علوم پایه فلسفه و تاریخ علم

ماجرای یک جدول متناوب؛ از حضور نور و کالری تا اشغال پاریس و مسکو!

tanavob - جدول تناوبی - مندلیف - علمنا
نوشته شده توسط تیم تحریریه علمنا

اکثر ما قطعا در مقطعی از زندگی لااقل برای پشت سر گذاشتن امتحانات شیمی هم که شده مجبور بوده ایم با جدولی به نام جدول مندلیف کلنجار برویم و از استثنائات و جزییات آن سر در بیاوریم. قوانین حاکم بر این جدول برای بعضی از ما سرشار از لذت بود و برای برخی دیگر پر از نفرت و زجر! به طور حتم گروه اندکی وجود داشته اند که یکی از راه های موجود در این دوگانه نفرت و عشق را انتخاب نکرده باشند و در طول دوران تحصیل قضاوت های خود را براساس این دو دیدگاه ابراز نکرده باشند.
اما موضوعی که در بین این عشق ها و نفرت ها خام و تا حدودی کودکانه نمی توان نادیده گرفت، کار عظیم و انکار ناشدنی دانشمندان بزرگ تاریخ شیمی در گردآوری و تنظیم جدولی از عناصر موجود در طبیعت براساس نظامی قانونمند و استثنائاتی منطقی می باشد. جدولی که در طول تاریخ دسته بندی هایی متفاوت را تجربه کرده است و براساس علم روز و سلایق دانشمندان چینش های گوناگون را به خود دیده است. این نظم و دسته بندی ها باعث گشته تا شیمی دانان با استفاده از الگوریتم ایجاد شده به دنبال یافتن عناصر ناشناخته دیگر باشند و در طول زمان بر تعداد عناصر این جدول افزوده شود.
بهانه ای که سبب انتشار این یادداشت شده است نیز دستاورد جدید و کشف تازه دانشمندان این عرصه در یافتن چهار عنصر دیگر این جدول در خانه های ۱۱۳، ۱۱۵، ۱۱۷ و ۱۱۸ به نام های نیهونیوم (Nihonium)، مسکوویوم (Moscovium)، تنسین (Tennessine) و اگانسون (Oganesson) می باشد. عناصری که فرآیند کشف، تایید و نامگذاری آن ها بعضا سال ها طول کشیده است. حال قصد داریم به همین بهانه سیری بر روند تحولات و تکامل جدول تناوبی عناصر شیمیایی داشته باشیم.
اگر بخواهیم در مورد ”جدول تناوبی عنصرهای شیمیایی بگوییم” قاعدتا باید از تعریف عنصر آگاه باشیم. عنصر طبق یک تعریف کلاسیک و ساده که برای اولین بار در سال ۱۶۶۱ توسط شیمی دانان مطرح شد، ماده ای است که توسط سایر واکنش های شیمیایی به مواد دیگر تجزیه نشود. تعریفی که بنیان های علمی آن، تا سه قرن بعد ادامه داشت و هنوز هم در کلاس های ابتدایی شیمی مورد استفاده قرار می گیرد.
تا اواخر قرن هیجدهم دانشمندان تنها موفق به کشف ۳۳ عنصر مختلف شده بودند. اما همین تعداد از عناصر نیز لزوم وجود یک دسته بندی و مرتب سازی علمی را از بین نمی برد. به همین منظور لاوازیه در سال ۱۷۸۹ اولین دسته بندی را بر اساس عناصر گازی، فلزی، غیرفلزی و خاکی ارائه کرد. این دسته بندی اولین گام در راستای جدول امروزی عناصر بوده است. لیست تهیه شده توسط ”لاوازیه” شامل عناصری همچون نیتروژن، هیدروژن، فسفر، روی و جیوه هم میشد. اما نکته جالب در مورد این دسته بندی قرار دادن” نور” و ”کالری” در بین عناصر شناخته شده بود! رویدادی که نشان می داد لاوازیه دیدی بلندتر و نگاهی ژرف تر نسبت به دانشمندان زمان خود داشته است و سعی کرده سطح آگاهی و مفاهیم علمی را یک گام به پیش ببرد. هرچند که اکنون نه از آن جدول چیزی باقی مانده است و نه نور و کالری در دسته عناصر قرار می گیرند!
این تلاش ها ادامه داشت تا اینکه در سال ۱۸۲۹ دسته بندی تازه تری توسط ”یوهان ولفگنگ دوبراینر” به عنوان دسته بندی سه تایی (Triad) ارائه شد. دوبراینر سعی کرد در این دسته بندی سه عنصری که رفتاری مشابه یکدیگر دارند را در کنار هم آورده و گروه هایی سه تایی از عناصر تشکیل دهد. به عنوان مثال وی سه عنصر لیتیم، سدیم و پتاسیم را در دسته فلزات نرم قرارداد. همچنین با این روش کلر، برم و ید نیز در یک دسته قرارمی گرفتند. این سبک دسته بندی که در آن سعی میشد تا میانگین اعداد سه عنصر برابر عدد اتمی عنصر میانی باشد تا مدت ها در بین دانشمندان پذیرفته شده بود. به طوری که ”لئوپولد گملین” توانست تا اواسط دهه چهل قرن نوزدهم ده دسته سه تایی، سه دسته چهارتایی و یک دسته پنج تایی را کشف و طبقه بندی نماید.
