מנדלייב והמערכה המחזורית
חזרה לכימיה
המערכה המחזורית
היסטוריה:
בראשית המאה ה-19 הציע המדען ג'ון דלטון את התאוריה האטומית של החומר: כל החומרים מורכבים מחומרי יסוד שאינם ניתנים לפירוק ואינם יכולים להפוך לחומרי יסוד אחרים. במקביל היה גם ויליאם פראוט, פיסיקאי בריטי צעיר, שסבר שכל היסודות הם כפולות של משקל המימן. מאוחר יותר הרצה בריטי אחר, ג'ון ניולנדס, בפני החברה הבריטית לכימיה, ואמר שאת סדר היסודות יש לערוך כמתכונת הקלידים של הפסנתר, כלומר יש לחלק אותם לפי שמיניות (אוקטבות). דעה זו התקבלה בלעג רב. ב-1869 מצאו שלושת הכימאים: מנדלייב הרוסי, מאייר הגרמני וניולנדס הבריטי, כל אחד באופן עצמאי, שאם מסדרים את היסודות לפי מסה אטומית עולה, מתגלית חוקיות. הם גילו שבסידור היסודות לפי מסה אטומית עולה בשורות אופקיות זו מעל זו מקבלים שיסודות בעלי תכונות דומות מסתדרים באותן עמודות. מלבד זאת כאשר היסודות מסודרים בסידור זה מבחינים גם בכמה תכונות המשתנות לאורך השורות והטורים באופן מחזורי.
אמנם שלושת המדענים הגיעו לתוצאות דומות במחקריהם, אך את גילוי חוק המחזוריות הכימית והטבלה המחזורית מייחסים למנדלייב. הוא היחיד שטען שיש יסודות שטרם נתגלו ושאת תכונותיהם הכימיות אפשר לחזות לפי מיקומם בטבלה. כשסידר את היסודות בטבלה הוא השאיר מקומות ריקים עבור כמה יסודות שטרם נתגלו באותה עת, ואף תיאר את אופיים הכימי. ואכן, שנים לאחר מכן, נתגלו יסודות שתאמו בדיוק רב את תיאורו של מנדלייב. לדוגמא, המדען קוק דה-בואזבודראן גילה בשנת 1875 מתכת שסגולותיה הכימיות דומות לאלו של היסוד אלומיניום (Al). הוא לא חסך מעצמו את המאמץ שבכל ניסוי אפשרי במתכת החדשה כדי לוודא אם אמנם היא אחד מאותם יסודות נעלמים שאת גילויים העתידי ניבא מנדלייב. הוא העביר את המתכת במבחן הספקטרום ומצא שאף הספקטרוסקופ (מכשיר המציג ספקטרום בליעה של חומר וכך מאפשר את זיהויו) מזהה אותה כיסוד חדש. כל זאת ניבא מנדלייב כאשר קבע את גילויו העתידי של יסוד זה. בואזבודראן קרא ליסוד החדש בשם גליום (Ga) - לכבוד "גליה", השם העתיק של צרפת מולדתו.
| התכונה | תכונת היסוד Ga | תחזיתו של מנדלייב |
| מסה אטומית (amu) | 69.9 | 68 |
| צפיפות (גרם לסמ"ק) | 5.9 | 5.91 |
| טמפ' התכה (צלסיוס) | 30.1 | נמוכה |
| טמפ' רתיחה (צלסיוס) | 1983 | גבוהה |
ארבע שנים לאחר מותו של מנדלייב, בשנת 1913, הנרי מוזלי, כימאי-פיזיקאי צעיר, קבע את מידות המתח החשמלי ברבים מגרעיני היסודות ויכול היה לסדרם לפי סדר של מספר אטומי. חישוב המספרים האלה לא היה מבוסס על המשקל האטומי, אלא על מספר החלקיקים נושאי המתח החיובי (פרוטונים) שבכל יסוד. כאשר סידר מוזלי את הטבלה המחזורית לפי סדר עולה של המספר האטומי של היסודות, נשמרה המחזוריות הכימית שמצא מנדלייב, והחסרונות של טבלת מנדלייב באו על תיקונם.
מתכות ואל-מתכות:
הטבלה המחזורית נחלקת לכמה אזורים לפי תכונות היסודות.
