعدة سنوات لم يحل لغز هذا التشابه في هذا السلوك الصفاتي.
النظرية الذرية
حتي نهاية القرن 19كانت الذرة تعتبر ككرة صلبة صغيرة . عندما اكتشف طومسون الإلكترون عام 1897 .فلقد كان العلماء بعرفون أن التيار الكهربائي لو مر في أنبوبة مفرغة, فيمكن رؤية تيارا نت مادة تتوهج . ولم يكن يعرف لها تفسيرا . فلاحظ طومسون أن التبار المتوهج الغامض يتجه للوح الكهربائي الموجب .فوجد أن التيار المتوعج مكون من جسيمات صغيرة وأجزاء من الذرات تحمل شحنات سالبة سميت بالإلكترونات . وكان ايوجين جولدشتين عام 1886 أن الذرات بها شحنات موجبة . وفي سنة 1911 كانت النظرية الذرية لرزرفوردعندما قال أن الذرة تتكون من قلب مكثف له شخنة موجبة من البروتونات protons حوله طوق من الإلكترونات السالبة تدور حول النواة .وفي سنة 1932اكتشف جيمس كادويك نوعا ثالثا من جسيمات الذرة أطلق عليه نيترونات. Neutrons . وأن النيوترونات تققل تنافر البروتونى التشابعى الشحنة الكهربائيى بالنواة المتماسكة . والنترونات حجمها نفي حجم البروتونات بالنواة . والنتلاونات ىلاتحمل شحنات كهروبائية لأنها. متعادلة الشحنات .والذرة متعادلة الشحنة لأن عدد البروتونات الموجبة يعادل عدد الإلكترونات السالبة داخل الذرة . وأصغر ذرة ذرة الهيدروجين . ومعظم الفراغ بالذرة فارغ . لأن الإلكترونات تدور قي مدارات بعيدة نسبيا من النواة . وكل عنصر من العناصر المختلفة تتميز عن غبرها من العناصر بعدد ثابت من البروتوناتز ولكل ذرة عتصر ما ، وزنها الذري الذي يعين حسب عدد البروتونات والنترونات بنواتها . ويجب أن نعرف أن حجم الذرة ضئيل جدا . فذرة الهيدروجين قطرها (5 x 10-8 mm). فلو وضعنا 20 مليون ذرة هيدروجين فتشكل جطا طوله واحد ملليمتر . وذرة الهيدروجين تتكون من بروتون واحد والكترون واحد . وذرة الهيليوم بها 2 بروتون يدور حولها 2الكترون. وبصفة عامة نجد أن كل ذرة لها قلب يسمي النواة a nucleus التي تشكل كتلة الذرة تقريبا ، الا أنها تشغل حيزا صغيرا من حجم الذرة نفسها .لأن معظم الذرة فراغ حول النواة . وبالنواة يوجد جسيمات أصغر هي البروتونات protons موجبة الشحنات والنيوترونات neutrons متعادلة الشحنات . ويدور بالفراغ حول النواة جسيمات خفبفة جدا تسمي الإلكترونات electrons .وكل عنصر بذرته عدد ثابت ومتشابه من البروتونات بالنواة . فعنصر الكسجين بنواته 8 بروتونات . والنترونات لاتجمل شحنات كهروبائية. وليس بالضرورة ذرة كل عنصر تجمل عددا ثابتا من البروتونات. فلو ذرات عنرا ما تحمل عددا مختلفا من الروتونات يطلق عليها نظائر مشعة isotopes من العنصر الواحد . والإلكترونات جسبمات سلبية الكهربائية ندور في الفراغ حول النواة . وكتلة الإلكترون تعادل 1/2000 كتلة البروتون او النيترون . والتفاعل أو الإتحاد بين ذرات العناصر تتم بين ترابط الإلكترونات لتكوين الجزيئات أو المركبات الكيماوية. لهذا نجد العدد الذري لكل ذرة يدل علي عدد البروتونات بنواة ذرة العنصر .فالأكسجين عدده الذري 8 . وهذا معناه أن ذرة الأكسجين تتكون من 8 بروتونات والرقم الذري للنحاس 29 وهذا معناه أن ذرة عنصر النحاس نواتها بها29 بروتون . وكتلة الذرة نجدها مجموع عدد البروتونات والنترونات بالنواة . لأن 99,99% من كتلة الذرة في النواة . فأمكن التعرف من خلال التعرف علي مكنونات الذرة علي تفسيرات للنماذج المتكررة بالجدول الدوري . فوجد العلماء أن العناصر في مجموعة واحدة من الجدول تمتلك نفس العدد من الإلكترونات الخارجية بمدارات الذرة .وكانت الجسيمات لم تكن قد أكتشفت عندما وضع العلماء الجداول الدورية الأولي . وحدسثنا السابق كان حول الذرة المتعادلة الشحنات كهربائيا .لكن في الحقيقة الذرات يمكنها فقدان أو اكتساب الكتلاونات سالبة . لكن عدد البروتونات لاتتغير بالنواة . فلو اكتسبت الذرة الكترونات تصبح الذرة سالبة الشحنة لأن عدد الإلكتلاونات تزيد علي عدد البروتونات بالنواة ..ولو فقدت الذرة الكترونات تصبح الذرة موجبة الشحنة لأن عدد البروتوناتبالنواة يزيد علي عدد الإلكترونات . وكل ذرة لها شجنة تسمي ايون an ion فالهيدروجين الموجب الشجنة يسمي ايون الهيدروجين الموجب وتوضع فوق رمزه علامة (+ ) ويكتب هكذا H+ ولو كان أيون ذرة الهيدروجين سالب الشحنة يكتب هكذا( H- ) ولو كانت الذرة متعادلة تكتب بدون علامة( + أو - ) وتكتب الذرة هكذا(H ).وفي الحالات الثلاثة للذرة نجد أن العدد الذري والوزن الذري ثابت . وفي النظائر isotopes للعنصر نجد أن عدد البروتونات تتغير حسب نظير العنصر . لهذا نجد أن نظير العنصر يتغير في الوزن الذري الذي هو مجموع عدد البروتونات والنترونات ، وليس في العدد الذري الذي هو عدد البروتونا ت. فالنظير لعنصر نجده ثابت في العدد الذري ومختلف في الوزن الذري .فالهيدروجين عدده الذري 1 ووزنه الذري 1 والديوتريوم Deuterium نظير الهيدروجين نجد عدده الذري 1 ووزنه الذري 2 .
