نشأة النظام الدوري وتطوره

نشأة النظام الدوري وتطوره

يُعدُّ الجدولُ الدوري للعناصر أداة

أساسية ومهمة لعلماء الكيمياء المعاصرين،

وذلك منذ بدايات وضعه قبل نحو 200 عام.

<R .E. سرّي>

 

يُعدُّ الجدول الدوري للعناصر واحدا من أقوى رموز العلم، فهو وثيقة واحدة تجمع معظم معارفنا بعلم الكيمياء، ونجد نسخة منه معلقة في كل مختبر وكل قاعة تُدرّس فيها الكيمياء في العالم، في حين لا نجدُ ما يماثل ذلك تماما في أي من التخصصات العلمية الأخرى.

 

تعود بدايات قصة وضع تصنيفٍ للعناصر في نظام دوري، إلى ما قبل نحو مئتي عام؛ وقد شهد الجدول خلال مساره الطويل الكثير من الجدل، وأُدخل عليه الكثير من عمليات التعديل والتبديل ليتلاءم مع تطور العلم، ومع اكتشاف عناصر جديدة [انظر: صنع عناصر جديدة في هذا العدد].

 

إلا أن مبدأ هذا النظام وطبيعته لم يتعرضا لأي تغيير جذري، على الرغم من التغيرات الكبيرة والأساسية التي طرأت على شتى العلوم خلال القرن الماضي، وبخاصة نشوء نظرية النسبية، والميكانيك الكمومي (الكوانتي). وحين كانت بعضُ الكشوفات الجديدة تقتضي إعادة النظر في الأسس التي قام عليها الجدولُ، كان يمكن دائما استيعابُ تلك الكشوفات في بنيته الأساسية؛ لذا فإن المكانةَ الرفيعة التي يشغلُها تعود إلى أصوله التاريخية كما تعود إلى دلالاته العلمية المعاصرة.

 

يحوّل الجدولُ الثلاثي الأبعاد، الجدولَ الدوري التقليدي إلى بنية متعددة الطبقات، تظهر فيها فصائل الجدول الدوري، أو مجموعاته الرأسية، التي تحوي عائلات من العناصر المتشابهة، متدرجة في قلب هذه البنية من أعلاها إلى أدناها، وكذلك في طبقاته التي تتوضع واحدتها فوق الأخرى. أما أدوار الجدول التقليدي فتبدو هنا على شكل صفائح أو طبقات متعددة. تُظهر هذه البنية تناظرَ الأدوار والتزايد المنتظم في أبعادها، مما يعد مظهرا كيميائيا أساسيا لم يستطع الميكانيك الكمومي تفسيره على نحو كاف حتى الآن.

 

يدل مفهومُ «الدورية» على تكرار أنماطٍ من الخصائص الكيميائية بعد فترات منتظمة ومحدّدة. وقد تمكن الطلبة الذين يدرسون علم الكيمياء من تعلم ومعرفة خصائص 112 عنصرا مكتشفا حتى الآن، من خلال ما يقدمه هذا المفهوم من تيسير وتسهيل لفهم تلك الخصائص. وكان يكفيهم لذلك معرفة خصائص عدد محدود جدا من العناصر النموذجية، والتعرّف من خلالها إلى خصائص العناصر الأخرى التي تنتظم معها في مجموعات أو فصائل؛ لأن لعناصر الفصيلة الواحدة خصائص كيميائية متماثلة (تتمثل الفصيلة في الجدول الدوري بالعناصر الواقعة في عمود رأسي واحد.)

 

جاء اكتشاف النظام الدوري لترتيب العناصر تتويجا للعديد من التطورات العلمية، ولم يكن قط نتيجة عاصفة فكرية عَرَضت لفرد بذاته. على الرغم من أن المؤرخين يرون أن المولد الرسمي للجدول الدوري كان في17/2/1869، على يد العالم الروسي <ديمتري ماندلييڤ> حين وضع جدوله الأول من بين عدة جداول له في هذا المجال. لقد حوى ذلك الجدولُ 63 عنصرا كانت معروفة حينذاك، مرتبة بدلالة تزايد أوزانها الذرية، وتُركت فيه مواقع شاغرة لعناصر لم تكن معروفة في ذلك الوقت، وتنبأ ماندلييڤ بأنها ستُكتشف لاحقا، وحدّد أوزانها الذرية التقريبية.

