הדרך הקשה אל הטבלה המחזורית 

הדרך אל הטבלה המחזורית

(המאמר נלקח מתוך תסריט הפרק 'הדרך אל הטבלה המחזורית',
בפודקאסט 'עושים היסטוריה!', אודות ההיסטוריה של המדע והטכנולוגיה
בכתובת-
www.ranlevi.blogspot.com)

את ההשראה למאמר זה קיבלתי מסדרת תמונות שראיתי באינטרנט (באתר 'פליקר', אתר מצוין לשיתוף תמונות), שבה מוצגים קעקועים מדעיים- אנשים שקיעקעו על עצמם ציורים מעולם המדע, במקום סתם דרקונים או לבבות.
היו שם ציורים של מאובנים, חרקים, אפילו אחד שחרט על עורו את ראשי התיבות
של שמה של אישתו- בקידוד של הקוד הגנטי! זה לא המקום להסביר איך הוא הצליח
במשימה הרומנטית הזו, אבל הרעיון מקורי בהחלט- אם יש לך את האישה המתאימה, כמובן.

בכל אופן, אחד הקעקועים היותר מעניינים שראיתי שם, היה של הטבלה המחזורית של היסודות- אותה הטבלה שחלקנו ראינו בבית ספר תיכון בשיעורי כימיה. למי שלא מכיר (או שכח), הטבלה מתארת את כל היסודות הכימיים- מימן, הליום, חמצן, ברזל וכו'- מסודרים לפי טבלה של מספר שורות ועמודות.
חשיבותה של הטבלה המחזורית היא בכך שהיא יוצרת סדר בכל אותם מאה ומשהו יסודות כימיים. במקום לזכור את התכונות של כל יסוד (כמו משקל או עד כמה הוא נוטה להתרכב עם יסודות אחרים), אם יודעים את המיקום שלו בטבלה- ניתן להסיק הרבה מהתכונות הללו באופן לוגי.
הסדר הזה הוא בעל חשיבות דרמטית ממש. דמיינו לעצמכם, למשל, טבלת ליגה של כדורגל שבה לא היינו מסדרים את הקבוצות לפי ניקוד. תחשבו כמה קשה היה להבין מה קורה בליגה- לזה יש יותר שערי זכות, לזה יש יותר הפסדי בית וכו'. המון סטטיסטיקה- אבל בלי אף טיפת הגיון.

עוד מעט נבין את החשיבות של הסידור הזה, אבל בכל אופן זה הקעקוע הזה היה מאוד בולט, בוא נאמר.
הסיפור על הטבלה המחזורית מעניין, מכיוון שהוא הוא מדגים שני עקרונות חשובים. הראשון, שהמדע מתפתח כך שהתגליות באות באופן טבעי, עם הזמן, ובלי קשר לגאונות של איש מסוים זה או אחר. כשהתנאים בשלים, כשטכנולוגיה מתאימה וכו', מישהו כבר יגלה את התגלית- ולפעמים, אפילו כמה אנשים בו בזמן. מי יהיה הראשון מביניהם? זו כבר שאלה של מזל.
העקרון החשוב השני הוא שלפעמים, כדי לזכות בתהילה של 'המגלה הראשון', צריך להיות גם בר מזל- וגם עם ביצים, כפי שעוד נראה.

