منو
 صفحه های تصادفی
انبوه خلق
ماه ربیع الاول
اسب بالدار «صورت فلکی»
جلوگیری از اسلام آوردن افراد
نام مادر امام مهدی علیه السلام
فیزیک لیزر
تلاش بیهوده در ذن
هر بار یک کار مهم انجام دهید
ریشه تعارض علم ودین
هرقل
 کاربر Online
325 کاربر online

ورود الکترون ها در اوربیتال ها و تشکیل جدول تناوبیI

تازه کردن چاپ
علوم طبیعت > شیمی
(cached)



این مطلب از بخش آموزش وب‌سایت المپیاد شیمی رشد،انتخاب شده که با فرمت pdf نیز در وب‌سایت المپیاد رشدموجود می‌باشد. برای مشاهده این موضوعات در وب‌سایت المپیاد، به آدرس فهرست مطالب شیمی مراجعه کنید. همچنین می‌توانید با کلیک اینجا‌ ، با ویژگی‌های بخش آموزش این وب‌سایت آشنا شوید.


مقدمه جدول تناوبی و ارتباط آن با آرایش الکترونی

اهمیت طبقه بندی خواص مواد


فرض کنید درصدد هستید که خواص فیزیکی- شیمیایی یکایک عناصر شناخته شده فعلی همراه با خواص ترکیبهای آنها را، بطور جداگانه، فهرست‌وار و در سطح ساده و غیر عمیقی مطالعه کنید. انجام این کار، مسلماً نیاز به چندین جلد کتاب ضخیم شیمی توصیفی دارد. در این کتابها نمی‌توان به آسانی روی علتها و اصول کلی و زیر بنایی خواص مطالعه کرد. اضافه بر این، نمی‌توان با مطالب آموخته شده فصل قبل، به طور مؤثری در پیش بینی خواص در فصل بعد استفاده نمود. بدین ترتیب می‌توان گفت که مطالعه شما بیشتر جنبه " مصرف علم‌" را داشته و کمتر می‌توانید " خلاق و خودکفا " باشید و از مجموعه‌هایی از اصول کلی برای توجیه خواص و یا " ساختن معلومات " جدید استفاده کنید.
حال بجاست که از شیوه دیگری در مطالعه و بررسی خواص استفاده شود. شیوه‌ای که بر مبنای طبقه‌بندی اطلاعات و کاربرد روش علمی و منطقی استوار است. بیایید مثالی بزنیم:
آزمایش نشان می‌دهد که فلز لیتیم به سختی با چاقو بریده شده و به آرامی با آب ترکیب می‌شود و می‌دهد.
فلز سدیمنسبتاً آسانتر بریده شده و با شدت بیشتری با آب ترکیب می‌شود و می‌دهد.
بالاخره فلز پتاسیم مانند پنیر نرم است و با شدت فوق‌العاده‌ای با آب ترکیب می‌شود و پدید می‌آورد.
بدین ترتیب حتی هر غیر شیمی دانی نیز می‌تواند پیش‌بینی کند که فلزهای هم خانواده آنها یعنی روبیدیم و سزیم از پنیر نرمتر بوده و با آب با شدت وحشتناکی ترکیب می‌شوند تا و تولید کنند!
این نوع مطالعه که بر مبنای مقایسه خواص و طبقه‌بندی آنها و سپس کشف نظامها استوار است، کار مطالعه، درک علتها و انجام پیشگوئیها را خیلی آسانتر می‌کند و حتی به فراگیر احساس شادمانی، رضایت و غرور دست می‌دهد که " بله! من هم می‌توانم مانند دانشمندان فکر کنم و خواص ناشناخته را پیشگویی کنم! و دیگر نیاز به این همه معلومات تحمیلی و به خاطر سپردن آنها را ندارم".


