ثلاثة أسباب لأجلها يحتاج الجدول الدوري إلى إعادة تصميم

بقلم: جوشوا هوغيغو

المترجم: تامر صلاح

مرر أصابعك على مفاتيح البيانو البيضاء. تصبح النوتات الموسيقية أعلى وأعلى بينما تتحرك يدك إلى اليمين. على المفتاح الثامن، يحدث شيء جميل: تعلق النوتة الموسيقية في نغم وهذا يجسد شيئًا كالبداية، فقط بحدة مختلفة.

مرر أصابعك على مفاتيح البيانو البيضاء؛ فالنوتات الموسيقية تصبح أعلى وأعلى، وأنت تحرك يدك إلى اليمين. وعلى المفتاح الثامن يحدث شيء جميل: تعلق النوتة الموسيقية في نغم وهذا يجسد شيئاً كالبداية، فقط بحدة مختلفة.

لقد بدأنا ندرك أن شيئاً مماثلاً كان يحدث مع العناصر الكيميائية قبل أكثر من 150 سنة. حتى إن العلماء أطلقوا عليه قانون الأوكتاف Law of octaves. وهذا هو التكرار في خصائص العناصر التي يلتقطها الجدول الدوري بشكل جميل جدا. فثمة عناصر مماثلة ينتهي بها المطاف مكدسة في أعمدة أو مجموعات. وتضم مجموعة واحدة غازات نبيلة مثل الأرغون والنيون بالكاد تتفاعل مع أي شيء، في حين تحتوي مجموعة أخرى على فلزات نشطة، بعضها، مثل الفرنسيوم، ينفجر عند ملامسته للماء.

لكن هناك شكوكاً حول ما إذا كان الجدول الدوري في أفضل تكوين ممكن. ومثلما يمكن ترتيب النوتات الموسيقية بعدة طرق لإنتاج الموسيقى، يمكن تصوير جوهر العلاقات بين العناصر بشكل مختلف. فلا توجد طريقة سهلة للحكم على ما هو أفضل، أو «صحيح» أكثر. لذلك، فإن الجدل حول عيوب الترتيب الحالي لا يزال مستمراً، إذ يجادل بعض الكيميائيين في ضرورة نقل بعض العناصر – والبعض الآخر يعمل على طرق أكثر جذرية لإعادة تشكيل الجدول.

في البدايةَ، تَمّ تنظيم العناصر بالوزن الذري. الآن نرتبها طبقاً لعدد البروتونات الموجودة في أنويتها. نحن نعلم أيضًا أن خصائصها تتحدد إلى حد كبير من خلال ترتيب الإلكترونات سالبة الشحنة التي تدور في أغلفة Shells متتالية حول النواة.

«أحد مقترحات إعادة تصميم الجدول الدوري تشبه شكل شجرة عيد الميلاد.»

العناصر الأخف وزناً لها غلاف واحد فقط، والتي قد تستوعب الكترونين. وتحتوي العناصر الأثقل على عدد أكبر من الأغلفة يمكنها استيعاب أعداد أكبر من الإلكترونات. ولكن ما يهم حقًّا لسلوك كل عنصر هو كم عدد الإلكترونات الموجودة في غلافه الخارجي.
ويميل هذا الرقم إلى أن يتناسب تناسباً جيداً مع الطريقة التي يترتب فيها الجدول، أي وضع العناصر ذات الخصائص المتشابهة في المجموعة نفسها. فعلى سبيل المثال، تحتوي عناصر المجموعة 1 على إلكترون واحد في غلافها الخارجي والعناصر الموجودة في المجموعة 2 تحتوي على اثنين. لكنها لا تتوافق دائمًا مع بعضها تمامًا بدقة ككل.

أين يذهب الهيدروجين؟
خذ العنصر الأول. يحتوي الهيدروجين على إلكترون واحد في غلافه الخارجي، لذا قد تفترض أنه ينتمي إلى حيث يوجد بالضبط، في المجموعة 1 فوق الليثيوم والصوديوم، التي تحتوي أيضًا على إلكترون واحد في أغلفتها الخارجية. ومع ذلك، فإن الهيدروجين غاز وليس فلزاً، لذا فإن خصائصه غير متناسبة.
وينشأ التعقيد بسبب وجود غلاف خارجي لا يمكن أن يحمل سوى إلكترونين، للهيدروجين إلكتروناً واحداً بعيدًا عن أن يكون ممتلئًا. وبالنظر إلى أن العناصر تسعى إلى ملء أغلفتها الخارجية، فإن ذلك يجعلها شديدة التفاعل. وبهذا المعنى، يشبه الهيدروجين العناصر الموجودة في المجموعة 17، أي الهالوجينات مثل الكلور. ولا تحتاج أغلفتها الخارجية إلا إلى كسب إلكترون واحد لإكمال الغلاف بثمانية؛ مما يجعلها متفاعلة بالطريقة نفسها. ومن حيث خصائصه، فإن الهيدروجين أقرب إلى الكلور من الليثيوم.