 

وكان علماء آخرون قد سبقوا ماندلييڤ بوضع أنظمة تترتب فيها العناصر. كان منهم، على سبيل المثال، عالم الكيمياء الفرنسي <A. لاڤوازييه>، الذي عمل عام 1787 مع <A. فوركروي> و<G.B-L. دومورڤو> و <L-C. برتوليه>، على إعداد قائمة تضم 33 عنصرا معروفا حينذاك؛ وقد اعتمدت تلك القائمة وسواها تمثيلا أحادي البعد، في حين يعد من مظاهر القوة في جدول ماندلييڤ اعتمادُه تمثيلا ثنائي البعد، جَمَعَ كافة العناصر المعروفة، وترك أمكنة شاغرة لعناصر لم تكن معروفة، بل سيحملها المستقبل معه، كل ذلك في نظام منطقي محدد، فيه عدد من الأدوار (وهي الصفوف الأفقية) والفصائل (وهي الصفوفُ الرأسية).

 

ومِنْ بين مَنْ كانت لهم محاولات سابقة في هذا المجال عالمُ الكيمياء الألماني <J. دوبراينر>، الذي رتب عام 1817 العناصر في مجموعات من الثلاثيات ذات الصفات المتشابهة، في كل مجموعة ثلاثةُ عناصر متشابهة في سلوكها؛ فشكّل «ثلاثية» من عناصر الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم، و«ثلاثية» ثانية من عناصر الكلور والبروم واليود، وثالثة من عناصر الكالسيوم والسترنسيوم والباريوم. لاحظ دوبراينر أنه عند ترتيب عناصر الثلاثية الواحدة بدلالة أوزانها الذرية المتزايدة، فإن خصائص العنصر المتوسط فيها هي حد وسط بين خصائص عنصريه المجاورين. فالليثيوم، في الثلاثية الأولى، يتفاعل مع الماء على نحو معتدل، في حين يتفاعل البوتاسيوم معه بشدة محدِثًا انفجارا قويا، ويكون تفاعلُ الصوديوم، وهو العنصر المتوسط في الثلاثية، حدا وسطا بين هذا وذاك. ولاحظ دوبراينر، إضافة إلى ذلك، أن الوزنَ الذريّ للعنصر المتوسط، قريبٌ من المتوسط الحسابي للوزنين الذريين للعنصرين الآخرين في الثلاثية.

 

شجع عملُ دوبراينر علماءَ آخرين على البحث عن علاقات تجمع بين الخصائص الكيميائية للعناصر وأوزانها الذرية. فكان ممّن سار على خطاه الباحث <P. كريمرز>، من مدينة كولن الألمانية، الذي عرض في القرن التاسع عشر إمكانية انتماء بعض العناصر إلى ثلاثيّتين موضوعتين الواحدة فوق الأخرى، فكان بذلك أولَ من وضع قاعدة مقارنة العناصر في الاتجاهين الأفقي والشاقولي، وهو ما رسّخ أسسَه ماندلييڤ في جدوله الدوري.

 

كما تجدُر الإشارة أيضا إلى ما قام به الكيميائي الفرنسي <A .B-J. توماس> عام 1857، حيث أهمل فكرة الثلاثيات ووجّه اهتمامه إلى وضع عدد من المعادلات الرياضياتية، بغية تفسير كيفية تزايد الأوزان الذرية في مجموعة من العناصر ذات الخصائص الكيميائية المتشابهة. ونُقدّرُ اليوم أن أية محاولة من هذا النوع لم يكن ليكتب لها النجاحُ؛ لأن الوزن الذري للعنصر ليس الصفة الرئيسية التي تميزه عن سواه.

 

أول جدول دوري وضعه الكيميائي الروسي ماندلييڤ في الشهر 2/1869. يبين هذا الشكلُ مجموعات العناصر مرتبة أفقيا بدلا من تمثيلها بأعمدة رأسية كما هو مألوف، حيث وضع ماندلييڤ العديد من الجداول وفق هذين الترتيبين.