מצד ימין של הטבלה יש קו הדומה למדרגות. משמאל לקו נמצאות המתכות (חוץ ממימן H) ומצד ימין לקו נמצאות האל-מתכות.
אזור המתכות נחלק לשניים: בשני הטורים השמאליות של המתכות נמצאות משפחת המתכות האלקליות ומשפחת המתכות העפרתיות-אלקליות, כל יתר המתכות נקראות מתכות המעבר.
מתכות
מוליכות זרם חשמלי וחום בצורה טובה, הן ניתנות לעיבוד (סגסוגות) וניתנות לריקוע. הן מבריקות ומוצקות בטמפ' החדר מלבד הכספית (Hg) הנמצאת בטמפרטורת החדר במצב נוזלי.
אל-מתכות
אינן מוליכות זרם חשמלי (פרט לפחמן (C) אשר מוליך חשמל היטב כאשר הוא נמצא בתור גרפיט) ואינן מוליכות חום. רוב האל-מתכות אינן ניתנות לריקוע, בהפעלת כוח עליהן הן נשברות לרסיסים. מצב הצבירה של האל-מתכות בטמפ' החדר משתנה: מוצק נוזל או גז.
- מתלואידים - היסודות הגובלים עם קו המדרגות.יסודות אלו מבטאים גם תכונות האופייניות למתכות, וגם תכונות האופייניות לאל-מתכות בהתאם לתנאים שבהם הם נמצאים.
- הלנתידים והאקטנידים - לכל היסודות הללו תכונה משותפת הנוגעת לאופן שבו מסודרים בהם האלקטרונים. היסודות האלה נמצאים מחוץ לטבלה בשל הסידור האלקטרוני המיוחד שלהם, כאשר מכניסים אותם למקומם בטבלה משתבש סדר הקבוצות.
המשפחות הכימיות:
בכל היסודות המשתייכים למשפחה מסוימת הסידור האלקטרוני דומה, כלומר בקליפה החיצונית של כל יסודות המשפחה מספר זהה של אלקטרונים, ולכן גם תכונות פיזיקליות וכימיות דומות.
המתכות האלקליות:
נמצאות בטור ה-1 (אבל היסוד מימן לא כלול במשפחה זו).
בעלי אלקטרון אחד בקליפה החיצונית (ראה: רמות אנרגיה של אלקטרונים), אנרגיית יינון נמוכה, ונטייה למסור את האלקטרון היחיד בקלות לאל-מתכות. בגלל הנטייה לאבד את האלקטרון היחיד הן מאוד פעילות, ומגיבות בקלות לחמצן ומים.
המתכות העפרתיות-אלקליות:
נמצאות בטור ה-2.
שני אלקטרונים בקליפה החיצונית, אנרגיית יינון נמוכה, ונטייה לאבד את האלקטרונים הללו בקלות. בגלל הנטייה לאבד את האלקטרונים הן מאוד פעילות, וכמעט אי אפשר למצוא אותן בצורתן החופשית בטבע.
צבען אפרפר-לבן וכולן אינן מסיסות במים (ככל המתכות מלבד האלקליות).
מקור השם עפרתיות הוא מימי הביניים. האלכימאים אז התייחסו לחומרים שאינם מסיסים במים ושאינם משתנים בבעירה כאל "חומרי אדמה" (עפר).
הגזים האצילים:
נמצאים בטור ה-8. קליפה חיצונית מלאה באלקטרונים (8 אלקטרונים בקליפה החיצונית, He יוצא דופן ולו 2 אלקטרונים בקליפה החיצונית), מצב צבירה גזי בטמפרטורת החדר, גזים חסרי צבע, ריח וטעם, ובעלי טמפרטורות התכה ורתיחה נמוכות מאוד. אנרגיית היינון של כל היסודות במשפחה גבוהה מאוד, והם אינם פעילים מבחינה כימית (אולם בשנות השישים כימאים הצליחו ליצור תרכובות יציבות אשר הכילו גזים אצילים, פלואור (F) ועוד מספר יסודות אחרים כגון: XeF2, תרכובות פלואור אחרות ושלל אוקסי פלואורים של גזים אצילים). מסיבה זו הם גם נקראים "הגזים האדישים".
