تاريخ الجدول الدوري: من الثلاثيات إلى اكتمال الدورة السابعة

الجدول الدوري المعلّق على جدار الفصل ليس اختراع شخص واحد. فقد أمضى الكيميائيون معظم القرن التاسع عشر في البحث عن نظام بين العناصر، وفسّرت فيزياء القرن العشرين سبب وجود هذا النظام، ولم تُملأ الفجوات الأخيرة في الصف السابع إلا في القرن الحادي والعشرين. ويتتبع هذا الدليل القصة عبر لحظاتها الحاسمة.

الخلفية: عناصر أكثر وأوزان ذرية أدق

في نهاية القرن الثامن عشر صاغ أنطوان لافوازييه الفكرة الحديثة للعنصر بوصفه مادة لا يمكن تفكيكها أكثر. وفي أوائل القرن التاسع عشر انتشرت النظرية الذرية لجون دالتون، وصار الكيميائيون يقبلون أن لكل عنصر وزنًا ذريًا مميزًا. وأضافت تقنيات جديدة، أولها التحليل الكهربائي ثم التحليل الطيفي، عناصر بوتيرة سريعة. وبحلول ستينيات القرن التاسع عشر كان أكثر من ستين عنصرًا معروفًا، وكان السؤال البديهي: كيف تُنظّم؟

كان المؤتمر الدولي للكيمياء المنعقد في كارلسروه عام 1860 خطوة مهمة. فقد ساعد على نشر نظام متسق للأوزان الذرية قائم على فرضية أفوغادرو، وعندئذ فقط أصبح صفّ العناصر وفق الوزن الذري عملًا ذا معنى.

ثلاثيات دوبراينر (1817–1829)

منذ نحو عام 1817 لاحظ الكيميائي الألماني يوهان فولفغانغ دوبراينر أنه حين تُجمع ثلاثة عناصر متشابهة كيميائيًا معًا، يكون الوزن الذري للعنصر الأوسط قريبًا من متوسط وزني الآخرين. وبحلول عام 1829 كان قد وصف عدة مجموعات من هذا النوع سمّاها الثلاثيات.

• الكالسيوم، السترونتيوم، الباريوم
• الكلور، البروم، اليود
• الليثيوم، الصوديوم، البوتاسيوم

فمتوسط الوزنين الذريين لليثيوم والبوتاسيوم مثلًا يقترب من وزن الصوديوم. ولم تشمل الثلاثيات كل العناصر، لكنها كانت أول إشارة واضحة إلى أن الخواص الكيميائية والأوزان الذرية مترابطة عدديًا. ولا تزال الثلاثيات الثلاث متجاورة في الجدول الحديث، في المجموعات 2 و17 و1.

نيولاندز وقانون الثُّمانيات (1864–1866)

ابتداءً من عام 1864 نشر الكيميائي الإنجليزي جون نيولاندز سلسلة من البحوث تُظهر أنه إذا رُتبت العناصر المعروفة وفق الوزن الذري، فإن الخواص المتشابهة تميل إلى الظهور مجددًا عند كل عنصر ثامن. وشبّه ذلك بالسلم الموسيقي، حيث تكرر النغمة الثامنة الأولى، وسمّاه قانون الثُّمانيات.

نجح النمط جيدًا مع العناصر الأخف، لكنه انهار بعد الكالسيوم. كما لم يترك نيولاندز مكانًا للعناصر غير المكتشفة، وأقحم أحيانًا عنصرين في موضع واحد. وحين عرض الفكرة على الجمعية الكيميائية في لندن عام 1866 كان الاستقبال فاترًا، ويُروى أن أحد الأعضاء سأل هل يكشف ترتيب العناصر أبجديًا عن نمط مماثل. وجاء الاعتراف بعد ذلك بزمن طويل، حين منحته الجمعية الملكية وسام ديفي عام 1887.

جدول مندلييف الدوري (1869)

في مارس 1869 نشر الكيميائي الروسي ديمتري مندلييف جدولًا رتّب العناصر وفق الوزن الذري مع وضع العناصر المتشابهة كيميائيًا في الأسرة نفسها. وفي الوقت نفسه تقريبًا أعدّ الكيميائي الألماني لوثار ماير جدولًا شبيهًا جدًا قائمًا على دورية الخواص الفيزيائية كالحجم الذري. ومنحت الجمعية الملكية الرجلين كليهما وسام ديفي عام 1882.

ميّز خياران جريئان جدول مندلييف.

1. ترك فجوات. حيث لم تتلاءم الخواص، رفض إقحام العنصر المعروف التالي في مكانه وترك خانة فارغة لعنصر لم يُكتشف بعد.
2. تنبأ بما سيملؤها. نحو عام 1870 وصف عدة عناصر مفقودة بالتفصيل، بما في ذلك أوزانها الذرية وكثافاتها وصيغ أكاسيدها.

وسمّى هذه العناصر المجهولة بالبادئة السنسكريتية «إيكا» ومعناها «واحد»، أي «موضع واحد بعد» عنصر معروف.

قصة الغاليوم أكثرها إثارة. فالقياس الأول لكثافة الغاليوم على يد لوكوك دي بوابودران لم يطابق تنبؤ مندلييف البالغ نحو 5.9 g/cm³. فاقترح مندلييف أن يعيد القياس، ومتى نُقّيت العينة أكثر جاءت النتيجة قريبة من القيمة المتنبأ بها. وطابق الجرمانيوم أيضًا الوزن الذري والكثافة وخواص الأكسيد المتوقعة مطابقة جيدة. ونجاحات كهذه حوّلت الجدول من نظام أرشفة إلى بيان عن قوانين الطبيعة.