 

الخصائص الدورية

كانت السمةُ الرئيسيةُ لنظام ماندلييڤ هي تقديمه لمفهوم «الدورية»، أو التكرار، في صفات العناصر، بعد فترات محدّدة ومنتظمة. وكانت مثلُ هذه الميزة قد لوحظت سابقا في عمل الجيولوجي الفرنسي <B .E-A. دو شانكورتوا> عام 1862 عندما رتب العناصر بدلالة أوزانها الذرية، معتمدا نظاما هندسيا معقدا، حُملت فيه العناصر بدلالة هذه الأوزان على لولب مرسوم على سطح أسطوانة، يميلُ على قاعدتها بزاوية مقدارها 45 درجة [انظر الشكل في الصفحة].

 

نسخة قديمة لنظام ترتيب العناصر المعروفة، وضعها الجيولوجي الفرنسي <E-A. دو شانكورتوا> في عام 1862. يُعرف هذا النظام باسم «اللولب التلّوري»، وهو أقدم اكتشاف يُظهر الدورية الكيميائية.

 

تنتهي دورةُ اللولب الأولى عند عنصر الأكسجين، وتنتهي دورتُه الثانية عند عنصر الكبريت. وقد لاحظ شانكورتوا أن العناصرَ ذوات الصفات المتشابهة تترتب فوق بعضها على نحو رأسي على أحد مولدات الأسطوانة. نجح هذا الترتيبُ في عرض صورة، أو نموذج، غدت أكثر وضوحا في نظام ماندلييڤ. إلا أنه لم يكن له أثر كبير عند المهتمين بهذا الأمر في ذلك الحين، حيث فشلت مقالة شانكورتوا الأصلية في عرض أي مخطط، وكان نظامه معقدا، ولم تُعرضْ فيه التشابهاتُ ما بين الخصائص الكيميائية للعناصر على نحو مقنع.

 

كما وضع باحثون آخرون تصورات أخرى للجدول الدوري خلال عقد الستينات من القرن التاسع عشر؛ ففي عام 1864 أظهر الكيميائي الإنكليزي <J. نيولاند>، بعد تصحيح قِيَمِ الأوزان الذرية للعناصر، أنه عند ترتيب هذه الأخيرة بدلالة هذه الأوزان، فإن كلَّ عنصر يبدي تشابها واضحا بالعنصرين اللذين يسبقه أولهما بثمانية مواقع، ويلحقه ثانيهما بعد ثمانية مواقع أخرى، وأطلق على نظامه اسم قانون «الثمانيات» تشبها بالثُّمانية الموسيقية (الأوكتاڤ).

 

ترك نيولاند في النسخة الأولى من جدوله بعضَ المواقع الشاغرة، تحسُّبا منه لإشغالها لاحقا بعناصر مكتشفة في حينه، إلا أنه لم يضمّن النسخة اللاحقة من الجدول، التي وضعها عام 1886، مثل هذه المواقع، مما أثار اعتراض الكيميائيين على هذا الجدول لعدم إمكانية استيعابه عناصر قد يتم اكتشافها في المستقبل، وبلغ الأمر ببعض الباحثين إلى أن وصلوا باعتراضهم إلى حد السخرية من أفكار نيولاند، وإلى أن تَوجَّه إليه <C .G. فوستر> (من جامعة كلية لندن)، في اجتماع الجمعية الملكية المنعقد بلندن عام 1866، بسؤال عمّا إذا كان قد حاول ترتيب العناصر بدلالة الأحرف الأولى من أسمائها، لأن أي ترتيب للعناصر مهما كان جوهره، سيؤدي إلى ملاحظة تشابهات بين خصائصها تمليها المصادفة المحضة. وهكذا رُفضت مذكرة نيولاند وعُدّت غيرَ جديرة بالنشر في مجلة الجمعية⁽¹⁾.