کلیات


طبقه‌بندی و تدوین جدول تناوبی عناصر، بدون تردید یکی از قدمهای مؤثر در راه پیشرفت دانش شیمی در مراحل آغازی رشد آن بود. بویژه، در پیشرفت شیمی عمومی تحول بوجود آورده بود. شاید در سایه اطلاعات وسیعی که امروزه به آنها دستـرسی داریـم، مشکلاتی که بر سـر راه دستیابی به کشف قانون تناوبی و تنظیم جدول طبقه‌بندی جامع و سیستماتیکی برای عناصر که تحولی در آموزش شیمی ایجاد کند، ممکن است، بر ما پوشیده باشد و به اهمیت چنین امر مهمی پی نبرده باشیم.
با توجه به اینکه طبقه‌بندی در هر زمینه‌ای، کار مطالعه و بررسی و دسترسی به آنچه را که موردنظر باشد، آسان می‌کند، دانشمندان نیز برای آسان شدن کار بررسی خواص عناصر و ترکیبات آنها که هر روز بر تعداد آنها افزوده و بررسی تک تک آنها امر مشکلی می‌نمود، به فکر طبقه بندی آنها افتاده بودند.
لاوازیه، دانشمند مشهور فرانسوی، اولین کسی بود که به طبقه‌بندی عناصر پرداخت. وی عناصر شناخته شده زمان خود را به دو دسته کلی تقسیم کرد. دسته‌ای از عناصر را که در ترکیب با اکسیژن، اسیدها را به وجود می‌آورند، عناصر غیر فلزی و دسته دیگر را که چنین خاصیتی ندارند، عناصر فلزی نامیده بود.
برزلیوس نیز براساس نظریه الکتروشیمیایی خود، در سال 1811 عناصر را به دو دسته کلی فلزات و غیر فلزات تقسیم کرد. وی عناصری را که ضمن الکترولیز الکترولیتها، در قطب مثبت بدست می‌آیند (یعنی به صورت یون منفی در الکترولیت وجود دارند) عناصر غیر فلزی و عناصری را که در قطب منفی بدست می‌آیند (یعنی به صورت یون مثبت در الکترولیت وجود دارند) عناصر فلزی نامیده بود.
دوبراینر، دانشمند آلمانی اولین کسی بود که تا حدی به ارتباط بین خواص عناصر و جرم اتمی آنها پی برد. زیرا وی دریافته بود که می‌توان عناصر را به صورت دسته‌های سه‌تایی طوری کنار یکدیگر قرار داد که جرم اتمی عنصر میانی، به طور تقریبی میانگین جرم اتمی دو عنصر طرفین باشد (از این‌رو،‌ این تقسیم‌بندی بنام طبقه‌بندی "سه تاییها" موسوم شد). در اینصورت، بسیاری از خواص دیگر عنصر میانی مانند جرم اتمی آن، میانگینی از خواص عناصر طرفین آن خواهد بود. مثلاً وی، سه عنصر لیتیم، سدیم و پتاسیم را به ترتیب زیر، به دنبال یکدیگر قرار داد:


و ملاحظه کرد که میانگین جرمهای اتمی لیتیم و پتاسیم برابر
است که تقریباً برابر جرم اتمی سدیم است.
همچنین در دسته هالوژنها ، جرم اتمی برم برابر است.
البته دوبراینر از تفسیر هرگونه رابطه مرموزی میان جرم اتمی و خواص عناصر و یا حتی رابطه این دسته‌های سه‌گانه با یکدیگر عاجز بود. بدیهی است که دانشمندان، اضافه بر جرمهای اتمی به انبوه خواص مربوط به عناصر و ترکیبات آنها رسیده بودند که نیاز به طبقه بندی داشت، از جمله این خواص، دماهای ذوب و جوش، وزن حجمی، رسانایی الکتریکی و حرارتی، سختی، ظرفیت شیمیایی، گرمای ویژه، گرمای ذوب و تبخیر و غیره بود.
پس از پی بردن به تعداد محدودی از این" خانواده‌های دوبراینری "، این مشکل نیز مطرح شد که چه سیستمی از طبقه‌بندی باید به کار برد تا هم روابط درونی عناصر در خانواده‌های سه عنصری محفوظ بماند و هم نوعی رابطه مشخص میان یک خانواده با خانواده دیگر دیده شود.
کوششهایی که از سالهای 1862 میلادی به بعد در مورد طبقه بندی عناصر صورت گرفته بود به مفهوم امروزی آن نزدیک بود. دوشان کورتوآ شیمیدان فرانسوی در سال 1862 برای عناصر شناخته شده زمان خود که تعداد آنها به 61 رسیده بود، طبقه‌بندی ویژه‌ای ارائه داد که به پیچ تلوری موسوم شده است. او برای تنظیم جدول خود، استوانه‌ای را در نظر گرفت و محیط آن را به 16 قسمت مساوی تقسیم کرده و از هر قسمت یک یال عبور داد و از محل تقاطع اولین یال با محیط قاعده، خطی با شیب معین (احتمالاً با زاویه) رسم کرد تا تعداد یالهای دیگر را یکی پس از دیگری مارپیچ‌وار قطع کند. آنگاه عناصر شناخته شده آن زمان را به ترتیب جرم اتمی در محل تقاطع یالها با این خط مارپیچی قرار داد و مشاهده کرد عناصری که بر روی یک یال قرار می‌گیرند (یعنی جرم اتمی آنها به اندازه 16 واحد و یا مضرب درستی از آن، با یکدیگر تفاوت دارد) خواص مشابهی با یکدیگر دارند.
ادلینگ شیمیدان انگلیسی در سال 1864 جدولی از عناصر شناخته شده زمان خود تنظیم کرد و با تجدید نظر و اصلاحاتی که در آن به عمل آورده بود آن را در سال 1865 در 5 ستون و 15 سطر تنظیم کرد. این جدول شباهت زیادی به جدولی داشت که مندلیف 4 سال بعد از آن یعنی در سال 1869 انتشار داده بود.
نیولندز شیمیدان انگلیسی نیز کوشیده بود تا ارتباطی بین خواص عناصر و جرم اتمی آنها پیدا کند. وی در سال 1865 دریافته بود که چنانچه عناصر به ترتیب صعودی جرم اتمی به دنبال یکدیگر قرار داده شوند، پس از هر 7 عنصر، خواص به طور تناوبی تکرار می‌شود. یعنی مثلاً مطابق جدول زیر عنصر هشتم با عنصر اول و عنصر نهم یا عنصر دوم، عنصر پانزدهم با عنصر اول و غیره، از نظر خواص شباهت دارد. وی تقریباً بطور همزمان با ادلینگ، جدول طبقه‌بندی خویش را انتشار داد که نسبت به جدول ادلینگ، شباهت بیشتری به جدولی داشت که مندلیف در سال 1869 ارائه داده بود.

7654321

البته این اظهارات نیولندز، با شک و تردید فراوان روبرو شد و حتی با تمسخر گفته شد که:
" چطور است که عناصر را برحسب حروف اولیه نام آنها ترتیب دهیم و به نوعی تکرار خواص و تناوب برسیم؟!"
ولی حقیقت انکار ناپذیر بود. خواص در تعدادی عناصر و ترکیبات آنها واقعاً تکرار می‌شوند و خانواده‌هایی از عناصر از قبیل فلزهای قلیایی، قلیایی خاکی و هالوژنها پدید می‌آورند. در عین حال نوعی تغییر تدریجی خواص در عناصر هر یک از خانواده‌ها دیده می‌شد.