בני האדם הכירו כמה מהיסודות הכימיים כבר מתקופות מוקדמות מאוד- זהב, נחושת, ברזל ומתכות דומות מופיעות בטבע בצורה הבסיסית שלהם, וקל לחצוב אותם מהסלעים. הקדמונים לא ידעו, כמובן, אם חומר כלשהו הוא יסוד כימי בסיסי ולא תרכובת של כמה יסודות- הידע הזה נרכש רק כמה אלפי שנים אחרי כן.
הראשון שגילה יסוד כימי, ממש גילה אותו ולא הפיק אותו סתם ככה מהטבע, היה אלכימאי גרמני בשם הניג ברנד, בסביבות סוף המאה ה-18. ברנד היה סוחר, אבל היה לו תחביב בשם 'אלכימיה'.
אלכימיה הינה החיפוש אחר שיטה להפוך מתכות פשוטות לזהב טהור, תחום שהרבה אנשים עסקו בו לאורך ההיסטוריה- בעיקר בגלל שאם אתה קונה ברזל בזול, הופך אותו לזהב ואז מוכר את הזהב ביותר, אתה יוצא עשיר גדול.
אבל במקרה של הניג, התחביב הזה כמעט גרם לו לפשוט רגל. הוא היה אובסיסיבי ממש לגביו, וערך עשרות ומאות ניסויים- והחומרים והכלים עלו הרבה כסף. למזלו, הייתה לו אישה עשירה למדי, והוא יכל להרשות לעצמו לעשות את הניסויים הללו.
הקשתה על הניג גם העובדה שהרבה מהספרים שהנחו אנשים איך להפיק כל מיני תרכובות ומתכות היו לא מדויקים. הספרים כללו, לעיתים, הנחיות כגון- בצע את הניסוי הזה לאור ירח מלא, או 'ערבב אבקת פיות' וכדומה. אחד מהספרים הציע שבשתן ישנן חומרים שיכולים לסייע בהפקת הזהב. הניג השקיע כמה אלפי ליטרים של שתן בניסויים כאלה (שזה באמת כל הכבוד על ההשקעה).
באחד הניסויים, הוא חימם את השתן לטמפ' גבוהה מאוד, וזיקק אותו באמצעות סידרה של פעולות ולפתע פתאום עלו אדים מסתורים מהכלי, והנוזל שהיה שם עלה בלהבות.
אחרי שנתן לנוזל להתקרר, הניג גילה שהנוזל ירקרק צהבהב מאיר מצוין בחושך. אף אחד לא ראה דבר כזה עד אז. זה היה חדש לגמרי: זה היה למעשה הזרחן. זה היה היסוד הכימי הראשון שהופק באופן מלאכותי. ברנד שמר את הגילוי בסוד, והאמין שאולי הזרחן יעזור לו לגלות את הדרך להפקת הזהב- אבל אחרי
שכימאי אחר, הפעם מדען רציני בשם רוברט בויל, גילה את הזרחן בעצמו, הוא פירסם את תגליתו ברבים.

עד אזור אמצע המאה ה-18, כבר היו כמה עשרות של יסודות כימיים מוכרים ומזוהים. לכל יסוד כימי ישנו משקל טיפוסי, שמכונה 'משקל אטומי'. כמובן שאי אפשר היה לשקול אטום בודד, מה גם שהרעיון של אטומים היה מאוד חדשני ונועז באותה התקופה, ולכן 'משקל אטומי' סימל משהו פשוט יותר- המשקל של יחידה
כלשהי של יסוד ביחס המשקל של אותה יחידה של מימן. למשל, ליטר של חמצן שוקל פי שישה עשר מליטר של מימן, ולכן המשקל האטומי שלו הוא שש עשרה. המימן נבחר כיחידת ההשוואה כי הוא היסוד הקל ביותר, וגם כי ביחס
אליו כמעט כל המשקלים האטומיים של היסודות יוצאים מספרים עגולים ונוחים, כמו שש עשרה וכדומה.

כדי להבין מה מקור ההבדל בין המשקלים האטומיים של היסודות, כדאי לומר כמה מלים על מבנה האטום, למי שזקוק לרענון.
האטום מורכב משלוש אבני בניין יסודיות: פרוטונים, ניוטרונים ואלקטרונים. הפרוטונים והניוטרונים מרוכזים בגרעין האטום והם כבדים וגדולים (יחסית,כמובן). האלקטרונים הקטנים מקיפים את הגרעין בכמה שכבות, קליפות. המרחק שבו הם מקיפים את הגרעין גדול יחסית, כך שרוב האטום למעשה ריק. אנלוגיה מאוד משומשת אומרת שאם הגרעין היה בגודל כדורגל ויושב באמצע מגרש כדורגל, האלקטרונים מקיפים את הגרעין במרחק שהוא מחוץ לאיצטדיון.
משקל אטומי הוא המשקל של הפרוטונים והניוטרונים ביחד, ז"א משקל הגרעין בלבד.