لماذا الزئبق والذهب غريبان جدًّا؟
أسفل الجدول لا توجد خانات متاحة للعناصر االموضوعة في أماكن غير ملائمة. ومع ذلك، فإن اثنين من محتلي الخانات يشبهان الشوارد. خذ الزئبق، المعروف أيضًا في الإنجليزية بالفضة السريعة Quick silver؛ لأنه سائل في درجة حرارة الغرفة. وبهذا المعنى، فإن الأمر يختلف تمامًا عن الأعضاء الآخرين في المجموعة 12، بما في ذلك الزنك والكادميوم، وجميعها من الفلزات الصلبة. ما هذا؟

كلما نزلنا أكثر في الجدول، زاد عدد البروتونات الموجبة الشحنة التي تحويها نواة العنصر. وهذا يولد قوة جذب أكبر على الإلكترونات المدارية؛ مما يعني أنه يجب عليها التنقل بشكل أسرع وأسرع. وبحلول الوقت الذي تصل فيه إلى الزئبق، تتحرك الإلكترونات بنسبة 58 % من سرعة الضوء. ووفقًا لنظرية النسبية الخاصة لآينشتاين، فإن هذا يعني أن كتلتها الفعالة Effective mass أعلى بكثير من الكتلة الطبيعية للإلكترون؛ مما يؤدي إلى تفاقم الشد الداخلي الذي تشعر به الذرات.
والنتيجة هي أن إلكترونات الزئبق تدور بإحكام، بحيث لا يمكن مشاركتها لتكوين روابط مع ذرات أخرى، كما هو مطلوب لصنع مادة صلبة. فالشيء نفسه يفسر لماذا الذهبُ ذهبٌ، وهو لون فريد من نوعه بين الفلزات: فالآثار النسبية تغير الطريقة التي تمتص بها الإلكتروناتُ الضوءَ.

لغز الفئة -F
تحتوي المجموعة 3 على عنصرين قد ينتميان إلى مكان آخر. فبينما نتحرك عبر الصفوف العليا من الجدول، تملأ الإلكترونات الأغلفة في سلسلة من المدارات الذرية Orbitals، في انتظار امتلاء الغلاف الداخلي قبل الدخول إلى الغلاف التالي. وعند العنصر 57، اللانثانوم، تبدأ الإلكترونات بإدخال نوع جديد من المدارات الذرية، وهو المدار الذري f. ولأخذ ذلك بعين الاعتبار، فإن معظم الجداول الدورية تفصل العناصر المكونة لهذه الفئة f، وتضعها أسفل الجدول تاركة فجوة في المجموعة 3.

وهذا من العدل. ولكن هناك جدلاً حول أي من عناصر الفئة f يجب أن تأتي أولاً. ويرى بعض الكيميائيين أن القرار يجب أن يعتمد على توزيع الإلكترونات، والذي سيترك الجدول كما هو، مع اللانثانوم والأكتينيوم في الطرف الأيسر من الفئة f. ويشير آخرون إلى أن الخصائصَ الكيميائية، من مثل نصف القطر الذري ونقطة الانصهار التي تضع اللوتيشيوم واللورنسيوم، في النهاية الصحيحة، رهانٌ أفضل. في عام 2016 اختار الاتحاد الدولي للكمياء البحتة والتطبيقية فريق عمل لتسوية الجدل. ولكن لا أحدَ يتوقع قرارًا قريبًا.

البدء من جديد
لقد أَقنعت كل هذه الإزعاجات بعض الكيميائيين بأننا نحتاج إلى إعادة رسم الجدول الدوري – فليس هناك نقص في الأفكار. ويحتفظ مارك ليتش Mark Leach من جامعة مانشستر متروبوليتان Manchester Metropolitan University بالمملكة المتحدة بقاعدة بيانات الإنترنت من الجداول الدورية، التي تحتوي على مئات النسخ.

وفي محاولة لتمثيل الاستمرارية، حيث ينتهي صف واحد حاليًا، فقد طور الكيميائي الكندي المتقاعد فرناندو دوفور Fernando Dufour نظامًا دوريًا ثلاثي الأبعاد يشبه شجرة عيد الميلاد، مع وجود عناصر تشع من الجذع في دوائر تقترب أكثر من القاع. البديل هو الحلزوني الذي طورته ثيودور بنفي Theodor Benfey، والذي يسمح للفئة f بالانتفاخ نحو الخارج.
أما إريك سكري Eric Scerri، من جامعة كاليفورنيا University of California في لوس أنجلوس، فهو من بين أولئك الذين طالبوا بإجراء المزيد من التغييرات الأساسية. وقد اقترح سابقًا إمكانية ترتيب الجدول لزيادة عدد «الثلاثيات»، وهي مجموعات مكونة من ثلاثة عناصر تشترك في خواص متماثلة وترتبط بأوزانها الذرية. وفي هذه الأيام هو يدعم طريقة أكثر تشددًا: جعل الجدول ليس 18 عمودًا ولكن 32 عمودًا عن طريق تحديد جميع عناصر فئة f الـ30 بين المجموعتين الحاليتين 2 و3 (انظر: استمر بالذهاب). وهذا يسمح للعدد الذري بالعمل في تتابع مستمر.

ولكن غييرمو ريستريبو Guillermo Restrepo، من معهد ماكس بلانك للرياضيات في العلوم Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences بألمانيا، يفضل بديلاً آخر. فقد تفحص ما إذا كان التشابه الكيميائي للعناصر في الأعمدة نفسها لا يزال قائما كما كانت قبل 150 عامًا، على الرغم من زيادة معرفتنا بالتفاعل الكيميائي. واستنتاجه هو أن اللانثانوم ينتمي إلى المجموعة 3 – أي إنه خارج التسلسل.

وقد يبدو إعادة تصميم الجدول الدوري مسعىً مشوقاً، لكن قريبًا قد يصبح الأمر ضروريًّا. نحن بالفعل على درب اكتشاف العنصر 119. إلى أين سيذهب، وكيف سيتحول الجدول لتوفير مساحة له، نحن في الانتظار لمعرفة ذلك.

القائد: «قصة أجمل جدول في العلم تستحق الاحتفال.»

نبذة عن الكاتب
جوشوا هوغيغو Joshua Howgego : محرر في نيوساينتيست يكتب عن العلوم الفيزيائية.