کشف قانون تناوبی


در فاصله بین سالهای 1869 تا 1871 میلادی، لوتارمیر شیمیدان آلمانی، بررسیهای دقیقی در مورد خواص فیزیکی عناصر (مانند حجم اتمی، جرم حجمی، نقطه ذوب، نقطه جوش و ...) انجام داد و نمودار تغییرات آنها را نسبت به جرم اتمی رسم کرد و نشان داد که این خواص نسبت به جرم اتمی عناصر به طور تناوبی تکرار می‌شوند. برای نمونه،‌ چگونگی تغییرات حجم اتمی عناصر، نسبت به جرم اتمی را به صورتی که در شکل نشان داده شده است، بدست آورده بود. در همین فاصله، مندلیف شیمیدان مشهور روسی نیز با بررسیهای وسیعی که در مورد خواص عناصر و ترکیبات آنها، به ویژه ترکیبات دوتایی هیدروژندار و اکسیژندار آنها به عمل آورده بود، بدون اطلاع از کارهای لوتارمیر، دریافته بود که تغییرات خواص فیزیکی و شیمیایی عناصر نسبت به جرم اتمی آنها روندی تناوبی دارد. به علاوه، وی دریافت که فرمول اکسید عناصر با بالاترین ظرفیت آنها، نسبت به جرم اتمی به صورت تناوب زیر، تکرار می‌شود:
img/daneshnameh_up/3/30/mch0087a.jpg
بدین ترتیب لوتارمیر و مندلیف به کشف قانون مهمی در مورد تغییرات خواص عناصر دست یافته بودند که بنام « قانون تناوبی» در سال 1871 انتشار یافت. مفهوم این قانون را می‌توان چنین بیان داشت:
« خواص عناصر ، تابعی تناوبی از جرم اتمی آنهاست.»
قابل توجه است که لوتارمیر در سال 1869 جدولی مشابه جدول ادلینگ در زمینه طبقه‌بندی عناصر در 9 ستون تنظیم کرد و آن را در سال 1870 انتشار داد که به علت ایرادها و نارساییهایی که در بر داشت، مانند جدولهای طبقه‌بندی ادلینگ و نیولندز، مورد توجه و استقبال چندانی قرار نگرفت.
مندلیف برای تنظیم یک جدول طبقه بندی کامل و کارا به ابتکاراتی عالمانه، دست زد و نوآوریهایی به صورتهای زیر معمول داشت تا اینکه آن را به صورتی که در جدول زیر نشان داده شده و تقریباً همان صورت متداول امروزی جدول تناوبی است، در آورد.
img/daneshnameh_up/d/d9/mch0087b.jpg
این نوآوریها عبارت بودند از:
• شک کردن در درست بودن جرم اتمی برخی از عناصر و بررسی و اندازه‌گیری مجدد آنها.
• در نظر گرفتن تشابه عناصر، به صورت یک اصل در طبقه‌بندی آنها و مقدم شمردن آن بر ترتیب جرم اتمی عناصر. با توجه به همین اصل بود که مثلاً با وجود اینکه جرم اتمی کبالت از جرم اتمی نیکل بیشتر است، آن را قبل از نیکل در جدول قرار داد و نیز به منظور رعایت همین اصل بود که پس از اطمینان از درست بودن جرم اتمی عناصر شناخته شده تا آن زمان، برخی از خانه‌های جدول را خالی گذاشت (خانه‌های شماره 21، 31، 32، 43، 72، 75، 84، 85، ...) تا عناصر مشابه در یک ستون زیر یکدیگر قرار گیرند.
• پذیرفتن این واقعیت که عناصر شناخته شده تا آن زمان (درحدود 63 عنصر)،‌ تمام عناصر موجود در طبیعت را شامل نمی‌شوند، بلکه عناصر دیگری باید وجود داشته باشند که هنوز شناخته نشده‌اند. از این‌رو، وجـود عناصر ناشناخته را پیش‌بینی کرد، و حتی خـواص آنها را براساس طبقه‌بندی سه‌تائیهای دوبراینر، با توجه به خواص عناصر شناخته شده مجاور در جدول، پیشگویی کرده بود.
• تقسیم کردن عناصر هر ستون، به دو گروه اصلی و فرعی برای این که اصل تشابه هر چه بیشتر رعایت شود (البته امروزه، به جای نشانه‌های و از نشانه‌هایو استفاده می‌شود). مثلاً ابتدا لیتیم، سدیم، پتاسیم، مس، روبیدیم، نقره، سزیم و طلا را در یک ستون (ستون اول) قرار داده بود. اما با توجه به اینکه خواص مس، نقره و طلا به یکدیگر نزدیکتر و با عناصر دیگر این ستون تا اندازه‌ای تفاوت دارد، این سه عنصر را در سمت راست ستون اول (گروه ) و لیتیم، سدیم، پتاسیم، روبیدیم و سزیم را در سمت چپ این ستون (گروه ) قرار داد.
• تنظیم 12 سطر جدول، به صورت 7 دوره (یا تناوب) به ترتیبی که هر یک از دوره‌های اول، دوم و سوم فقط یک سطر ولی هر یک از دوره‌های دیگر دو سطر از جدول را شامل شوند. باید توجه داشت که در آن زمان دوره اول و دوره هفتم به صورت امروزی وجود نداشت و در حقیقت جدولی شامل پنج دوره بود و هر دوره با یک فلز قلیایی شروع و به یک عنصر هالوژن ختم می‌شد.
• با توجه به اینکه 9 عنصر خانواده آهن یعنی آهن، کبالت، نیکل، روتنیم، رادیم، پالادیم،‌ اسمیم،‌ ایریدیم و پلاتین، خواص نسبتاً نزدیکی به یکدیگر دارند. حتی سه عنصرآخری،‌ هم در خواص فیزیکی و هم در خواص شیمیایی شباهت بسیار زیادی با یکدیگر دارند و با عناصر اصلی یا فرعی ستونهای هفتگانه دیگر جدول تشابهی ندارند و نمی‌توان آنها را در هیچ یک از این گروهها جای داد. از این رو، ‌برای رعایت هر چه بیشتر اصل تشابه، ستون دیگری (ستون هشتم) به جدول طبقه‌بندی اضافه کرد و این عناصر را در سه دسته سه‌تایی به سطر دوم دوره‌های چهارم،‌ پنجم و ششم جدول در ستون جدید جای داد. چون جدولی که بدین ترتیب توسط مندلیف تنظیم شد، بر مبنای تغییرات تناوبی خواص عناصر طرح ریزی شده بود، به «جدول تناوبی عناصر» شهرت یافت.