המדענים זיהו בשלב מסוים שהתכונות של היסודות הכימיים קשורות בצורה כלשהיא למשקל האטומי שלו. משמע: התכונות של החומר- כמו עד כמה הוא כבד, כמה הוא נוטה להתרכב עם אטומים אחרים ליצירת מולקולות, מה הטמפרטורה שבא הוא הופך ממוצק לנוזל וכדומה- הן לא סתם אקראיות, אלא יש בהן איזה היגיון מסוים, שעליו הם לא הצליחו, לצערם, לשים את האצבע. הייתה תחושה שהוא קשור איך שהוא למשקל האטומי של כל יסוד. הנושא הזה סיקרן אותם, מכיוון שהם הבינו שיש כאן תובנה עמוקה יותר שמסתתרת בתוך האקראיות לכאורה של היסודות.

המדען החשוב הראשון שעסק בכימיה, היה אנטואן לבואזי'ה- צרפתי שחי בתקופת המהפכה הצרפתית. הוא עשה את הצעד הראשון, וסיווג חומרים לכאלה שהם יסודות ולכאלה שהם לא. אבל הוא לא המשיך לסדר אותם בסדר הגיוני.
לבואז'יה היה מדען פורה מאוד, אולי גדול המדענים הצרפתיים. ייתכן והוא היה ממשיך לפתח את הרעיונות שלו, אבל לצערו הוא עלה על הגיליוטינה במהפכה הצרפתית, ואחר כך כבר היה לא ראש להתעסק עם כימיה יותר.

המדען החשוב הבא שעסק בתחום היה אלכסנדר בגוייר.
אלכסנדר שם לב שיש קשר בין המשקל האטומי של יסוד מסוים, לתכונות שלו. זו הייתה הפעם הראשונה שמישהו שם לב לעובדה הזו.
כך, למשל, המשקל האטומי של הליום הוא שתיים בערך, של ניאון הוא בערך עשר, וארגון הוא 18- הפרש קבוע של שמונה בין שלושתם, וכל השלושה הם "אדישים" במרכאות ליסודות אחרים: זאת אומרת, לא יוצרים איתם תרכובות כימיות. זו דוגמא לתכונה משותפת להם. היום אנחנו יודעים שהם חלק ממשפחה של יסודות שמכונה 'הגזים האציליים'.
אלכסנדר ניסה ליצור סידור הגיוני של היסודות השונים, בהסתמך על המשקל האטומי שלהם. השיטה שבא בחר הייתה סידור היסודות על היקף של
עיגול, כך שהם יצרו שכבות, קליפות, סביב מרכז משותף. היסודות הסתדרו בשכבות כך שיסודות בעלי תכונות דומות ישבו אחד מעל השני בקליפה.
אבל אלכסנדר היה, לצערו,גיאולוג, ולא כימאי ממש, כך שהקהילה המדעית לא נטתה במיוחד להקשיב למה שיש לו לומר. לא פחות גרוע, הספר שהוא כתב על הנושא היה מסורבל וקשה להבנה והוא אפילו לא צירף איזה שרטוט של הסידור שלו כדי שמדענים אחרים יבינו על מה הוא מדבר- אז הם לא. הוא נשאר אנונימי ותגליתו לא הכתה גלים.


הבא בתור למצוא סידור מתאים ליסודות, היה ג'ון ניולנד האנגלי.
ניולנד גילה מחדש, פחות ו יותר, את מה שמצא אלכסנדר בגויר לפניו-
שישנם דיה הרבה יסודות כימיים בעלי תכונות דומות, שהמשקל האטומי שלהם הוא בכפולות של שמונה זה מזה. ז"א יסודות עם משקל אטומי 2,8,16 וכדומה יהיו אדישים לגזים אחרים וכדומה.
גם במקרה שלו, הרעיון הזה לא התקבל בקהילה המדעית האנגלית, ודי עשו ממנו צחוק על זה שהוא חושב שמספרים קובעים את התכונות של יסודות בטבע, שזה נראה מוזר אז.

