دیمیتری مندلیف کیست؟؛‌ بنیان گذار جدول تناوبی عناصر شیمیایی_اسکوار

دمیتری مندلیف زمان نگارش کتاب جامع شیمی دریافت عناصر را می‌توان مطابق وزن اتمی‌شان در جدولی مرتب کرد. در زمان مندلیف، عناصر کشف‌نشده بسیاری وجود داشتند؛ درنتیجه جدول او جاهای خالی بسیاری داشت. اما او دریافت با فکر تناوبی یا تکراری بودن خصوصیات اتم‌ها، می‌توان پیش‌بینی‌هایی درمورد عناصر کشف‌نشده جدول اراعه داد. کشف اتم‌هایی که مندلیف پیش‌بینی کرده می بود، نشان داد جدول مندلیف دسته‌بندی ساده‌ای نیست، بلکه حاوی خصوصیات بنیادی و مهمی درمورد ساختار اتم‌ها است؛ به‌این‌ترتیب، دانشمندان آن را پذیرفتند و از این جدول به‌گفتن راهنمای آزمایش منفعت گیری کردند. در این مقاله، تصمیم داریم زندگینامه دمیتری مندلیف و دستاوردهای او در علم شیمی را مرور کنیم.

دمیتری مندلیف کیست؟ کودکی و نوجوانی

دمیتری ایوانوویچ مِندِلیِف (Dmitri Ivanovich Mendeleev) ۸ فوریه ۱۸۳۴ (۱۹ بهمن ۱۲۱۲) در شهر توبولْسْک سیبری به دنیا آمد. او جوان‌ترین فرزند خانواده‌ای می بود که مطابق منبع های گوناگون، از ۱۲ تا ۱۷ فرزند داشت.

پدر دمیتری، «ایوان پاولوویچ مندلیف» (Ivan Pavlovich)، معلم «گیمنازیوم» یا مدرسه پیش‌دانشگاهی شهر توبولسک می بود. ایوان مندلیف در همان سالی که دمیتری به دنیا آمد، نابینا شد و مادر دمیتری، «ماریا دمیتری‌یِوْنا کورنیلِوا مندلیف» (Maria Dmitrievna Kornileva Mendeleev)، برای فراهم هزینه‌های خانواده کارخانه شیشه‌ای را نزدیک خانه‌شان خرید و مشغول اداره آن شد.

سال ۱۸۴۷، پدر دمیتری از دنیا رفت و مقداری سپس، کارخانه مادرش در آتش‌سوزی بزرگی نابود شد. باوجوداین، مادر دمیتری او را در ۱۵ سالگی در مؤسسه پرورش معلم سنت پترزبورگ ثبت‌نام کرد.

مندلیف ۱۸۵۵ از مؤسسه فارغ‌التحصیل شد و مجوز معلمی را گرفت. او ۱۸۵۹ داخل «دانشگاه هایدِلبِرگ» آلمان شد تا تحصیلات خود را ادامه دهد. او در هایدلبرگ شاگرد «روبرت ویلهلم بونزن» (Robert Wilhelm Bunsen)، شیمی‌دان آلمانی، شد.

مندلیف شیمی‌دان

مندلیف سپتامبر ۱۸۶۰ در اولین کنگره بین‌المللی شیمی در کارْلْسْروهه آلمان شرکت کرد، جایی که او گفت و گو‌ها حول محور وزن‌های اتمی شکل گرفته بودند.

دمیتری مندلیف ۱۸۶۱ به سنت پترزبورگ برگشت اما اولین موقعیت شغلی دانشگاهی خود را سال ۱۸۶۴ به دست آورد که استاد شیمی «مؤسسه فنی» شد. او که موفق نشد کتاب مناسبی برای تدریس در کلاس‌هایش اشکار کند، سال ۱۸۶۸ «اصول شیمی» خود را انتشار کرد.