 

الكيميائيان ماندلييڤ (في اليسار) و <L .J. ماير> (في اليمين) اللذان قاما بتطوير الجدول الدوري الحديث خلال الفترة ذاتها في أواخر الستينات من القرن التاسع عشر. وقد نُشر جدول ماندلييڤ أولا ممّا جعله صاحب الفضل الأكبر في اكتشاف النظام الدوري الذي استخدمه للقيام بتنبّؤات ناجحة عديدة ودافع عن دقته وصحته بقوة بالغة.

 

وعلى الرغم من هذا الاستقبال الفاتر الذي لقيَه قانونُ «الثُّمانيات» لنيولاند، فإن هذا الباحث يعد أولَ من أوضح بجلاء فكرة التكرار الدوري لخصائص العناصر عند ترتيبها بدلالة أوزانها الذرية المتزايدة؛ فهو الرائد السّبّاق لفكرة استخدام سلسلة من الأرقام الاعتيادية لوضع النظام الدوري، وهي الفكرة التي اعتُمد عليها لاحقا في وضع الجدول الدوري الحديث بدلالة الأعداد الذرية للعناصر (يدل العدد الذري للعنصر على عدد البروتونات في نواة ذرته، وهو مدلولٌ لم يوضع إلا في مطلع القرن العشرين.)

 

الجدول الدوري الحديث

في عام 1868 وضع الكيميائي الألماني <L .J. ماير> (من جامعة برسلو)، أثناء مراجعته كتابا من تأليفه، جدولا دوريا يشبه إلى حد كبير نسخة جدول ماندلييڤ التي اشتهرت في عام 1869، على الرغم من عدم تمكّنه من وضع جميع العناصر فيه على نحو صحيح. لكنَّ هذا الجدول لم يرَ النور حتى عام 1870 بسبب تأخيرٍ من الناشر. وقد قاد ذلك إلى قيام خلاف حاد بين ماير وماندلييڤ حول أفضلية كل منهما في إحراز شرف السبق في وضع الجدول.

 

ذلك أن ماندلييڤ وضع جدولَه أيضا في هذه الفترة أثناء تأليفه كتابا عن الكيمياء العامة، إلا أنه، وبخلاف من سبقوه، كان على ثقة كبيرة بصحة جدوله الدوري، حتى إنه استخدمه للتنبؤ بوجود عناصرَ جديدة وبخصائص مركباتها؛ كما استخدمه لتصحيح قيم الأوزان الذرية لبعض العناصر المعروفة. ومما يثير الاهتمام إقرارُ ماندلييڤ باطلاعه، حين وضع جدوله، على جداول أخرى وضعها عدد ممن سبقوه، مثل نيولاند، وعدم اطلاعه على أعمال ماير.

 

وعلى الرغم من أن المظهر التنبئي في جدول ماندلييڤ يعد سمة أساسية فيه، فإن المؤرخين بالغوا كثيرا في التأكيد على هذا الجانب حتى عدّوه السببَ الأساسي لتبني هذا الجدول، وفات هؤلاء أن يلاحظوا أن الجمعية الملكية في لندن لم تُشِرْ إلى هذا المظهر على نحو خاص حين منحت ماندلييڤ ميدالية ديڤي عام 1882، بل اعتبرت قدرة الجدول على استيعاب جميع العناصر المعروفة في حينه، على القدر نفسه من أهمية تلك التنبؤات المدهشة. وعُدّ ماندلييڤ صاحب الفضل الأكبر في وضع النظام الدوري، على الرغم من إسهام كثير من العلماء في تطوير هذا النظام، وذلك باكتشافه دورية الخصائص الكيميائية للعناصر، ولارتقائه بهذا الاكتشاف إلى مستوى القانون الطبيعي. وقد أمضى ماندلييڤ بقية حياته في تمحيص نتائجه وفي الدفاع عن صحة الجدول بجرأة وإقدام.

 

لم يكن الدفاع عن الجدول أمرا سهلا دائما، إذ كثيرا ما تحدَّت دقّته الكشوفاتُ اللاحقة، التي نذكر منها مثلا اكتشاف <W. رامسي> (من كلية جامعة لندن) واللورد <W .J. سترات> (من المعهد الملكي في لندن) عنصر الآرغون في عام 1894، ثم اكتشاف رامسي في السنوات اللاحقة أربعة عناصر أخرى هي الهليوم والنيون والكرپتون والكزنون (التي عُرفت فيما بعد بالغازات النبيلة)، وأخيرا اكتشاف عنصر الرادون من قِبل الفيزيائي الألماني <E .F. دورن> في عام 1900.