كما عكس مندلييف ترتيب أزواج قليلة بدت أوزانها الذرية في غير ترتيبها الصحيح. فالتيلوريوم أثقل من اليود، لكن اليود ينتمي بوضوح إلى الهالوجينات، فوضع التيلوريوم أولًا. وافترض أن قياسات الوزن الذري خاطئة. أما التفسير الحقيقي فسيأتي بعد عقود.

أسرة جديدة: الغازات النبيلة (1894–1898)

في عام 1894 عزل اللورد رايلي وويليام رامزي الأرغون من الهواء. ولم يكن يتفاعل مع شيء، فلم يلائم أيًا من المجموعات القائمة. ومضى رامزي فتعرّف على الهيليوم على الأرض، وفي عام 1898 وجد مع زملائه النيون والكريبتون والزينون. فكانت النتيجة عمودًا جديدًا بأكمله، هو المجموعة 18 اليوم. واكتشافٌ بدا كأنه قد يكسر الجدول انتهى إلى تعزيز انتظامه.

موزلي والعدد الذري (1913)

جاء التحول الحاسم مع اكتشاف أن الذرات مبنية من نواة وإلكترونات. ففي عام 1913 قاس الفيزيائي الإنجليزي الشاب هنري موزلي ترددات الأشعة السينية المميزة التي تطلقها سلسلة من العناصر حين تُقذف بالإلكترونات. فوجد أن الجذر التربيعي للتردد يتزايد بخطوات متساوية من عنصر إلى الذي يليه، وأثبت أن الخطوة تقابل شحنة النواة: العدد الذري.

منذ ذلك الحين رُتب الجدول وفق العدد الذري لا الوزن الذري. فوقعت الأزواج المزعجة، كالتيلوريوم واليود، والأرغون والبوتاسيوم، والكوبالت والنيكل، في مواضعها على نحو طبيعي. كما جعل عمل موزلي الأعداد الذرية المفقودة جلية، فحدد فجوات عند 43 و61 و72 و75 و85 و87 مُلئت خلال العقود التالية. وقُتل موزلي في غاليبولي عام 1915 خلال الحرب العالمية الأولى، وهو في السابعة والعشرين.

مفهوم سيبورغ للأكتينيدات (1945)

في عام 1940 أُنتج النبتونيوم والبلوتونيوم اصطناعيًا، فافتُتح عصر العناصر ما بعد اليورانيوم. وكان يُنظر حينها إلى الثوريوم والبروتكتينيوم واليورانيوم بوصفها امتدادًا للفلزات الانتقالية من الفئة d، وكان يُتوقع أن تتبعها العناصر الجديدة. وظلت محاولات العثور على العنصرين 95 و96 على هذا الأساس تخفق.

في عام 1945 اقترح الكيميائي الأمريكي غلين سيبورغ أن العناصر من الأكتينيوم فصاعدًا تشكّل سلسلة منفصلة تملأ المدارات 5f، تمامًا كما تملأ اللانثانيدات المدارات 4f. وخالف مفهوم الأكتينيدات هذا نصيحة بعض الزملاء، لكن التجارب المصممة على أساسه قادت إلى التعرف على الأمريسيوم والكوريوم، واتخذ الصف الثاني تحت الجدول شكله الحديث. وتقاسم سيبورغ جائزة نوبل في الكيمياء عام 1951، وأصبح العنصر 106، السيبورغيوم، مثالًا نادرًا على عنصر سُمّي باسم شخص حي.

اكتمال الدورة السابعة (2016)

منذ أواخر القرن العشرين تنافست مختبرات في الولايات المتحدة وروسيا وألمانيا واليابان على صنع العناصر فائقة الثقل بصدم النوى في مسرّعات الجسيمات. وكثيرًا ما تأكدت العناصر الجديدة من حفنة من الذرات، بل من ذرة واحدة أحيانًا، بتتبّع سلاسل اضمحلالها.

وفي نهاية عام 2015 اعترف فريق عمل مشترك بين IUPAC وIUPAP (الاتحاد الدولي للفيزياء البحتة والتطبيقية) باكتشاف العناصر 113 و115 و117 و118. وحُسمت أسماؤها في نوفمبر 2016.

• 113، النيهونيوم (Nh): اكتُشف في اليابان، من الاسم الياباني للبلد
• 115، الموسكوفيوم (Mc): نسبة إلى منطقة موسكو
• 117، التينيسين (Ts): نسبة إلى ولاية تينيسي الأمريكية
• 118، الأوغانيسون (Og): نسبة إلى الفيزيائي الروسي يوري أوغانيسيان

وبذلك امتلأت المواضع الـ32 كلها في الدورة 7، وبلغ الجدول شكله الحالي من 118 عنصرًا بلا فجوات. وفي عام 2019 احتفت الأمم المتحدة بالذكرى الـ150 لجدول مندلييف بالسنة الدولية للجدول الدوري.

ماذا بعد

تتواصل الجهود لتخليق العنصرين 119 و120. ومن شأن النجاح أن يفتح دورة ثامنة، وتشير النظرية إلى أن فئة جديدة تملأ المدارات g قد تظهر في نهاية المطاف. وكما أشارت فجوات مندلييف إلى طريق الاكتشافات الجديدة، لا يزال جدول اليوم يحمل أسئلته المفتوحة التالية.