او در بخشی از این کتاب به ایده مرتب‌سازی عناصر بر پایه افزایش وزن اتمی آن‌ها پرداخت. پیروزی او در این روش چنان می بود که به‌زودی در مقاله «درمورد ربط خصوصیات با وزن‌های اتمی عناصر» (۱۸۶۹) نظریه تناوبی بودن عناصر را بسط داد. مندلیف در این زمان ۳۴ سال داشت. او ۱۸۷۱ نیز نسخه‌ای اصلاح‌شده از جدول خود انتشار کرد.

مندلیف در ادامه کارهای متغیری انجام داد؛ برای مثال، ۱۸۶۷ مسئول غرفه روسیه در نمایشگاه جهانی پاریس می بود، تز دکتری خود را با گفتن «اتحاد الکل و آب» نوشت و با آزمایش‌های خود صنعت نوشیدنی‌های گازدار روسیه را بهبود داد. مندلیف مدتی نیز در صنعت نفت و گاز روسیه مشغول به کار شد.

در ۱۸۹۱، مندلیف مأمور تأسیس نظام گمرکی جدیدی برای عناصر شیمیایی سنگین شد و ۲ سال سپس به ریاست «اداره وزن‌ها و پیمانه‌ها» رسید. از دیگر عمل های او می‌توان به فعالیت در حوزه‌های کشتی‌رانی و تجارت دریایی این چنین تشکیل باروت‌های بدون دود اشاره کرد.

زندگی خصوصی دمیتری مندلیف

دمیتری مندلیف سال ۱۸۶۲ با «فئوزْوا نیکیتیچْنا لشْچِوایا» (Feozva Nikitichna Leshchevaya) ازدواج کرد و آنها صاحب یک پسر و یک دختر شدند. ۱۸۸۲، او خانواده خود را ترک کرد تا با «آنا ایوانووا پوپووا» (Anna Ivanova Popova)، هنرمند جوان، ازدواج کند. دمیتری و آنا ایوانووا صاحب ۲ پسر و ۲ دختر شدند.

مندلیف در شرایطی مجدد ازدواج کرد که فرایند طلاق او از همسر اولش کامل نشده می بود؛ به همین علت، متهم به دوهمسری شد؛ اتهامی که به نظر برخی علتشد سال ۱۹۰۶ که نامزد جایزه نوبل شیمی شده می بود، نتواند رأی کافی کسب کند.

در سرزمین خودش نیز به‌علت عقاید سیاسی‌اش به‌صورت با لیاقت‌ای از دستاورهای علمی او تقدیر نشد. دمیتری مندلیف یکی از مبلغان حقوق بشر در روسیه و طرفدار اصلاح رژیم تزاری می بود. این عقاید سیاسی علتشدند سال ۱۸۹۰، مندلیف جایگاهش در دانشگاه سنت پترزبورگ را از دست بدهد.

هرچند آن‌قدر که از جدول تناوبی استقبال شد و به‌صورت گسترده‌ به کار گرفته شد، از مندلیف تقدیر نشد. در ۱۸۹۴، او از دانشگاه‌های کمبریج و آکسفورد مدرک دکتری افتخاری گرفت. انجمن سلطنتی لندن نیز سال ۱۹۰۵ به او «مدال کاپلی» (Copley) اعطا کرد که یکی از معتبرترین جوایز علمی جهان است.

دمیتری مندلیف ۲ فوریه ۱۹۰۷ (۱۲ بهمن ۱۲۸۵) به‌علت نارسایی قلبی درگذشت. دانشجویان او در راهپیمایی تدفین جدول تناوبی را بالای سرش حمل می‌کردند.

تلاش برای ساخت جدول عنصرها

در ۱۶۶۱، رابرت بویل، فیزیک‌دان انگلیسی-ایرلندی، عنصرها را ذراتی تعریف کرد که نمی‌توان آن‌ها را با ابزارهای شیمیایی به موادی ساده‌تر تجزیه کرد. در ۱۸۰۳، جان دالتون بریتانیایی ایده وزن‌های اتمی را برای این عناصر معارفه کرد (که امروز جرم‌های اتمی نسبی نامیده خواهد شد). هیدروژن سبک‌ترین عنصر است و دالتون مقدار یک را به آن داد.