 

أُطلِقَ على هذه الغازات اسم «الغازات النبيلة» لبقائها بمنأى عن العناصر الأخرى في الجدول، ولندرة تفاعلاتها معها لتشكيل مركبات، وهو ما دفع بعضَ علماء الكيمياء إلى القول بعدم انتماء هذه العناصر إلى الجدول الدوري، خاصةً وأن ماندلييڤ، أو أحدا سواه، لم يتنبأ بوجودها. وقد اقتضى الأمر ست سنوات من الجهود الحثيثة إلى أن تمكن الكيميائيون والفيزيائيون من وضعها في الجدول، حيث أفردوا لها فصيلة (مجموعة رأسية) إضافية بين فصيلتي الهالوجينات والفلزات القوية، اللتين تضم إحداهما عناصر الفلور والكلور والبروم واليود والأستاتين، وتضم الأخرى عناصر الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم والروبيديوم والسيزيوم والفرنسيوم.

 

وما لبث أن ظهر خلاف آخر حول صحة ترتيب العناصر بدلالة أوزانها الذرية، حين اقتَرح في عام 1913 <D .V .A. بروك> (هولندي من هواة الفيزياء النظرية) ترتيب العناصر في الجدول الدوري بدلالة قيمة شحنة النواة في ذرة كل منها. واهتم الفيزيائي <H. موزلي> في جامعة مانشستر بهذا الاقتراح، وبدأ تمحيصه خلال عام 1913 قبل موته المأساوي في الحرب العالمية الأولى بوقت قصير.

 

بدأ موزلي بتصوير طيفِ الأشعة السينية لاثني عشر عنصرا شغلت عشرة منها مواقع متتالية في الجدول، ولاحظ أن ترددات (تواترات) إحدى مجموعات خطوطها الطيفية، وهي الخطوط K، تتناسب طردا مع مربع العدد الدال على موقع العنصر في الجدول، فعدّ ذلك دليلا على وجود مقدار أساسي في كل ذرة يزداد من عنصر إلى العنصر الذي يليه في الجدول. وفي عام 1920 أطلق العالم <E. رذرفورد> (من جامعة كامبردج) على هذا المقدار اسم «العدد الذري». ونعرف الآن أنه يمثل عدد البروتونات في نواة ذرة كل عنصر.

 

الجدول الدوري الشائع والمعروف بالنموذج المتوسط الطول، والذي يوضع في قاعات تدريس الكيمياء ومختبراتها في جميع أرجاء العالم. تتميز هذه النسخة بالعرض الواضح لفصائل العناصر المتماثلة التي تشكل أعمدة رأسية على الرغم من عدم تماثلها في مجمل الجدول. (تشير الألوان المختلفة المستخدمة في الجدول إلى العناصر المتشابهة في توزيع الإلكترونات في طبقاتها الخارجية.)

 

قادت أعمال موزلي إلى وضع طريقة يُمكن بها تحديدُ المواقع الشاغرة المتبقية في الجدول بدقة. كما اعتمد عدد من الكيميائيين مفهوم العدد الذري، بدلا من الوزن الذري، أساسا لترتيب العناصر فيه، مما أدى إلى حل الإشكالات المتبقية في هذا الترتيب؛ فقد لوحظ عند وضع عنصري اليود والتلّوريوم في الجدول بدلالة وزنيهما الذرّيين، أن اليود يأتي أولا؛ إلا أن ذلك يضعه في فصيلة لا تتماثل خصائصه الكيميائية مع خصائص عناصرها. في حين أن وضع هذين العنصرين، بدلالة عدديهما الذرّيين، يجعل التلّوريوم يأتي أولا وعلى نحو يبدو فيه وجود توافق بين خصائصه وخصائص العناصر الأخرى في فصيلته، وكذلك الأمر بالنسبة إلى اليود⁽²⁾.

