نسخه قابل چاپ

اتم، کوچکترین جزء اصلی غیر قابل تقلیل یک سیستم شیمیایی می‌باشد.

این کلمه، از کلمه یونانی atomos، غیر قابل تقسیم، که از a-، بمعنی غیر و tomos، بمعنی برش، ساخته شده است. معمولا به معنای اتم‌های شیمیایی یعنی اساسی‌ترین اجزاء مولکول‌ها و مواد ساده می‌باشد.

مواد متنوعی که روزانه در آزمایش و تجربه با آن روبه رو هستیم، متشکل از اتم‌های گسسته است. وجود چنین ذراتی برای اولین بار توسط فیلسوفان یونانی مانند دموکریتوس (Democritus)، لئوسیپوس (Leucippus) و اپیکورینز (Epicureanism) ولی بدون ارائه یک راه حل واقعی برای اثبات آن، پیشنهاد شد. سپس این مفهوم مسکوت ماند تا زمانیکه در قرن 18 راجر بسکوویچ (Rudjer Boscovich) آنرا احیاء نمود و بعد از آن توسط جان دالتون (John Dalton) در شیمی بکار برده شد.

راجر بوسویچ نظریه خود را بر مبنای مکانیک نیوتنی قرارداد و آنرا در سال 1758 تحت عنوان:

Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium

براساس نظریه بوسویچ، اتمها نقاط بی‌اسکلتی هستند که بسته به فاصله آنها از یکدیگر، نیروهای جذب کننده و دفع کننده بر یکدیگر وارد می‌کنند. جان دالتون از نظریه اتمی برای توضیح چگونگی ترکیب گازها در نسبتهای ساده، استفاده نمود. در اثر تلاش آمندو آواگادرو (Amendo Avogadro) در قرن 19، دانشمندان توانستند تفاوت میان اتم‌ها و مولکول‌ها را درک نمایند. در عصر مدرن، اتم‌ها، بصورت تجربی مشاهده شدند.

اتم‌ها، از طرق ساده، قابل تفکیک نیستند، اما باور امروزه بر این است که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده است. قطر یک اتم، معمولا میان 10pm تا 100pm متفاوت است.

در آزمایش‌ها مشخص گردید که اتم‌ها نیز خود از ذرات کوچکتری ساخته شده‌اند. در مرکز یک هسته کوچک مرکزی مثبت متشکل از ذرات هسته‌ای ( پروتون‌ها و نوترون‌ها ) و بقیه اتم فقط از پوسته‌های متموج الکترون تشکیل شده است. معمولا اتم‌های با تعداد مساوی الکترون و پروتون، از نظر الکتریکی خنثی هستند.

اتم‌ها عموما برحسب عدد اتمی که متناسب با تعداد پروتون‌های آن اتم می‌باشد، طبقه‌بندی می‌شوند. برای مثال، اتم های کربن اتم‌هایی هستند که دارای شش پروتون می‌باشند. تمام اتم‌های با عدد اتمی مشابه، دارای خصوصیات فیزیکی متنوع یکسان بوده و واکنش شیمیایی یکسان از خود نشان می‌دهند. انواع گوناگون اتم‌ها در جدول تناوبی لیست شده‌اند.

اتم‌های دارای عدد اتمی یکسان اما با جرم اتمی متفاوت (بعلت تعداد متفاوت نوترون‌های آنها)، ایزوتوپ نامیده می‌شوند.

ساده‌ترین اتم، اتم هیدروژن است که عدد اتمی یک دارد و دارای یک پروتون و یک الکترون می‌باشد. این اتم در بررسی موضوعات علمی، خصوصا در اوایل شکل‌گیری نظریه کوانتوم، بسیار مورد علاقه بوده است.

عدد اتمی که با نماد Z نشان داده می‌شود، تعداد واحدهای بار مثبت هسته است و چون پروتون بار 1+ دارد، پس عدد اتمی ، تعداد پروتونهای موجود در هسته اتم است. از طرف دیگر ، اتم از لحاظ بار الکتریکی ، خنثی است. بنابراین عدد اتمی ، تعداد الکترونهای خارج از هسته یک اتم ترکیب نشده را نیز نشان می‌دهد.