ההלוגנים:
נמצאים בטור ה-7.
אל-מתכות בעלות שבעה אלקטרונים בקליפה חיצונית,ואנרגיית יינון גבוהה מאוד. מצב צבירה בטמפרטורת החדר משתנה, מתמוססות במים, בעלות ריח חריף. כאשר נוסף ליסודות במשפחה זו אלקטרון המשלים את קליפתם החיצונית הם מאוד פעילים מבחינה כימית.
מכיוון שיסודות אלו פעילים כל כך מבחינה כימית, הם נמצאים בטבע בצורה דו-אטומית כלומר שני אטומים של אותו יסוד היוצרים תרכובת.
- הטבלה המחזורית שמשתמשים בה כיום מסודרת לפי מספר אטומי עולה.
דימטרי איבנוביץ' מנדלייב
1834-1907
כימאי רוסי. נולד ב-7 בפברואר 1834 בטובולסק (סיביר), והיה הקטן בין 17 אחיו ואחיותיו. אביו נפטר סמוך ללידתו כתוצאה ממחלת השחפת. אמו, מריה מנדלייב, החליטה להקדיש את דימטרי לעולם המדע, שבו הראה עניין רב מגיל צעיר. מריה מנדלייב הביאה את בנה למוסקבה, כדי לרשמו ללימודים באונרבסיטה, אך בגלל עגתו הסיבירית הוא נדחה. האם לא התייאשה והמשיכה אל סט.פטרסבורג, שם התקבל למחלקה למדעים של המכון הפדגוגי, שם סיים את לימודיו במדעי הפיסיקה, הכימיה והמתמטיקה והיה למצטיין בבני כיתתו.
בתקופה זו אמו נפטרה ואבידתה גרמה לו לזעזוע קשה, שכן הוא היה קשור אליה מאוד, ובעקבות פטירתה מצבו הבריאותי הורע במידה רבה והוא החל לסבול ממיחושים קשים בריאותיו. הדבר הגיע לכדי כך שרופאיו יעצו לו לחפש לעצמו סביבה עם אקלים נוח יותר ולעבור לחצי האי קרים.
אמנם הוא זכה במשרת מורה בסימפרופול שבקרים, אבל עם תחילת מלחמת קרים שב אל סט.פטרסבורג.
הוא נוכח במהרה כי התנאים להשתלמות מדעית ברמה גבוהה יותר מן המקובלת אינם בנמצא ברוסיה,ולכן יצא לצרפת ללמוד מפי המדען הנרי רינו.
משם הלך להיידלברג שבגרמניה ולמד שם את השימוש בספקטרוסקופ (מכשיר אשר נועד להבדיל בין היסודות והתרכובות הכימיים על פי אבחנתם לפי הספקטרום).
עם שובו לרוסיה כתב את חיבורו בדבר "התרכובות האורגניות"-על חיבורו זה זכה בפרס דורימידוף.
אחר,רכש את תואר הדוקטור שלו בעקבות חיבורו על דבר "מיזוג הכוהל והמים"-ומיד לאחר מזאת נתמנה כפרופסור מן המניין באונרבסיטת סט.פטרסבורג,והוא רק בן 31.
כמורה,העדר ספר כימיה מעודכן ברוסית היה בלתי אפשרי בעיניו.הוא החליט לגשת לכתיבה,אלא שאז מצא את עצמו נאלץ להתמודד עם התוהו ובוהו ששרר בעולם הכימיה.
הידע שהצטבר היה רב,ומנדלייב הגיע למסקנה שלא יוכל לכתוב ספר ראוי כל עוד לא ייצור מבנה מאורגן ליסודות השונים.כך ניגש למשימה שרבים לפניו ניסו.נקודת המוצא של מנדלייב,כמו של קודמיו,הייתה שהעולם לא יכול להיות מבוסס על אוסף מקרי של חלקיקים וכי חיפוש חוקיות בתכונות של יסודות חייב להיות קשור לסידורם במשקל אטומי עולה.
למחקר שלו ניגש כאל משחק קלפים.
לכל יסוד הכין כרטיס עם שמו ותכונותיו,ואת 63 הכרטיסים פרש בסדר עולה של משקלים אטומים: מאטום המימן,שלו יוחס הערך 1,ועד ליסוד עופרת-שהאטום שלו כבר ממימן פי 207.