את הטבלה המחזורית, כפי שאנחנו מכירים אותה היום, גילו שני אנשים פחות או יותר בו זמנית, בשנת 1869. כל אחד מהם עבר בנפרד והם לא שמעו איש על עבודתו של האחר.
הראשון היה הגרמני לותר מאייר, כימאי מוכר ובעל מוניטין, שכתב ספר לימוד. הוא הגיע לסידור מתאים של היסודות בצורה של טבלה (שורות ועמודות, בניגוד
לסידור של בגויר, שהיה סידור מעגלי), לפי סדר של משקל אטומי עולה, כך שמשפחות של יסודות (יסודות עם תכונות דומות) יהיו זה מעל זה בטבלה.
זו הייתה, למעשה, טבלה מחזורית ראשונית- אבל אז הוא נתקל בשתי בעיות
חמורות:
הראשונה- היו כמה יסודות שלא התאימו למקום שלהם בטבלה. זאת אומרת, לפי ההיגיון של הטבלה המחזורית הם צריכים להיות בעמודה מסוימת- או במילים אחרות, יש להם תכונות מסוימות שממקמות אותם במשפחה עם יסודות אחרים - אבל המשקל האטומי שלהם, כפי שהיה ידוע באותה התקופה- לא התאים למיקום הזה.
הבעיה השניה- היו כמה 'חורים' בטבלה, מקומות שלפי הטבלה צריכים להיות שם יסודות, אבל בפועל לא היה כלום, לא היו יסודות מוכרים למדע שיהיו בעלי תכונות או משקל אטומי מתאים.
בגלל הבעיות הללו לותר מאייר התלבט לגבי פרסום התאוריה הזו, אבל בסוף החליט שלא לשלב אותה בספר שכתב, בגלל החשש לכתוב דברים שעמדו בסתירה
למה שהיה ידוע אז.