بعضی از گروههای عناصر از لحاظ خواص شیمیایی و فیزیکی بسیار به هم شبیه‌اند. یکی از این گروهها هلیم (He) ، نئون (Ne) ، آرگون (Ar) ، کریپتون (Kr) ، زنون (Xe) و رادون (Rn) است که همگی گازهایی بی‌رنگ‌اند و واکنش‌پذیری کمی دارند. این عناصر ، گازهای نجیب نامیده می‌شوند و عدد اتمی آنها به ترتیب 2 ، 10 ، 18 ، 36 ، 54 و 86 است.

گروه دیگر عناصر که فلزاتی نرم و بسیار واکنش پذیرند، عبارتند از: لیتیم (Li) ، سدیم (Na) ، پتاسیم (K) ، روبیدیم (Rb) ، سزیم (Cs) و فرانسیم (Fr). اعداد اتمی این عناصر که فلزات قلیایی نامیده می شوند، به ترتیب 3 ، 11 ، 19 ، 37 ، 55 و 87 است.

مقایسه اعداد اتمی عناصر در دو گروه گازهای نجیب و فلزات قلیایی نشان می‌دهد که اگر فهرستی از عناصر به ترتیب افزایش عدد اتمی تنظیم شود، به دنبال هر گاز نجیب ، یک فلز قلیایی قرار می‌گیرد. از بررسی گروههای دیگر عناصر ، علاوه بر این دو گروه ، معلوم می‌شود که وقتی عناصر بنابر عدد اتمی مرتب است شده باشند، خواص عناصر یک الگوی تکراری را نشان می‌دهند.

قانون تناوبی می‌گوید که هرگاه عناصر به ترتیب افزایش عدد اتمی مورد بررسی قرار گیرند، شباهتهای خواص عناصر به‌طور تناوبی تکرار می‌شود. جدول تناوبی بر مبنای این قانون تنظیم شده است. طرح جدول به گونه ای است که عناصر مشابه باهم گروه‌بندی شده‌اند و خواص عناصر را می‌توان از مکانی که در جدول دارند، پیشگویی کرد.

عناصری که در یک ردیف افقی جدول دیده می‌شوند، بر روی هم یک دوره می‌نامند. دوره اول تنها شامل دو عنصر هیدروژن (Z=1) و هلیم (Z=2) است. دوره دوم مرکب از 8 عنصر است که از لیتیم (Z=3) به نئون (Z=10) می‌رسد. دوره‌های بعدی به‌ترتیب شامل 8 ، 18 ، 18 . 32 عنصر است.

عناصری که اعداد اتمی آنها از 58 تا 71 است، در پایین جدول دیده می‌شوند و آنها را لانتانیدها یا لانتونوئیدها می‌نامند. این عناصر متعلقند به دوره ششم (که مرکب از 32 عنصر است) و در واقع باید در بدنه جدول پس از لانتان (Z=58) آمده باشند. اما برای این کار باید جدول را به‌طور عمودی برید، دو قسمت بریده را از هم جدا کرد و لانتانیدها را در مکان مناسب خود جاگذاری کرد. این آرایش ، معمول نیست، زیرا جدول طویل می‌شود و نسخه‌برداری یا چاپ آن مشکل است.

همین نکات درباره عناصری با اعداد اتمی 89 تا 103 ملحوظ می‌شود. این عناصر را آکتینید یا آکتینوئید می‌نامند و در زیر لانتانوئیدها ، در ته جدول تناوبی جای دارند. آنها متعلق به دوره هفتم هستند و باید پس از آکتینیوم (Z=89) جاگذاری شوند. به استثنای دوره اول ، هر دوره با یک فلز قلیایی آغاز می‌شود و با یک گاز نجیب پایان می‌یابد. عنصر پیش از گاز نجیب ، در هر دوره کامل (به جز نخستین دوره) ، یک هالوژن که نافلزی بسیار واکنش پذیر است، جای دارد. این هالوژنها عبارتند از: فلوئور ، کلر ، برم ، ید و استاتین.

عناصری که در یک ستون عمودی جدول ظاهر می‌شوند، یک گروه یا خانواده نامیده می‌شوند. عناصر یک گروه ، خواص شیمیایی مشابهی دارند. سه گروهی که از آنها نام بردیم، گروههای گازهای نجیب ، فلزات قلیایی و هالوژنها هستند. هر گروه ، با عنوان خاص مشخص می‌شود که معمولا مرکب از یک عدد رومی است و به دنبال آن ، حرف A یا B می‌آید. اما برای مشخص کردن گروهها چند سیستم متداول است.