לאחר מכן ניסה למיין אותם על פי קווי דמיון שונים,פעם ועוד פעם.
ביום שני,17 בפברואר,1869 לפתע פתאום הסתדר הכל.מנדלייב מצא שכאשר היסודות מסודרים בסדר עולה של משקלים אטומים,תכונותיהם משתנות בהדרגה ובמחזוריות:לאחר כל כמה יסודות,שב ומופיע יסוד שתכונותיו והתנהגותו דומים ליסוד שהופיע קודם לכן.בטבלה שלו סידר מנדלייב את היסודות כך שבשורות האופקיות השתנו התכונות בהדרגה,ואילו בטורים האנכיים ניצבו יסודות דומים.
ב-6 במרץ,1869,הציג מנדלייב את תגליתו בפני האגודה הרוסית לכימיה.
מובן שכאשר גילה מנדלייב ממצאים אלה נתקל בחוסר אמון,שכן עדיין רבים היו החללים בטבלת כרטיסיותיו,שלא ניתן להתאים בהם כל יסוד שהוא.
אכן,הוא לא נבהל מפני הביקורת וקבע שחללים אלו יתמלאו ביום מן הימים ביסודות שעדיין לא היו ידועים,ואפילו ניבא את תכונותיהם ומשקלם האטומי של יסודות נעלמים אלה.בעקבות השערתו רבים הגבירו את המאמצים בחיפוש אחר היסודות הנעלמים.
עצם עריכת לוח היסודות נזקף לזכות מנדלייב,זה עורר כימאים בכל העולם לחיפוש אחר יסודות חדשים.
מלבד מהיותו גאון מדעי נודע גם בהערכתו הרבה לאמנות המוסיקה.
ובהערצתו לסופר הרוסי טולסטוי.
לאחר שנישואיו הראשונים נכשלו,נשא בגיל 47 את אנה פופובה, אומנית,והיא ילדה לו שני בנים ושתי בנות.חיי המשפחה שלהם היו מלאים אושר רב.
חזותו החיצונית של מנדלייב הייתה מרשימה ביותר.
הוא לא נרתע מלבטא את דעותיו המתקדמות על אף המשטר הרודני ברוסיה הקיסרית,היה בעד שוויון זכויות לאשה,התנגד לכל עלבון ופגיעה מצד האצולה ותבע את ביטול שעבוד האיכרים והקלת עול מסיהם הכבד.
הוא אף התפטר ממשרתו כפרופסור באונרבסיטה של סט.פטרסבורג בשנת 1890,כאשר נדחתה תביעתם של סטודנטים להרחבת חופש הפעולה שלהם.
שליטי הארץ נזהרו מאוד שלא לפגוע בו,בשל פרסומו העולמי וההערכה שהעולם המדעי רחש אליו,ונמצא על כן מביא תועלת רבה גם לממשלה עצמה.
הוא אף השתתף בכמה מתוכניות הפיתוח הממשלתיות,למשל: מחקר מקורות הנפט של הקוקז ועיבוד הצעות לשיפור חפירת הבארות וכן גם לשיפור תהליך הנפט לצרכי מסחר.בתחום התיעוש תרם גם,בייצור הפחם.
עם פרוץ מלחמת רוסיה-יפן בשנת 1904,הציע את שרותיו לממשלתו למרות שכבר מלאו לו שבעים.
אפילו עתה,המציא מן אבק שריפה חסר עשן והיה בטוח שחומר חדש זה יסייע בידי צבאות הרוסים להכות את היפנים ולהתגבר עליהם.אך המפלה הרוסית,גרמה לו לאכזבה קשה.
מנדלייב נפטר מדלקת ריאות,בשנת 1909,בהיותו בן שבעים ושלוש.
בברית המועצות של ימינו נערץ מנדלייב כגיבור לאומי גדול בשל הישגיו המדעיים,ובשל עמידתו האמיצה מול משטר העריצות של הצאר.
בעולם המדע ייזכר שמו כעורך לוח היסודות הראשון וכאיש אשר דרבן את עמיתיו המדענים להמשיך ולגלות את היסודות הנעלמים.