در نیمه اول قرن نوزدهم، شیمی‌دانان به‌مرور زمان عناصر بیشتری را جدا کردند و اشکار شد برخی گروه‌های عناصر خصوصیاتی شبیه دارند. برای مثالً سدیم و پتاسیم فلزاتی قلیایی می باشند که با آب عکس العمل شدید خواهند داد و هیدروژن آزاد می‌کنند. این عناصر چنان همانند بودند که شیمی‌دان بریتانیایی «همفری دیوی» (Humphry Davy) هنگامی آنها را کشف کرد، موفق نشد تمایزی بین آنها قایل بشود.

این چنین عناصر هالوژن کلر و برم هر ۲ عامل‌های اکسیدکننده سمی و سوزاننده می باشند، بااینکه کلر گاز و برم مایع است.

اولین کسی که تلاش کرد عناصر را دسته‌بندی کند، «یوهان دوبراینر» (Johann Döbereiner)، شیمی‌دان آلمانی می بود. او توانسته می بود گروه‌های سه‌تایی عناصر با خصوصیات مرتبط کشف کند و دسته‌بندی خود را بر این مبنا قرار داده می بود.

«جان نیولندز» (John Newlands)، شیمی‌دان بریتانیایی دریافت هنگامی عناصر شناخته‌شده به‌ترتیب افزایش وزن اتمی مرتب خواهد شد، عناصر شبیه در هر ۸ پله تکرار خواهد شد. او نتایج خود را در ۱۸۶۴ انتشار کرد و این کشف خود را قانون اُکتاوها یا قانون هشت نامید.

مشکل قانون هشت این می بود که الگوی تکرارشونده بعد از اتم کلسیم از بین می‌رفت؛ به همین علت انجمن شیمی بریتانیا که نظر داشت عناصر باید مطابق حروف الفبا مرتب شوند، ایده نیولندز را مسخره و از چاپ مقاله‌های او اجتناب کرد.

در فرانسه نیز «الکساندر-امیل بگویه دو شانکورتوآ» (Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois) کانی‌شناس در ۱۸۶۲ الگویی شبیه اشکار کرده می بود اما دقت کمتری به آن شد.

کارت‌های دمیتری مندلیف

هم‌زمان دمیتری مندلیف که نگارش «اصول شیمی» را اغاز کرده می بود، با این قضیه مواجه می بود. تا آن زمان، ۵۶ عنصر کشف شده بودند و تقریباً هر سال یک عنصر تازه کشف می‌شد.

مندلیف معتقد می بود این عناصر باید الگویی داشته باشند؛ او ۵۶ کارت بازی تهیه کرد و روی هرکدام نام و خصوصیات یک عنصر را نوشت.

می‌گویند مندلیف پیش از آنکه در زمستان ۱۸۶۸ عازم سفر بشود، کارت‌های خود را همانند کارت‌های بازی روی میز چیده می بود. درشکه‌چی که برای بردن چمدان‌ها داخل اتاق شد، مندلیف او را بیرون کرد و مشغول حل معما شد تا درنهایت توانست همه ۵۶ کارت را به روشای رضایت‌قسمت در گروه‌های عمودی بچیند.

سال ۱۸۶۹، مندلیف نتایج کار او را در مقاله‌ای به انجمن شیمی روسیه اراعه کرد. او گفت عناصر با خصوصیات شبیه یا وزن‌های اتمی نزدیک دارند (همانند پتاسیم، ایریدیم و اُسمیم) یا وزن اتمی‌شان منظم افزایش می‌یابد (همانند پتاسیم، روبیدیوم و سزیم). او این چنین گفت گروه‌بندی عناصر مطابق وزن‌های اتمی‌شان با ظرفیت شیمیایی آنها (تعداد پیوندهایی که یک اتم می‌تواند با اتم دیگر شکل دهد) منطبق است.