هرچند این تلاش ها و استفاده از این نوع دسته بندی تا حدود سه دهه دیگر ادامه پیدا کرد و در سال ۱۸۶۹، مجموعا ۶۳ عنصر دیگر کشف شده بود؛ اما کماکان کسی نتوانسته بود به این موفقیت دست یابد که جدولی مدون و اصولی برای مرتب سازی عناصر کشف شده ارائه نماید. تا اینکه در سال ۱۸۶۲ زمین شناسی فرانسوی به نام ”الکساندر امیل بگویا دوشانکورتوآ” توانست نمونه ای اولیه از جدول عناصر طبیعی را تولید نماید. نکته جالب این است که در تاریخ علم شیمی برای اولین بار یک زمین شناس توانست متوجه خاصیت تناوبی عناصر شده و آن ها را براساس افزایش عدد اتمی از کوچک به بزرگ بر روی محیط یک استوانه به نام ”مارپیچ خاکی”، مرتب نماید. هرچند تحقیقات وی در ادامه بیشتر به حوزه های زمین شناسی نزدیک شد، اما دید اولیه و روشی که او برای این دسته بندی استفاده کرد در دهه های بعد مورد توجه و اقبال شیمی دانان قرار گرفت.
بعد از دوشانکورتوآ، دانشمندانی نظیر ”جولیوس لوتار میر” آلمانی و ”ویلیام آدلینگ” انگلیسی جداولی را براساس خواص دیگر عناصر و به ترتیب با ۴۴ و ۵۷ عنصر گوناگون تهیه دیدند؛ اما هیچ یک در آن زمان به سرانجام موفق و مطلوبی دست نیافتند.
در همان دهه، دانشمند انگلیسی دیگری به نام ”جان نیولندز” برای اولین بار پس از مرتب سازی عناصر کشف شده در زمان خود، به ترتیب عدد اتمی، متوجه شد که هر هشت عنصر که در یک ردیف قرار می گیرند خصوصیات مشابهی از خود نشان می دهند و پس از گذشت هر هشت عنصر، عنصر بعدی شباهت زیادی در موارد مختلفی شیمیایی با عنصر هشتم قبل خود دارد. او این روند یکنواخت را با هشتگان های موسیقی همنوا کرد و نام قانون هشتگان ها را برای روش خود برگزید. روشی که هرچند به خاطر نام و یا خصوصیات ذاتی انگلیسی ها(!) از سوی دانشمندان آن زمان مورد تمسخر قرار گرفت اما با پیگیری الگوریتم کشف شده توسط خود نیولندز منجر به پیش بینی عنصر ژرمانیم شد و در دهه های بعد نیز درستی روند اجرای آن توسط سایر دانشمندان صحه گذاری گردید.
سرانجام تاریخ شیمی به نقطه ای از پیشرفت خود رسید که پایه بسیاری از تحولات آینده آن شکل گرفت. در سال ۱۸۶۹ ”دیمیتری مندلیف”، استاد سرشناس روس، نخستین نسخه از جدول تناوبی عناصر به شکل و فرم امروزی را با استفاده از عناصر موجود در آن زمان تهیه کرد. ابداعی که یک سال بعد توسط دیگر دانشمند شیمی سرشناس آن عصر یعنی ژولیوس لوتار میر آلمانی صورت گرفت، اما هم به علت فاصله زمانی ایجاد شده و هم ابداعات موجود در جدول مندلیف هرگز به شهرت و آوازه این دانشمند روس دست نیافت.
مندلیف در جدول پیشنهادی خود دو مشخصه بارز را در نظر گرفته بود. اول اینکه مکان بسیاری از عناصر را با توجه به روند و شیوه چینش خود خالی گذاشته بود. این اقدام او که از قبل توسط سایر فعالان این عرصه نیز انجام شده بود از آنجایی ارزشمند بود که او مکان دقیق این عناصر را با توجه به مدل خود حدس زده بود و فرضیات او سرمنشا پیش بینی ها و اکتشافات بسیاری برای سایر عناصر موجود در طبیعت شد. ویژگی دیگر جدول ابداعی مندلیف این بود که او گاهی ویژگی وزن اتمی را نادیده می گرفت و به جای آن، عنصرها را با توجه به ویژگی‌های شیمیایی جای‌گذاری می کرد. عنصرهایی مانند تلوریم و ید از این دست بودند. بعدها با پیشرفت علم معلوم شد که مندلیف نادانسته عنصرها را به ترتیب افزایش عدد اتمی و بار هسته مرتب کرده بود. اهمیت عدد اتمی در جای‌گذاری عنصرها در جدول تناوبی نادیده گرفته می‌شد تا این‌که وجود پروتون و نوترون در هسته و ویژگی‌های آن ها شناسایی شد.