 

* تشير إلى العناصر التي تم اكتشافها حديثا ولكن لم يتم الاتفاق على تسميتها على نحو رسمي. + تشير إلى عناصر لم تكتشف بعد. الجدول الهرمي، وهو شكل آخر للجدول الدوري يبدو فيه التناظر الذي في هذا الجدول، وارتباطه على نحو خاص بأطوال أدواره المتتالية. تعتبر هذه النسخة نموذجا مطورا للجدول الذي وضعه حديثا <D .W. جنسن> (من جامعة سنسيناتي). تشير الخطوط المتصلة العريضة إلى العناصر التي يتشابه توزع الإلكترونات في طبقاتها الخارجية، وتشير الخطوط المتصلة الرفيعة إلى العناصر التي تنتسب إلى الفصيلة ذاتها، أما الخطوط المتقطعة فتشير إلى علاقات ثانوية في الخصائص الكيميائية.

 

فهم الذرة

لم يكن الجدول الدوري مصدرَ وحي وإلهام للباحثين الكيميائيين فقط، بل تعداهم ليشمل زملاءهم من الباحثين في الفيزياء الذرية الذين كانوا يُجهدون لسبر أغوار بنية الذرة. ففي عام 1904 طوّر عالمُ الفيزياء ومكتشف الإلكترون <J .J. تومسون>، أثناء عمله في جامعة كامبردج، نموذجا للذرة قادرا على تفسير دورية العناصر في الجدول، حيث افترض أن ذرات عنصر ما تحوي عددا من الإلكترونات موزعة في حلقات متمركزة، بحيث إن العناصر التي يتشابه توزّع الإلكترونات في ذراتها، تتشابه في خصائصها؛ وكان بذلك أوّل من أعطى تفسيرا فيزيائيا لدورية العناصر. وعلى الرغم من أن تومسون تَصوّر الإلكترونات وقد توزعت في حلقات في جسم الذرة الرئيسي (بخلاف ما يُعرف حاليا عن توزع الإلكترونات ودورانها في أفلاك حول النواة)، فإن نموذجه يُعدُّ أول تمثيل لترتيب الإلكترونات في الذرة، مما يُعد أساسا يَحكم علمَ الكيمياء المعاصر بمجمله.

 

كان الفيزيائي الدنماركي <N. بور> أول من أدخل نظرية الكموم (الكوانتا) لشرح بنية الذرة، مدفوعا إلى ذلك بترتيب العناصر في نظام دوري، ففي نموذجه الذي وضعه لبنية الذرة في سنة 1913، تشغل الإلكتروناتُ مجموعة من الطبقات المتمركزة التي تحيط بالنواة. وهو يقول: إن لعناصر الفصيلة الواحدة تشكيلات إلكترونية متماثلة في طبقاتها الخارجية؛ وبذلك فإن الخصائص الكيميائية للعنصر تتحدد، إلى مدى بعيد، بترتيب الإلكترونات في الطبقة الإلكترونية الخارجية في ذرته.

 

كما قدّم نموذج بور تفسيرا واضحا لعدم نشاط الغازات النبيلة، مفاده أن الطبقات الخارجية في ذراتها مليئة تماما بالإلكترونات، وأن هذا الامتلاء أو الإشباع يمنحها ثباتا واستقرارا يتعذر عليها معه التفاعلُ لتشكيل مركبات لها. ذلك أن ذرات العناصر تميلُ، حين تفاعلها مع سواها، إلى ملء طبقاتها الخارجية بالإلكترونات. عَملَ بور لشرح ترتيب الإلكترونات في الذرات ككيميائي أكثر مما عمل كفيزيائي، إذ إنه لم يتوصل إلى وضع التشكيلات الإلكترونية من خلال نظرية الكموم بل من خلال معرفته بالخصائص الكيميائية والطيفية للعناصر.