پیش‌بینی عنصرهای تازه

مندلیف در مقاله خود ادعای بزرگی کرده می بود: «ما باید چشم به راه کشف عناصر ناشناخته تعداد بسیاری باشیم؛ برای مثال، ۲ عنصر، همانند آلومینیم و سیلیکن، که وزن اتمی‌شان بین ۶۵ و ۷۵ خواهد می بود.»

مرتب‌سازی مندلیف بهبودهای مهمی نسبت به اکتاوهای نیولندز داشت. نیولندز کرومیم را زیر بور و آلومینیم قرار داده می بود که چندان معقول نیست. در عوض، ادعا کرد باید در آن خانه جدول عنصر کشف‌نشده‌ای وجود داشته باشد و پیش‌بینی کرد عنصری با وزن اتمی حدوداً ۶۸ اشکار خواهد شد. این عنصر یک اکسید با فرمول شیمیایی M_۲O_۳ راه اندازی می‌داد و «M» نماد عنصر ناشناخته می بود.

مندلیف ۲ عنصر دیگر را نیز برای جاهای خالی دیگر پیش‌بینی کرد: یکی با وزن اتمی حدوداً ۴۵ و اکسید M_۲O_۳ و فرد دیگر با وزن اتمی ۷۲ و اکسید MO_۲.

منتقدان مشکوک بودند اما مندلیف ادعاهایی زیاد جزئی داشت. یکی از بهترین راه‌ها برای قبول نظریه در علم شیمی پیش‌بینی‌هایی است که درست از آب درمی‌آیند. در این مورد، عنصر گالیم (با وزن اتمی ۷۰ و اکسید Ga_۲O_۳) در ۱۸۷۵ کشف شد؛ اسکاندیم (وزن ۴۵ و اکسید Sc_۲O_۳) در ۱۸۷۹ و ژرمانیم (وزن ۷۳ و اکسید GeO_۲) نیز در ۱۸۸۶ کشف شدند. این کشف‌ها ۲ دهه سپس از مسخره شدن نیولندز مندلیف را مشهور کردند.

اشتباهات جدول دمیتری مندلیف

مندلیف اشتباهاتی نیز داشت. او در مقاله خود ادعا کرد وزن اتمی تلوریم نادرست اندازه‌گیری شده است؛ این عدد باید بین ۱۲۳ و ۱۲۶ می‌می بود؛ چون وزن اتمی ید ۱۲۷ است و آشکار است ید، مطابق خصوصیاتش، باید در جدول سپس از تلوریم بیاید. او نادرست می‌کرد؛ وزن اتمی نسبی تلوریم در حقیقت ۱۲۷.۶ و از وزن اتمی ید بزرگ‌تر است.

ناهنجاری شبیهی بین پتاسیم (وزن ۳۹) و آرگون (وزن ۴۰) رخ می‌دهد؛ چون آرگون به‌وضوح باید پیش از پتاسیم بیاید. یقیناً مندلیف سال ۱۸۶۹ از این مشکلات آگاه نبوده است؛ چون آرگون سال ۱۸۹۴ کشف شد. آرگون گازی نجیب بی‌بو و بی‌رنگ است که زیاد به‌ندرت با عناصر دیگر عکس العمل می‌دهد (آرگون به‌رغم نجیب بودن، در شرایطی خاص، عکس العمل‌پذیر می‌بشود).

هیچ‌کدام از گازهای نجیب که شناسایی آنها دشوار است، آن زمان کشف نشده بودند؛ مندلیف در جدول خود جایی برای آنها در نظر نگرفته می بود. با کشف آرگون، حفره‌های جدیدی در جدول پدیدار شدند. تا سال ۱۸۹۸، «ویلیام رمزی» (William Ramsay)، شیمی‌دان اسکاتلندی، عناصر نجیب هلیم، نئون، کریپتون و زنون را نیز جدا کرد.