השני שגילה בו זמנית, והאיש שבסופו של דבר זכה בתהילה על ה"גילוי של הטבלה המחזורית", היה דימיטרי מנדלייב, רוסי יליד סיביר.
מוצאו של דימיטרי היה יהודי, למרות שסבו המיר את דתו לנצרות ומנדלייב כנראה לא ראה את עצמו יהודי בשום צורה. מנדליב היה הצעיר מבין 14 או 16 ילדים, אני לא בטוח במספר המדויק, אבל זה המון בכל אופן. המשפחה הייתה ענייה למדי, אבל אחרי שכל הילדים האחרים גדלו ועזבו את הבית, אימו לקחה אותו לסנט פטרסבורג כדי לקבל חינוך טוב (היא יכלה להרשות זאת לעצמה מכיוון שכבר לא היו לה הרבה הוצאות, וזאת למרות שאבי המשפחה נפטר).
מנדלייב לא נחשב תלמיד טוב בבית הספר, כי לא אהב ללמוד שפות קלאסיות ודברים כאלה, שאז נראו כמאוד חשובים לאיש מלומד. בפיסיקה
ובמתמטיקה, לעומת זאת, הוא היה טוב, אבל זה לא עזר לו ובהתחלה הוא התקבל לבית ספר פחות טוב בסנט פטרסבורג.
אבל היכולות המצוינות שלו במדעים המדוייקים, במיוחד בכימיה, הביאו אותו מהר יחסית להתקבל לאוניברסיטה הנחשבת של סנט פטרסבורג, ומשם למשרות טובות והכרות עם מדענים מובילים בארופה.
מנדלייב אהב לשחק סוליטר- משחק קלפים לשחקן יחיד, מוכר מאוד בזכות זה שהוא קיים בכל התקנה של מערכת הפעלה חלונות להנאתם של עובדים משועממים. במסגרת החיפוש שלו אחרי סידור מתאימים של יסודות לטבלה, כתב אותם
על קלפים, כמו סוליטר, והחל לשחק בהם. בסופו של דבר עלה על הסידור המתאים, ואז כמובן, הוא ניתקל באותן הבעיות של לותר מאייר-
היו יסודות שלא התאימו למשקל האטומי הידוע שלהם, והיו חורים בטבלה של יסודות שלא קיימים.
כאן ניתן לראות עד כמה חשוב האופי של מדען בהשפעה על התפתחות המדעית. בניגוד ללותר, מנדלייב קפץ למים- הוא הזיז יסודות וסידר אותם לפי איך שהוא *חשב* שהם אמורים להיות. זאת אומרת: היסוד הזה יש לו תכונה כזו, הוא אמור להיות במשבצת הזו בטבלה- אבל רגע, המשקל האטומי שלו לא מתאים- למרות זאת, נשים אותו בכל זאת במשבצת המתאימה לו בטבלה, כי כנראה שהמשקל האטומי המוכר של היסוד הוא טעות! ומנדלייב לא עשה את זה רק ליסוד אחד או שתים, אלא לשבע עשרה יסודות!
לגבי בעיית החורים בטבלה, הוא השאיר את החורים במקומם ואמר שלדעתו יתגלו יסודות בעתיד שיתאימו לחורים הללו, ולא רק נתן את הנבואה הזו- הוא גם אמר איזו תכונות אמורות להיות ליסודות האלה, כשהם יתגלו. תחשבו על החוצפה שהייתה לו, על הביטחון העצמי שנדרש ממנו כדי לתת ניבויים כאלה שבקלות יכולים להתברר כשטויות. ללותר מאייר לא היה הביטחון העצמי הדרוש, ולכן אנחנו זוכרים כיום את מנדלייב.

כמובן שבסופו של דבר מנדלייב צדק ברוב הניבויים שלו. הרבה מהמשקלים האטומיים היו שגויים, ותוקנו אחר כך, וכמה וכמה יסודות חדשים
נתגלו וסתמו באופן אלגנטי את החורים בטבלה המחזורית. לראוי לציין, עם זאת, שלא כל הניבויים שלו היו נכונים- אבל רובם המכריע התאימו בהחלט. מנדלייב זכה לפרסום שהגיע לו אבל הוא לא זכה בפרס נובל- היה חסר לו קול אחד בלבד
בועדת נובל כדי לזכות. אלו החיים.

גם אחרי מנדלייב, היו עדיין כמה וכמה שאלות פתוחות.
עדיין נותרו כמה יסודות שלא התאימו למקום שלהם בטבלה, ועובדהזו המשיכה להציק למדענים. ארגון, למשל, או יוד- שני יסודות שהסידור על פי משקל אטומי הציב אותם במקומות לא הגיוניים בטבלה, במשפחה עם יסודות בעלי תכונות שונות משלהם.
היה ברור שזה הכיוון הנכון, מכיוון שרוב היסודות התאימו לטבלה המחזורית הטבלה הייתה כמעט מושלמת- אבל רק כמעט. משהו היה עדיין חסר.

הפתרון לחידה הזו הגיע כתוצאה מעבודה של מדען בשם הנרי מוסלי. מוסלי הפגיז אטומים של יסודות בקרני רנטגן, ומדד את מידת הפיזור של הקרניים
אחרי ההתנגשות- עד כמה משנות קרני הרנטגן את מסלולם לאחר ההתנשות עם האטום. הוא הגיע למסקנה המפתיעה שמידת הפיזור של הקרניים
קשורה למיקום של היסוד המופגז בטבלה המחזורית. מחקר נוסף העלה שהפיזור הזה תלוי במספר הפרוטונים שישנם בגרעין האטום. התברר שהסידור
המדויק ביותר בטבלה יהיה לפי מספר הפרוטונים בגרעין, ולא לפי משקל אטומי (בהערת אגב, מספר הפרוטונים בגרעין מכונה היום 'מספר אטומי'- אבל עד אז, ה'מספר האטומי' של יסוד היה פשוט המיקום שלו בטבלה, מספור פשוט בסדר עולה. מעניין שפתאום המספור השרירותי, כביכול, קיבל הסבר הגיוני.