 

وفي عام 1924 قام فيزيائي آخر وُلِد في النمسا هو <W. پاولي> بدراسة وتفسير طول كل دور (أو مجموعة أفقية) في الجدول، وطوّر ما عُرفَ لاحقا «بمبدأ الاستبعاد لپاولي» الذي ينص على «أنه لا يمكن لإلكترونين في ذرة واحدة أن يوجدا في حالة كمومية واحدة». (تتحدد الحالة الكمومية بالأعداد الكمومية الأربعة المعروفة.) أما أطوال الأدوار فتتحدد بما تعطيه الدلالات التجريبية عن ترتيب ملء الطبقات بالإلكترونات، كما تتحدد بالتقييدات التي يضعها الميكانيك الكمومي على الأعداد الكمومية التي يمكن أن تأخذها الإلكترونات.

 

لم يؤدِ التحولُ الكبيرُ الذي لحق بمسار الفيزياء في أواسط العشرينات من القرن الحالي، والمتمثلُ باعتماد نظرية الكموم كما عرضها كل من <W. هايزينبرگ> و<E. شرودنگر>، وما نتج من ذلك من وضع أسس الميكانيك الكمومي على النحو الذي نعرفه اليوم، إلى إحداث تغييرات أساسية أو جذرية في الجدول الدوري؛ كما لم تستطع الجهود التي بذلها فيزيائيون وكيميائيون لشرح وتفسير هذا الجدول بدلالة هذا الميكانيك، إلى الذهاب أبعد مما كان عليه أو ما هو عليه الآن. فالمبادئ الأساسية للميكانيك الكمومي لم تفلح في تفسير ترتيب ملء الطبقات بالإلكترونات، كما لم تفلح باشتقاق التشكيلات الإلكترونية للذرات، وهو ما بُني عليه فهمنا الحديث للجدول الدوري. يرجع ذلك أولا إلى أن معادلة شرودنگر لم تُحَلَّ بدقة تامة إلا لذرة الهيدروجين، وثانيا إلى عدم النجاح في اشتقاق علاقة رياضياتية لترتيب ملء الطبقات بالإلكترونات على الرغم من التقريبات المستخدمة. ونخلص من ذلك إلى القول بأن الميكانيك الكمومي أعاد اكتشاف ووضع الجدول الأصلي لماندلييڤ، باستخدام فرضيات رياضياتية تقريبية، إلا أنه لم يستطع التنبؤ بالنظام الدوري ذاته.

 

أفكار أخرى في عرض النظام الدوري

في السنوات الأخيرة قدم الباحثون أفكارا جديدة تتضمن عرض النظام الدوري بصور مغايرة لما عُرف عنه. كان من بين هؤلاء< F. دوفور> (عالمُ الكيمياء المتقاعدُ من كلية أهنتسيك في مونتريال) حيث طور جدولا دوريا ثلاثي الأبعاد يظهر عناصرَ التشابه الأساسية الموجودة في النظام الدوري، بخلاف النظام المألوف ذي البعدين. كما اقتُرحت في أكثر من مرة صور أخرى تظهر الجدول الدوري على شكل هرم، كان آخرها وأكثرها تطورا الجدولُ الذي قدمه <W. جنسن> من جامعة سنسيناتي. [ انظر الشكل في الصفحة السابقة]

 

كما ظهر اتجاه آخر يهدف إلى وضع نظام دوري تترتب فيه المركبات بدلا من العناصر؛ فنرى في النظام الذي قدمه <R. هيفرلين> (من جامعة أدفنست الجنوبية في مدينة كولجديل عام 1980) نظاما تترتب فيه الجزيئات الثنائية الذرة التي يمكن تشكيلُها من جميع العناصر البالغ عددها 118 والتي يعرف منها 112 عنصرا فقط حتى الآن.

 

يُظهر جدول هيفرلين أن بعض خصائص هذه الجزيئات، مثل المسافة بين ذرتي الجزيء وطاقة تأيّنه، تتغير على نحو منتظم ممّا مكن العلماء من التنبؤ بخصائص ثنائية الذرة.