درنتیجه، مندلیف سال ۱۹۰۲ گازهای نجیب را با گفتن «گروه ۱۸» داخل جدول خود کرد و این نسخه از جدول همانی است که جدول‌های عناصر امروزی بر پایه آن شکل گرفته‌اند.

قضیه وزن‌های اتمی «نادرست» را «هنری موزلی» (Henry Moseley) ۱۹۱۳ حل کرد، وقتی که با منفعت گیری از اشعه X تعداد پروتون‌های هسته هر اتم عنصر را تعیین کرد. بعد از کار او، دانشمندان تعداد پروتون‌ها را عدد اتمی عناصر نامیدند و اکنون این عدد است که موقعیت اتم‌ها را در جدول تناوبی تعیین می‌کند.

علت این که وزن‌های اتمی تقریب خوبی به مندلیف می‌دادند، این است که در عناصر سبک‌تر، وزن اتمی تقریباً دوبرابر عدد اتمی است اما این نسبت در عنصرهای سنگین‌تر از بین می‌رود.

میراث مندلیف

در این مقاله، زندگینامه و دستاوردهای دمیتری مندلیف را مرور کردیم. جدول تناوبی عنصرها سیستم طبقه‌بندی زیاد ظریف و تمیزی به‌ نظر می‌رسد اما در واقع اهمیت آن در علوم شیمی و فیزیک زیاد زیاد تر است.

این جدول به دانشمندان امکان تا خصوصیات عنصری را پیش‌بینی کنند و تغییراتی فرایندهای شیمیایی تشکیل کنند؛ برای مثال، اگر عکس العمل خاصی با عنصر کروم اتفاق نمی‌افتد، احتمالا با مولیبدن، عنصر پایین کروم در جدول، رخ دهد.

نقش این جدول در کشف ساختار اتم نیز حیاتی می بود. چرا خصوصیات اتم‌ها مطابق این الگوها تکرار خواهد شد؟ چرا گروه ۱۸ این چنین عکس العمل‌ناپذیر است اما ۲ گروه کنارش از همه عکس العمل‌پذیرترند؟ این چنین سوال‌هایی مستقیم به کشف ساختار اتم منجر شدند.

مندلیف تا حدی خوش‌شانس می بود که این جدول به نام او ثبت شد. او نه‌فقط ایده‌های خود را بعد از بگویه و نیولندز انتشار کرد، بلکه از «لوتار مایر» (Lothar Meyer)، شیمی‌دان آلمانی که نمودار وزن اتمی در روبه رو حجم اتمی را رسم کرد تا ربط تناوبی عناصر را نشان دهد، نیز عقب‌تر می بود. همانند تعداد بسیاری از موارد دیگر در تاریخ علم، موعد یک کشف علمی خاص رسیده می بود و چند دانشمند هم‌زمان، بدون خبر از کار یکدیگر، به این کشف نزدیک شدند.

جمع‌بندی

مندلیف شیمی‌‍دان و مخترع اهل روس می بود و در عرصه‌های مختلفی فعالیت می‌کرد اما بزرگ‌ترین دستاورد او که نامش را جاودان کرد، کشف قانون تناوبی عنصرها و تهیه جدول تناوبی عناصر می بود. این جدول طبقه‌بندی ساده‌ نیست. دانشمندان با منفعت گیری از جدول تناوبی خواص عنصرها را پیش‌بینی می‌کنند و فرایندهای شیمیایی جدیدی طراحی می‌کنند. این جدول به راهنمایی علمی برای شیمی‌دانان و فیزی‌کدانان تبدیل شد. در این مقاله، زندگی این شیمی‌دان بزرگ را مرور کردیم.

سوال‌های متداول