ומהיכן נבעה הטעות עם הסידור לפי משקל אטומי מלכתחילה?
רוב הזמן, משקל אטומי ומספר אטומי דומים מאוד כי הפרוטונים והניוטורנים בגרעין מהווים את רוב המשקל של האטום, ובדרך כלל יש מספר זהה של פרוטונים וניוטורנים בגרעין- זאת אומרת, אם יש פרוטון אחד יותר יש גם ניוטרון אחד יותר כך שגם המספר האטומי גדל באחד, וגם המשקל האטומי (משקל הגרעין כולו, פרוטונים וניוטרונים) גדל באחד.
במקרים מסוימים, ישנו מספר לא זהה של פרוטונים וניוטרונים בגרעין- אטום כזה מכונה 'איזוטופ'. במקרים כאלה המספר האטומי והמשקל האטומי לא בדיוק מתאימים. אבל המקרים האלה נדירים יחסית, כך שרוב הזמן הייתה התאמה דומה בין שני המספרים, ומכאן הטעות.

שאלה נוספת שנותרה פתוחה לגבי הטבלה המחזורית הייתה זו- ישנה מחזוריות בתכונות של היסודות לפי המשקל שלהם, אבל מדוע? מה הקשר, בכלל, בין תכונה של חומר למשקל האטומי שלו?
הפתרון הגיע כשהבינו המדענים, במסגרת תאוריית הקוונטים, איך מתנהג אלקטרון באטום. אם יש יותר מאלקטרון אחד באטום, האלקטרונים מתחילים להסתדר בשכבות- ממלאים שכבה, פותחים שכבה חדשה, ממלאים אותה, פותחים חדשה וכך הלאה.
התכונות של החומר נקבעות לפי מספר האלקטרונים בשכבה הרחוקה ביותר. אם יש אלקטרון אחד בשכבה זו- היסוד יהיה בעל סט מסוים של תכונות, ואם ישנם שניים- התכונות יהיו שונות.
למשל, ניקח את דוגמאת הגזים האציליים. כזכור הגזים הללו לא אוהבים ליצור תרכובות כימיות עם גזים אחרים. ומדוע? מתברר שבכל אחד מהגזים
הללו, השכבה האחרונה בכל יסוד מלאה עד תומה באלקטרונים- אין חוסר, אין מקום לאלקטרון נוסף. מכיוון שאינטראקציה עם יסודות אחרים כוללת, בדרך כלל, קבלה של אלקטרון חדש לשכבה העליונה ביותר- הגזים האצילים לא יוצרים אינטראקציה שכזו: אין להם מקום פנוי לקבל אלקטרון חדש.
במהלך השנים נוספו עוד כמה וכמה יסודות לטבלה המחזורית (בעיקר יסודות רדיואקטיביים, שלא קיימים בטבע וניתן ליצור אותם רק במעבדה), תוקנו בעיות קטנות פה ושם, אבל אפשר לומר שהצורה העקרונית שלה נותרה דומה למדי לזו של מלנדייב.



(המאמר נלקח מתוך תסריט הפרק 'הדרך אל הטבלה המחזורית',
בפודקאסט 'עושים היסטוריה!', אודות ההיסטוריה של המדע והטכנולוגיה
בכתובת-
www.ranlevi.blogspot.com)

מקור המאמר: www.Articles.co.il - מאמרים לשימוש חופשי

כלים שימושיים למאמר:  פרסם את המאמר     הדפס את המאמר     שלח לחבר   קישור ישיר למאמר   פניה לכותב המאמר   דווח מאמר בעייתי