عنصری است که به‌طور کلی جلای خاصی دارد، گرما و الکتریسیته را به‌خوبی هدایت می‌کند و با کوبش ، بدون شکسته شدن به شکلهای گوناگون در می‌آید. اما نافلز ، عنصری است که جلای فلزی ندارد، رسانای ضعیفی برای گرما و الکتریسیته و در حالت جامد شکننده است. خواص شیمیایی فلزات با نافلزات نیز تفاوت دارد.

در حدود 80% عناصر شناخته شده ، فلز هستند. خط مورب پله‌وار جدول تناوبی ، مشخص کننده تقسیم تقریبی میان فلزات و نافلزات است. نافلزات در طرف راست این خط قرار می‌گیرند، اما این تقسیم‌بندی ، دقیق و کامل نیست. عناصر نزدیک به این خط ، گاهی شبه فلزات و نیمه فلزات نامیده می‌شوند. این عناصر ، خواصی میان فلزات و نافلزات دارند.

در یک دوره ، گستره ای از خواص متفاوت مشاهده می‌شود. هر دوره ، به استثنای دوره اول ، با یک فلز بسیار واکنش‌پذیر یعنی یک فلز قلیایی آغاز می‌شود. خواص عناصر بعدی ، از یک عنصر به عنصر دیگر تغییر می‌کند. خواص فلزی کاسته می‌شود و جای آن را خواص نافلزی می‌گیرد. هر دوره به جز دوره اول ، با یک نافلز بسیار واکنش‌پذیر یعنی یک هالوژن که یک گاز نجیب به دنبال آن می‌آید، پایان می‌پذیرد.

در اوایل سده نوزدهم مشابهتهای فیزیکی و شیمیایی بین عناصر، توجه شیمیدانها را به خود جلب کرده بود. در سالهای 1817 و 1829 یوهان دوبراینر( Johann W. Doebereiner )، مقالاتی منتشر کرد که در آنها خواص مجموعه هایی از عناصر را که او مجموعه های سه تایی می‌نامید مانند Ba - Sr - Ca , I - Br - Cl , K - Na - Li و S - Se - Te، مورد بررسی قرار داده بود. عناصر هر مجموعه دارای خواص مشابه اند و وزن اتمی عنصر وسطی در هر مجموعه، تقریبا میانگین اوزان اتمی دو عنصر دیگر است.
طی سالهای بعد، بسیاری از شیمیدانها، تلاشهایی برای طبقه بندی عناصر در گروههای دارای خواص مشابه به عمل آوردند. در سالهای 1866 - 1863، جان نیولندز ( John A. R. Newlands )، " قانون هشت تایی " خود را تنظیم و ارائه کرد. به گفته او، هرگاه عناصر را بر حسب افزایش اوزان اتمی به دنبال یکدیگر مرتب کنیم هشتمین عنصر با عنصر اول و نهمین عنصر با عنصر دوم ( الی آخر ) مشابه است. او این رابطه را با اکتاو در نتهای موسیقی، مشابه می‌دانست. متأسفانه روابط واقعی بین عناصر به سادگی پیشنهاد نیولندز در مورد نتهای موسیقی نیست. در زمانی که او کارش را ارائه داد، قیاس او مع الفارق به نظر می‌رسید و از سوی دیگر شیمیدانها جدی تلقی نشد، اما سالها بعد نیولندز برای این کار از انجمن سلطنتی موفق به دریافت نشان دیوی گردید.
طبقه بندی تناوبی نوین عناصر، از کار یولیوس لوتارمیر ( Julius Lothar Meyer )(1869) و به ویژه دمیتری مندلیف ( Dmitri Mandeleev ) (1869) نشأت می‌گیرد. مندلیف قانون تناوبی خود را به این صورت بیان کرد که: وقتی عناصر به ترتیب افزایش وزن اتمی مورد مطالعه قرار گیرند، شباهتهایی در خواص آنها به طور تناوبی ظاهر می‌شود. در جدول مندلیف عناصر به گونه ای زیر هم نوشته شده اند که عناصر مشابه موسوم به یک گروه زیر هم قرار می‌گیرند.