 

كما قدم الباحث <R .J. دياس> (من جامعة ميسوري في مدينة كنساس الأمريكية) تصنيفا دوريا لنوع من الجزيئات العضوية هو جزيئات الفحوم الهيدروجينية العطرية البنزنية التي عُدّ أبسطَها جزيءُ النفتالين (C10H8) المستخدم على شكل كرات لمقاومة العُثّة. يشبه هذا التصنيف ثلاثيات دوبراينر للعناصر التي سبق ذكرها، فالجزيء الأوسط في كل ثلاثية يحوي عددا من ذرات الكربون والهيدروجين يساوي المتوسط الحسابي لأعداد هذه الذرات في الجزيئين الآخرين (السابق واللاحق له في الجدول). تم استخدام هذا المخطط في دراسة نمطية أجريت لخصائص هذه المركبات، باستخدام نظرية الغراف، قادت إلى إمكانية التنبؤ بدرجة ثبات هذه المركبات أو فعاليتها.

 

نشيرُ أخيرا إلى أن الجدول الدوري للعناصر يبقى صاحبَ التأثير الأكبر والأبقى؛ فقد ظل، على الرغم مما لحقه من تطوير لمدة تزيد على مئتي عام على يد العديد من الباحثين، يشغل موقعَ القلب في دراسة علم الكيمياء، بحيث يمكن وضعُه في مرتبة أهم الأفكار العلمية المستمرة في العلم الحديث، حتى ليمكن مقارنته بنظرية النشوء والارتقاء التي وضعها <Ch. داروين>. كما نشير إلى أن اعتماد مفاهيم ونظريات الفيزياء الحديثة لم يحدث أيّ تغيير جذري أو أساسي في فلسفته ومفاهيمه (كما جرى مع الميكانيك النيوتوني) بل ظل محافظا على شكله وسماته الأساسية.

 

 المؤلف

Eric R. Scerri

درس الكيمياء في جامعات لندن وكامبردج وساوثامپتون، ثم حصل على الدكتوراه في تاريخ وفلسفة العلم من كلية كِنْجْزْ بلندن، وعمل منذ وصوله إلى الولايات المتحدة الأمريكية باحثا زائرا في معهد كاليفورنيا للتقانة، ومنه انتقل ليدرّس الكيمياء في جامعة برادلي بولاية إلينوي الأمريكية، كما التحق في الشهر 1/1999 بمنصبه الجديد في قسم الكيمياء بجامعة پيردو. تتركز اهتماماته البحثية على تاريخ وفلسفة علم الكيمياء، وهو يرأس تحرير مجلة Foundations of Chemistry المتعددة الاختصاصات، وعنوان موقعها على الإنترنت هو /http://www.cco.caltech.edu/~scerri  وعنوان البريد الإلكتروني للمؤلف هو (Scerri@bradley.edu ).

 

مراجع للاستزادة 

THE PERIODIC SYSTEM OF CHEMICAL ELEMENTS: A HISTORY OF THE FIRST HUNDRED YEARS. J. W. van Spronsen. Elsevier, 1969.

THE SURPRISING PERIODIC TABLE: TEN REMARKABLE FACTS. Dennis H. Rouvray in Chemical Intelligencer, Vol. 2, No. 3, pages 39-47; July 1996.

CLASSIFICATION, SYMMETRY AND THE PERIODIC TABLE. William B. Jensen in Computing and Mathematics with Applications, Vol. 12B, Nos. 1-2, pages 487-510;1989.

PLUS CA CHANGE. E. R. Scerri in Chemistry in Britain, Vol. 30, No. 5, pages 379-381; May 1994. (Also see related articles in this issue.)

THE ELECTRON AND THE PERIODIC TABLE. Eric R. Scerri in American Scientist, Vol. 85, pages 546-553; November-December 1997.

For information on Fernando Dufour’s three-dimensional periodic table, send e-mail tofernduf@aei.ca

Scientific American, September 1998

(1) إثر ذلك، ترك نيولاند الجامعة وتوجه إلى الصناعة حيث حقق نجاحات باهرة؛ ثم ما لبث النجاح الأكاديمي أن سعى إليه حين قررت الجمعية الملكية منحه ميدالية ديڤي Davy إقرارا بفضله. (التحرير)

(2) تكررت هذه الظاهرة أيضا في عنصري الآرغون والبوتاسيوم، وكذلك في عنصري النيكل والكوبالت. (التحرير)