کشف گازهای نجیب و تکمیل جدول تناوبی


می‌دانید که در زمان انتشار جدول تناوبی هنوز گازهای نجیب کشف نشده بودند. از این‌رو، مندلیف برای آنها در متن جدول تناوبی جایی پیش‌بینی نکرده بود ولی با توجه به نبوغی که وی در طرح و تنظیم جدول تناوبی به کار برده بود، این امر، در درستی نظم جدول تناوبی اشکالی بوجود نیاورده بود. زیرا وقتی که رامسی و رایله اولین گاز بی‌اثر یعنی آرگون را در سال 1894 کشف کردند و به تدریج گازهای هلیم در 1895 (توسط رامسی) نئون و کریپتون و زنون در سال 1898 (توسط رامسی و تراورس) و رادون در 1900 (توسط دورن) کشف شدند. با اطلاعات عملی آن زمان معلوم شده بود که این عناصر دارای میل ترکیبی نیستند و ظرفیت شیمیایی برابر صفر برای آنها در نظر گرفته شد. از این رو، اصولاً می‌بایست قبل از عناصر قلیایی در جدول قرار می‌گرفتند. بر این اساس، رامسی این عناصر را بنام عناصر گروه صفر در ستون جداگانه‌ای قبل از ستون فلزات قلیایی در ابتدای جدول جای داد. البته بعدها، پس از کشف ساختار اتم، با توجه به ساختار الکترونی عناصر، این گروه از عناصر را به آخر جدول منتقل کردند و در برخی از منابع آنها را به عنوان عناصر اصلی گروه هشتم و 9 عنصر ستون هشتم را عناصر فرعی این گروه ،‌ در نظر می‌گیرند.