برای آنکه عناصر مشابه زیر یکدیگر قرار گیرند مندلیف ناچار شد که برای برخی عناصر کشف نشده در آن زمان، در جدول خود جای خالی بگذارد. براساس نظام پیشنهادی خود، او توانست خواص سه عنصر ناشناخته را پیش بینی کند. کشف بعدی عناصر اسکاندیم، گالیم و ژرمانیم و پی بردن به آنکه هر یک دارای خواصی مشابه با خواصی است که مندلیف پیشتر پیش بینی کرده بود، اعتبار نظام تناوبی را نشان داد. مندلیف وجود گازهای نجیب ( He, Ne, Ar, Kr, Xe و Ra ) را پیش بینی نکرد. اما در هر حال پس از کشف این عناصر در سالهای 1898 - 1892، عناصر مزبور به سهولت در گروه خود در جدول جا داده شدند. درست ماندن جدول تناوبی عناصر، ایجاب می‌کرد که سه عنصر I, Ni, K در محلی جز آنکه ترتیب افزایش وزن اتمی حکم می‌کرد، قرار داده شوند. مثلا ید، براساس وزن اتمی باید عنصر شماره 52 باشد، اما برای قرار گرفتن در گروه عناصر به لحاظ شیمیایی، مشابه ( Br, Cl, F ) عنصر شماره 53 در نظر گرفته شد. مطالعه بعدی طبقه بندی تناوبی، بسیاری از شیمیدانها را متقاعد ساخت که خاصیت بنیادی دیگری جز وزن اتمی موجب پیدایش خاصیت مشهود تناوبی است. پیشنهاد شد که این خاصیت بنیادی به نحوی با عدد اتمی، که در آن زمان تنها یک شماره ترتیب در جدول تناوبی بود، مرتبط است.

کار هنری موزلی( Henry G. J. Mosley ) در سالهای 1913 و 1914 این مسأله را حل کرد. وقتی پرتو پر انرژی کاتدی، روی یک هدف متمرکز شود، پرتو ایکس تولید می‌شود ( شکل روبرو ). طول موجهای تشکیل دهنده این تابش ایکس را می‌توان از هم جدا کرد و طیف خطی حاصل را روی یک صفحه عکاسی ثبت نمود. وقتی عناصر مختلف به عنوان هدف به کار برده شوند، طیفهای پرتو ایکس متفاوتی به دست می‌آید که هر طیف فقط از معدودی خط تشکیل شده است.
موزلی، طیف پرتو ایکس سی و هشت عنصر را که اعداد اتمی آنها بین 13 ( آلومینیم ) و 79 ( طلا ) بود، مورد بررسی قرار داد. او با مطالعه خطوط مشابه در طیفهای این عناصر دریافت که بین جذر فرکانس خط طیفی و عدد اتمی عنصر مربوط، یک رابطه خطی وجود دارد ( شکل پایین ). به عبارت دیگر وقتی عناصر به ترتیب افزایش عدد اتمی مرتب شده باشند، ریشه دوم فرکانس خط طیفی از عنصری به عنصر دیگر همیشه به مقدار ثابتی افزایش می‌یابد.