او سعی کرد تا سال ۱۸۷۱ ویژگی های بیشتری از مواد کشف نشده اما پیش بینی شده در جدول را تخمین بزند و حتی با گذاشتن پسوند ”اکا” در ابتدای نام عناصر مشابه موجود در آن زمان روند نام گذاری آن ها را نیز آغاز نمود. خانه های خالی تعبیه شده در جدول به مرور زمان پرشدند و” اکاآلومینیم”، ”اکابور” و ”اکاسلیسیوم” به ترتیب ”گالیم”، ”اسکاندیم” و ”ژرمانیوم” نام گرفتند. هرچه این روند به جلو پیش می رفت دقت محاسبات مندلیف بیش از پیش آشکار میشد و دانشمندان به ارزش کار وی پی میبردند. با کشف آرگون در سال ۱۸۹۴ و همچنین گاز پرکاربرد هلیوم، ویلیام رمزی از این جدول استفاده نمود و عناصر ”نئون”، ”کریپتون” و ”گزنون” را که از قبل توسط مندلیف پیش بینی شده بودند کشف کرد. پس از این آکادمی های معتبر جهان به اشتباه سال های قبل خود و کم اهمیت پنداشتن این دستاورد، پی بردند و مندلیف را به عضویت خود درآوردند و این روند کشف عناصر پیش بینی شده توسط مندلیف تا سال های ۱۹۳۸ و ۱۹۳۹ و کشف ”آکتینیوم” و ”فرانسیوم” در این سال ها ادامه یافت.
اما جدول تناوبی پرکاربرد امروزی که ریشه در جدول طراحی شده مندلیف دارد، توسط یک شیمی دان آمریکایی به نام ”هوراس گرووز دمینگ” ایجاد شده است. او جدولی ۱۸ ستونی در سال ۱۹۲۸ در کشور آمریکا منتشر کرد که به عنوان منبعی استاندارد در محیط های علمی و تحصیلی این کشور مورد استفاده قرار می گرفت.
با افزایش دانش در زمینه علوم بین رشته ای فیزیک و شیمی و رشد اطلاعات نسبت به الکترون و نحوه جایگیری آن در اتم ها، جدول تناوبی عناصر تکامل بیشتری یافت و آکتینیدها و لانتانیدها نیز به این جدول اضافه شدند. این سیر تکاملی تا به امروز نیز ادامه داشته است و خبر تایید کشف چهار عنصر دیگر از این جدول در راستای همین تکامل محسوب می گردد.
هرچند در طول این سال ها سوالات زیادی در زمینه استثنائات و ایرادات جدول مندلیف ایجاد شده است و افرادی کماکان سعی داشته اند تا جدولی شسته و رفته تر در اختیار علاقه مندان به علم شیمی قرار دهند و حتی ”تئودور بنفی” جدول مارپیچ خود در اواسط قرن گذشته به دنیای علم عرضه کرد، اما هرگز هیچ یک از موارد یاد شده نتوانست از عمومیت و شمولیت استفاده از این جدول در مراکز علمی و آکادمیک جهان بکاهد. هنوز هم به عنوان اولین بنیان برای یادگیری علم شیمی، جدول مندلیف به عنوان بهترین گزینه مطرح می گردد و دانشمندان این عرصه سعی می کنند به جای اتلاف وقت برای جایگزین کردن جدولی دیگر به جای این جدول، اشکالات موجود در آن را رفع نمایند و به سوالات ایجاد شده در زمینه چینش و شناخت عناصر پس از پیشرفت علم در ده های اخیر پاسخ دهند.
با توضیحات ارائه شده باید از خاطره انگیز بودن این جدول در نگاه اول نیز سخن گفت. جدولی پر از عناصر مختلف که بعدها بر سر کشف و نام گذاری هر یک داستان های جذابی در دنیای علم رخ داده است. نگاهی اجمالی به این جدول نشان می دهد که چه دانشمندان بزرگی سعی در تکمیل این جدول داشته اند و بعضا نام خود را هم بر عنصری نهاده اند تا برای همیشه در تاریخ علم ماندگار شوند. جدولی که علاوه بر یدک کشیدن نام دانشمندان بزرگی همچون رادرفورد، انیشتین، بور، سیبورگ، نوبل، مندلیف و غیره به همراه عناصر خود، حتی نام شهرها، نماد های علمی و بعضا نجومی را هم در خود جای داده است. یکی از آخرین نمونه های آن هم عنصر مسکوویوم که برگرفته از پایتخت کشور روسیه، وطن مندلیف بزرگ، آن هم با حواشی زیاد برای نام گذاری، می باشد.
حال باید دید این جدول که اکنون به صورت کامل درآمده و تمامی خانه های خالی آن پس از سال ها تحقیق و تلاش پرشده است، به روند تکامل خود ادامه خواهد داد و دانشمندان می توانند سطری جدید برای این جدول شگفت انگیز ایجاد نمایند یا خیر!

درباره نویسنده

تیم تحریریه علمنا

دیدگاه شما چیست