الجداول الحديثة
تحمل نفس المعلومات التي وضعها مندليف في جدوله . ففي هذه الجداول الحديثة وضعت العناصر التي تتشابه في خواصها علي شكل أعمدة طولية يطلق عليها مجموعات groups أو عائلات families. وعددها 18 مجموعة . فالمجموعة 1 بالجدول تضم معادن لينة كلها تتفاعل مع الماء بشدة لتعطي غاز الهيدروجين . لهذ نجد العناصر في الجدول الدوري الحديث مرتبة من اليسار لليمين ومن أعلي لأسفل في نظام تزايد العدد الذري للعناصر ( العدد الذري هو عدد البروتونات في نواة الذرة ) .و يوجد بالجدول أكثر من 90 عنصر طبيعيي فوق الأرض و عناصر صناعية ابتكرات .وهذه العناصر المضافة أعدادها الذرية الأكبر بالجدول . لأنها حضرت من خلال التجارب والتفاعلات النووية . وأحدث عنصر حضر, به 116 بروتون في نواة كل ذرة . هذه العناصر الصناعية لم يطلق عليها أسماء رسمبة حتي الآن . فالنظام المتبع, الترتيب حسب العدد الذري للعناصر . لكن الترتيب العمودي الذي يسمي بالمجموعات رتب حسب الخواص الكيماوية والخواص الطبيعية للعناصر, وعدد الإلكترونات في المدارات الخارجية حول النواة بذرة العنصر . ووضع العناصر في مجموعات بالجدول الدوري لم تكن واضحة المعالم . فبعض العلماء لم يوافقوا علي اختلافات بسيطة من بينها الهيدروجين Hydrogen والهليوم Helium . فالهيليوم He غاز خامل لايتفاعل مع بقية العناصر . وقد وضع في المجموعة 18 التي تضم الغازات النبيلة A noble gas. وتضم أيضا النيون neon والآرجون argon والكريبتون krypton ، وكلهم غازات خاملة . لكن العلماء الذين يرتبون العناصر حسب عدد الإلكترونات في المدار الخارجي للذرات, يضعون الهليوم مع الماغنيسيوم magnesium والكالسيوم calcium والباريوم barium في المجموعة 2 التي يطلق عليها المعادن الأرضية القلوية the alkaline earth metals التي معادنها بذراتها 2 الكترون في مدارها الخارجي . والجدول الدوري نشر في أشكال وأحجام عدة لكن اكثر الجداول الحديثة المستعملة تبدأ بالمجموعة (العمود) 1حيث توجد المعادن علي اليسار ويليها المجموعة 2 معادن الأرض القلوية alkaline earth metals.وهاتان المجموعتان تليهما صفوف تتكون من عشرة أعمدة بها 40 عنصر وكل عمود به 4 عناصر . وهذه المجموعات العشر يطلق عليها المعادن الإنتقالية the transition metals وهي المجموعات من رقم 3 – 12 . والمجموعات من 13- 18في الجانب الأيمن من المجموعة يوجد خط فاصل فوقه اللامعادن nonmetals كالأكسجين oxygen والكربون carbon والنيتروجين nitrogen وفي الجزء الأسفل علي اليسار يوجد القصدير tin والرصاص lead . بالإضافة لوجود مجموعتين مقسمتين لصفين . وتتكونان من 28 عنصر . كل صف به 14 عنصر . وهما باسفل الجدول الرئيسي .وهذه العناصر هي عناصر الأرض النادرة(Lanthanide, lanthanons, lanthanoids ) rare earth elements .لأن خواصها متشابهة .لدرجة يصعب علي الكيميائيين فصلهما عن بعض عندما يختلطان معا . والمفروض هذان الصفان يوضعان حسب العدد الذري بين المجموعتين 1و2 من جهة وكتلة المعادن الإنتقالية المكونة من المجموعات من 3-12 من جهة اخري ، للتقليل من حجم الجدول الدور ي . والعلماء يعتبرون الصفوف الأفقية بالجدول الدوري فترات periods تختلف في أطوالها من أعلي لأسفل الجدول .