بنابراین موزلی موفق شد که بر پایه طیف خطی پرتو ایکس هر عنصر، عدد اتمی صحیح آن را تعیین کند. او به این ترتیب توانست مشکل طبقه بندی عناصری را حل کند که براساس وزن اتمی در جای درست خود قرار نمی گرفتند ( I, Ni, K ). او همچنین ابراز داشت که بین ₅₈Ce تا ₇₁Lu ( جدول تناوبی ) باید چهارده عنصر وجود داشته باشند و ثابت کرد که این عناصر باید در جدول تناوبی به دنبال لانتان قرار گیرند.
در آن زمان، نمودار موزلی نشان داد که باید چهار عنصر کشف نشده ( دارای اعداد اتمی 43، 61، 72 و 75 ) پیش از ₇₉Au وجود داشته باشند. بر پایه کار موزلی، قانون تناوبی بار دیگر تعریف شد که: خواص شیمیایی و فیزیکی عناصر تابع تناوبی عدد اتمی است.
اعداد اتمی موزلی با بار هسته ای که رادرفورد براساس آزمایشهای پراش ذرات محاسبه کرده بود، کم و بیش همسانی داشت. بنابراین، موزلی پیشنهاد کرد که عدد اتمی، Z، تعداد واحد بار مثبت هسته اتمی است. به گفته او: " در اتم، کمیتی بنیادی هست که از یک عنصر به عنصر بعدی به مقادیر منظمی افزایش می‌یابد. این کمیت تنها می‌تواند بار الکتریکی هسته مرکزی مثبت باشد ".
پرتو ایکس، تابشهای الکترومغناطیسی اند که طول موجهایی به مراتب کوتاهتر ( و در نتیجه فرکانس و انرژیهای به مراتب بیشتر ) از نور مرئی دارند. اعتقاد بر این است که طیف پرتو ایکس یک عنصر ناشی از نوعی انتقال الکترونی، درون اتمهای عنصر هدف است. در لامپ پرتو ایکس اشعه کاتدی الکترونهای لایه های داخلی اتم هدف را از جا می‌کنند. وقتی الکترونهای لایه های بیرونی تر، به جاهای خالی که به این ترتیب ایجاد شده اند سقوط می‌کنند پرتو ایکس به وجود می‌آید. از آنجا که انتقال الکترونی از تراز بالاتر به تراز پایین تر یک اتم متضمن رها شدن مقدار زیادی انرژی است فرکانس انرژی آزاد شده بالا و به تناسب طول موج آن کوتاه و ویژه پرتو ایکس است.
فرکانس تابشی آزاد شده از یک انتقال الکترونی به بار مثبت هسته اتم نیز بستگی دارد. مقدار انرژی آزاد شده مستقیما با مجذور بار هسته ای،² Z، متناسب است. هر چه بار هسته ای بیشتر باشد انرژی آزاد شده بیشتر و طول موج تابش نشر یافته کوتاهتر خواهد بود. مشاهدات موزلی بازتاب این رابطه است.

در سال 1886 گلداشتین پیشنهاد نمود که در لوله کروکس ضمن تشکیل ذرات الکترون ، ذرات دیگری که بار مثبت دارند به وجود می آید . گلداشتین لوله ای انتخاب نمود که در آن قطب مثبت را در انتهای راست و قطب منفی را در طرف چپ قرار داد. صفحه الکترود منفی در وسط سوراخی داشت که ذرات مثبت از این کانال استوانه ای به سمت عقب کاتد حرکت می کردند ، به همین علت آن را پرتو کانالی نیز نامیدند .بعد از تفکیک پرتو مثبت در لوله کروکس ، اثر میدان های مغناطیسی و الکتریکی راروی آن آزمایش نمودند، چون یه سمت قطب منفی منحرف شد، متوجه شدند که ذراتی بابار مثبت می باشند.
و اندازه این ذراات به نوع گاز درون لوله بستگی دارد . سرعت ذرات پرتو مثبت از سرعت پرتو کاتدی خیلی کمتر و نسبت بار به جرم آن ها خیلی کوچکتر و مقدارش با نوع گاز درون لوله تغییر می کند .
هرگاه گاز درون لوله را هیدروژن انتخاب کنند ، هر ذره مثبت از نظر مقدار بار برابر با بار یک الکترون ولی جرم آن عملا برابر جرم یک اتم هیدروژن است .
رادرفورد نام پروتون را برای این ذره ی مثبت پیشنهاد نمود .
سپس بار الکتریکی پروتون اندازه گیری شد . رادرفورد با تقسیم بارمثبت هسته به بار الکتریکی یک پروتون ، تعداد بارهای مثبت هر اتم یا تعداد پروتون ها را تعیین نمود .