اهمیت جدول تناوبی و نقش آن در پیشبرد دانش شیمی


تنظیم و انتشار جدول تناوبی عناصر تـوسط مندلیف، تحولی شگرف در مراحل آغازی رشـد شیمی نو (شیمی عمومی) بوجود آورد و موجبات رشد سریع آن را در بسیاری از زمینه‌ها، فراهم کرد. زیرا استفاده از این جدول نه تنها امر مطالعه و بررسی خواص عناصر و ترکیبات مختلف آنها را براساس تشابه خواص در گروهها، آسان کرد، بلکه به امر تصحیح جرم اتمی و یا تعیین دقیق آنها که در آن زمان یکی از مسایل علمی مهم روز بود، کمک زیادی کرد و نیز انگیزه‌ای برای پژوهش به ویژه در زمینه کشف عناصر ناشناخته و تعیین خواص آنها و گسترش دامنه تحقیقات در این زمینه را فراهم آورد. به خاطر اهمیت دو مورد اخیر، آنها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.


تصحیح جرم اتمی برخی از عناصر مانند بریلیم


در زمان انتشار جدول تناوبی، بریلیم را عنصری مشابه آلومینیم می‌پنداشتند. زیرا هیدروکسید آن مانند هیدروکسید آلومینیم ژلاتینی شکل و نامحلول در آب بود و با اسیدها و نیز با بازها واکنش می‌دهد. کربنات آن مانند کربنات آلومینیم در آب هیدرولیز می‌شود. فلز بریلیم نیز مانند آلومینیم با سود و پتاس، هیدروژن می‌دهد. از این رو، مثلاً ‌برای اکسید آن مانند اکسید آلومینیم، فرمولدر نظر می‌گرفتند. قابل توجه است که در آن زمان ترکیب فراری از بریلیم که بتوان به روش اندازه‌گیری چگالی بخار، جرم مولکولی آن و در نتیجه جرم اتمی بریلیم را معین کنند، هنوز شناخته نشده بود. چون بررسیهای تجربی نشان می‌داد که در اکسید بریلیم، در مقابل هر 9 گرم بریلیم 16 گرم اکسیژن وجود دارد، براساس فرمول پیشنهادی فوق و مطابق محاسبه زیر، جرم اتمی بریلیم را برابر 5/13 در نظر گرفته بودند:
اما با انتشار جدول تناوبی معلوم شد که این عنصر را باید مشابه فلزات قلیایی خاکی و برای اکسید آن فرمول را در نظر گرفت که براساس آن، جرم اتمی بریلیم باید برابر 9 باشد:
چندی بعد که ترکیبی نسبتاً فرار از بریلیم شناخته شد و با اندازه‌گیری چگالی بخار آن، محاسبه جرم مولکولی این ماده و در نتیجه جرم اتمی بریلیم امکانپذیر شد، معلوم شد که برای بریلیم باید جرم اتمی 01/9 را در نظر گرفت (جرم اتمی دقیق بریلیم 0122/9 است).


پیوند های خارجی

http://Olympiad.roshd.ir/chemistry/content/pdf/0145.pdf






تعداد بازدید ها: 8205


ارسال توضیح جدید
الزامی
big grin confused جالب cry eek evil فریاد اخم خبر lol عصبانی mr green خنثی سوال razz redface rolleyes غمگین smile surprised twisted چشمک arrow



از پیوند [http://www.foo.com] یا [http://www.foo.com|شرح] برای پیوندها.
برچسب های HTML در داخل توضیحات مجاز نیستند و تمام نوشته ها ی بین علامت های > و < حذف خواهند شد..