وهي تضم من أعلي لأسفل 2و8 و8 و18و18و32و32 عنصرا. وهذه الأرقام لها صلة بأقصي عدد من الإلكترونات التي يمكن أن توجد في مدار الذرة لأي عنصر في فترته . وكل فترة بالجدول ، بها العناصر غير متشابهة في الخواص عكس ما هو متبع في المجموعات بالأعمدة . والعناصر التي توجد في نفس المجموعة كالقلوبات. alkali والهالوجينات halogensنجد ان عدد الإلكترونات في المدار الخارجي لذراتها متساويا مع رقم المجموعة . ومجموعة العناصر بين مجموعة 2و مجموعة 3 المعادن الإنتقالية transition metals وهي متشابهة في تكوين مركبات ملونة .ولها تكافؤ مختلف وتستخدم كمواد محفزة catalysts . والعناصر من رقم 58 - 71 تعرف بالعناصر الأرضية النادرة lanthanides وحقيقة كل هذه العناصر ليست بالضرورة أن تكون نادرة في الأرض . لأن عنصر السيريوم أكثر وفرة من أي عنصر آخر واكثر 5 مرات وجودا من الرصاص . لكن كلها فضية وأكثر المعادن تفاعلا .
استعمالات الجدول
يعتبر الجدول الدوري للعناصر له أهميته لعلماء وطلاب الكيمياء لدراسة العناصر والخواص الكيماوية والفيزيائية ، وكيفية اختلافها بكل مجموعة به. فمن خلال الجدول يمكن الحدس بخواص عنصر ما ، وكيفية التفاعل مع عنصر آخر . فلو اراد دارس معرفة خواص عنصر كالفرانشيوم francium مثلا ، فيمكنه التعرف عليه من خلال خواص المجموعة 1 . فسيعرف أنه معدن لين يتفاعل بشدة مع الماء أكثر من العنصر الذي فوقه. ولو أراد معرفة مركبات التلليريم tellurium مع الهيدروجين hydrogen.فان العنصران سيكونان مركب H2Te لأن بقية العناصر في مجموعة التلليريم تكون مركبات مع الهيدروجين كالماء H2Oوكبريتيد الهيدروجين H2S و H2Se.وأخيرا كان تنظيم جدول مندليف يعتمد علي الوزن الذري في الترتيب التصاعدي والجدول الدوري الحديث يعتمد علي العدد الذري التصاعدي ولكل عنصر عدده الذري ولا يتكرر مع عنصر آخر . لأن العدد الذري هو عدد البروتونات في نواته . وأصبح لكل عنصر رمزه الكيماوي . فالكربون رمزه C والأكسجين رمزه O والكبريت رمزهS والهيدروجين رمزه Hوالكربون نجد ان عدده الذري 6ووزنه الذري حوالي 12 .
خواص العناصر
1-الفلزات (المعادن )Metals :
أ- خواصها الفيزيائية( الطبيعية ) : - اللمعان والبريق . - موصلة جيدة للحرارة والكهرباء . - كثافتها عالية . - درجة انصهارها عالية . - يمكن سحبها لأسلاك . - يمكن طرقها لألواح .
ب- خواصها الكيميائية : - تفقد ألكترونات بسهولة . - تتآكل بسرعة . فالجديد يصدأ والفضة تطوس .
2-اللافلزات (اللامعادن) Nonmetals :
أ- خواصها الفيزيائية( الطبيعية ) : صفاتها عكس المعادن - لاتلمع وبدون بريق. - رديئة التوصيل للحرارو والكهرباء ، - هشة تتهشم بسهولة . - لاتسحب لسلاك . - لاتطرق لألواح. - كثافتها قليلة . - درجة الإنصهار منخفضة .
ب- الخواص الكيماوية : - تميل لإكتساب الكترونات وحيث أن المعادن تميل لفقدان الكترونات واللامعادن تميل لإكتساب الكترونات . لهذا المعادن واللا معادن يميلان لتكوين مركبات منهما . وهذه المركبات يطلق عليها مركبات أيونية (متاينة) ionic compounds. وعندما يتحد اثنان أو أكثر من اللامعادن تكون مركبات متحدة الذرات a covalent compound.
3-أشباه الفلزات (المعادن) Metalloids : لها خواص المعادن واللامعادن
أ- خواصها الفيزيائية ( الطبيعية ): - صلبة - لامعة أو غير لامعة. - يمكن سحبها لأسلاك . - يمكن طرقها لألواح .
- توصل الحرارة والكهرباء لكن ليس بكفاءة المعادن .