موزلی در سال 1913 با استفاده از طیف سنجی که براگ ابداع کرده بود ، طیف اختصاصی پرتوهای X بسیاری از عناصر را بادقت زیادی مورد مطالعه قرار داد .و از برسی طیف خطی پرتوهای اختصاصی X عناصر دریافت که از عنصری به عنصر دیگر، هر خط طیفی به اندازه معینی در طیف جابجا می شود ، به طوری که اگر این عناصر را به ترتیب شماره خانه آن ها در جدول تناوبی (که در آن زمان عدد عنصر در جدول یا عدد اتمی نامیده می شد) ، در نظر بگیریم محل این خط در مقیاس طول موج دستگاه طیف نما ، به اندازه معینی به سمت طول موج های کوتاه تر جابجا می شود .موزلی تلاش نمود تارابطه بین شماره خانه آن عنصر در جدول تناوبی و محل هر خط طیفی پرتوهای X آن را دریابد .سرانجام دریافت که جذر فرکانس هر خط طیفی از هر عنصر تابعی از عدد اتمی آن است
V فرکانس خط طیفی مشخص از پرتوهای X یک عنصر ، Z شماره خانه عنصر در جدول تناوبی و a,b اعداد ثابتی اند که به جنس عنصر مورد مطالعه ارتباطی ندارد بلکه در مورد تمام عناصر برای هر خط طیفی مقدارمشخصی دارند .
موزلی با توجه به این که از هر عنصری به عنصر بعدی ، طول موج هر خط طیفی از پرتوهای X کوتاهتر می شود ، به عبارت دیگر فوتون های X که تابش می شود ، دارای انرژی بیشتری است و این رویداد نشانه آن است که برای جداکدن الکترون از لایه های درونی اتم به انرژی بیشتری نیاز دارد به این نتیجه رسیده بودکه از عنصری به عنصر بعد در جدول تناوبی ، بر مقدار بار مثبت هسته اتم و در نتیجه ، بر مقدار نیروی جاذبه بین هسته و الکترون افزوده می شود .
بدین ترتیب ثابت کرد آنچه بور به عنوان بار مثبت هسته و یا تعداد پروتون های اتم هر عنصر در نظر گرفته بود ، دقیقا با شماره ی خانه آن عنصر در جدول تناوبی که به عدد اتمی آن عنصر موسوم بود ، مطابقت دارد . از این رو مفهوم عدد اتمی عنصر را نه به معنی شماره خانه آن عنصر در جدول تناوبی ، بلکه به معنی تعداد پروتون های موجود در اتم آن ، یعنی به همان مفهومی که امروزه متداول است تغییر داد . بدین ترتیب موزلی از طریق بررسی طیف اختصاصی پرتوهای X عناصر توانست عدد اتمی دقیق آن ها را حساب کند.

در زمان ورنر نظریه والانس آنقدر پیشرفت نکرده بود که وی بتواند درباره ماهیت پیوند در ترکیباتی که مطالعه میکرد خیلی اظهار نظر کند. با این حال ،کوشش وی در تمیز بین گروه های یونش پذیر و یونش ناپذیر راه را برای پیدایش و توسعه نظریه تشکیل پیوند بر اساس پیوند یونی در مقابل پیوند کووالانسی باز کرد.

نخستین کوشش در زمینه توجیه پیوند در کمپلکس ها توسط سیجویک به عمل آمد.وی نظریه هشت تایی لوویس را به ترکیبات کوئوردینانسی تعمیم داد.او چنین در نظر گرفت که لیگاندها باز لوویس اند و به یون فلز که به صورت اسید لوویس عمل میکند الکترون(معمولا به ازای هر لیگاند یک جفت الکترون) میدهند. فرض شد که پایداری این ترکیبات به آرایش الکترونی گاز نجیب وابسته باشد.مجموع الکترون های فلز به اضافه الکترون های داده شده به وسیله لیگاند ها، عدد اتمی موثر (EAN) نامیده شد و وقتی این عدد 36،54یا 86 بود گفته میشد از قاعده EAN تبعیت شده است.به بیان دیگر میتوان گفت که وقتی آرایش الکترونی به صورت ns²(n-1)d¹⁰np⁶ است ،18 الکترون در این اوربیتال های والانس حضور دارند که یک آرایش الکترونی بسته را تشکیل میدهند.

در واقع از این قاعده تقریبی بیش از پیش به عنوان قاعده 18 الکترون یا میشود و مزیت آن این است که برای کلیه ردیف های جدول تناوبی یکسان است و الزامی ندارد که برای هرگاز نجیب به EAN متفاوتی اشاره کنیم.

تعداد ترکیبات آلی فلزی که از این قاعده تبعیت میکنند،نسبتا زیاد است(به خصوص کربونیلها و نیتروزیل های فلزی).