Periyodik Cetvelin İcadı: Brand’dan Mendeleyev’e Tablo’nun Hikayesi

Elementleri proton sayısına göre düzenleyip aynı kimyasal özelliğe sahip olan elementleri aynı grupta toplayabiliyoruz. Bunu sağlayan periyodik cetvel adıyla da bildiğimiz tablo. Bu tablo, element ve özelliklerini kolay bir şekilde bulmamızı sağlıyor. Elementlerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini periyodik olarak gösteren bu çizelge bilimin olmazsa olmazlarından biri. O halde konuyla ilgili merak ettiğiniz detaylara geçelim.

Periyodik cetvel nedir?

Periyodik cetvel pek çok farklı isimle karşımıza çıkıyor. Örneğin; periyodik tablo, periyodik çizelge ve elementler tablosu bu isimlerden birkaçı. Bu tablo, elementleri sınıflamamızı sağlıyor.

Periyodik cetvelde, bildiğimiz tüm elementlerin artan atom numaralarına göre bir sıralama var. Biz bu artan atom numaralarına ise proton sayısı diyoruz.  

Bilim tarihine göre periyodik cetvelden önce de bu yönde çalışmalar var. Ancak bu tablonun var olmasını, Rus kimyager Dmitri Mendeleyev’e atfediyoruz. Henüz 35’inde olan genç bilim insanı, 1869 yılında atomları artan atom ağırlığına göre sıralamaya başlıyor. Ve ardından belli özelliklerin tekrar ettiğini gözlemliyor. Özellikleri tekrarlanan elementleri alt alta yerleştirmekle yetinmeyen Mendeleyev, buna periyot adını vermeyi uygun buluyor. Sonuç olarak da, bugün okullarda kimya derslerinin vazgeçilmezlerinden biri olan bu konu ortaya çıkıyor.

Elementlerin, bu tabloda belli bir kurala göre sıralandığını söylemiştik. Elementler, artan atom numarasına göre soldan sağa ve yukarıdan aşağıya doğru karşımıza çıkıyor.

Periyot nedir?

Periyot, tablonun satırlarına verdiğimiz isim. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’na göre bir elementin periyot sayısı, bir elektronun element içerisinde kapladığı en yüksek enerji seviyesini gösteriyor. Bir periyottaki elektron sayısı, periyodik tablo üzerinde aşağı doğru artıyor, yukarı azalıyor. Dolayısıyla atomun enerji seviyesi arttıkça, enerji seviye artışı başına enerjinin alt seviye sayısı da yükseliyor.

Tabloda toplam yedi periyot var. Altıncı periyot 32 elemente sahip uzun bir periyot. Ve bu periyodun 14 elementi aşağıda yer alıyor. Bilim, bunlara ‘lantanit’ Aynı şey yedinci periyot için de geçerli. Yedinci periyottan ayrılan bölümler ise ‘aktinit’ adını alıyor.  

Grup nedir?

Kimyada, dış katman elektron dizilimi aynı olan elementlerin oluşturduğu birliğe grup adını veriyoruz. Başka bir ifadeyle, gruplar periyodik tablodaki sütunları. Ve aynı gruptaki elementlerin kimyasal özelliklerinin benzer olduğunu da sözlerimize ekleyelim.  

Gruplar iki şekilde karşımıza çıkıyor: Birincisi IUPAC’ın önerdiği 1’den 18’e kadar olan sayılardır. İkincisi ise daha sık kullanılan harf (A,B) ve rakamlardan oluşan adlandırmadır.

Blok nedir?

Elementler (hidrojen ve helyum dışında) değerlik orbitallerine göre s,p, d ve f olmak üzere dört ana blokta yer alıyor. S ve p ana grup olurken, d ve f yan grup olarak karşımıza çıkıyor.

Periyodik Cetvel için dönüm noktası: Mendeleyev’in yeni periyodik sistemi resmiyete ulaşıyor

Mendeleyev, elementleri hem atom ağırlığına hem de son elektron düzeyine (valans elektron) göre düzenledi. Henüz keşfedilmemiş olan elementler için periyodik tablo içerisinde bir yer bırakmadı fakat bu elementlerin beş tanesinin ve bileşiklerinin özelliklerine dair doğru öngörüler sundu. Tarihler 1869’u gösterdiğinde, bulguları Rus Kimya Derneği’ne sundu. Yeni periyodik sistemi, Alman kökenli kimya dergisi olan Zeitschrift fϋr Chemie’de yayımlandı.

Royal Society of Chemistry: “Mendeleyev Periyodik Tablo‘nun Babasıdır”

Bir Rus kimyacı ve mucit olan Dmitri Mendeleyev, Royal Society of Chemistry’e göre periyodik tablonun “babası”.

Mendeleyev, 1860’lı yıllarda, Rusya’da popüler bir öğretim görevlisiydi. O zamanlar Rus dilinde modern bir kimya ders kitabı bulunmadığından Mendeleyev bir tane yazmaya karar verdi.

Elementleri herhangi bir düzende koymak hiç kolay olmadı. Bilim, o dönemlerde şu anki elementlerin yarısından azı biliyordu ve bunlardan bazıları hakkındaki bilgiler de tam anlamıyla doğru değildi.

Mendeleyev,“Kimya Prensipleri” (iki cilt, 1868-1870) başlıklı, kimya ders kitabını yazdı. İddiaya göre Mendeleyev, tüm elementlerin olması gereken yerlerine geçtikleri bir rüya görmüştü…

İşte periyodik cetvelin hikayesi.

220 yılda ortaya çıkan 63 element

Altın, gümüş, kalay, bakır, kurşun cıva ve demir gibi elementler eski çağlardan beri biliniyordu. Bir elementin ilk bilimsel olarak bulunması 1649 yılında Henning Brand’ın fosforu bulmasıyla başlamıştır. Bundan sonraki 200 yıl boyunca elementler ve onların bileşikleri hakkında kimyacılar tarafından pek çok bilgi elde edilmiştir. Bununla beraber 1869 yılına kadar toplam 63 element bulunabilmiştir.

Johann Dobereiner, 1817 yılında benzer kimyasal özelliklere sahip olan stronsiyum, kalsiyum ve baryuma bakarak stronsiyumun atom ağırlığının kalsiyum ve baryum atom ağırlıklarının ortasında olduğuna dikkat çekmiştir. İnsanlık, 1829 yılında klor, brom ve iyot üçlüsünün de benzer özellikler gösterdiğini keşfetmişti. Yine benzer davranış lityum, sodyum ve potasyum içinde gözleniyordu. Bu konuda 1829 ve 1858 yılları arasındaki 29 yılda çok sayıda araştırma söz konusu oldu. Bu sırada halojenler grubu katıldı. Oksijen, kükürt, selenyum ve tellür bir grubun üyesi olarak düşünülürken azot, fosfor, arsenik, antimon ve bizmut başka bir grup içine yerleştirildiler.

İlk periyodik tabloyu oluşturma şerefi Fransız bilim adamı A. E. Beguyer de Chancourtois’e düştü. De Chancourtois, silindirin çevresine 16 kütle birimleri yerleştirerek element ve iyonları buraya oturttu. Benzer özelliklerdeki elementler bu silindir üzerinde düşey satırlarda gruba ayırmıştı. Atom ağırlıkları sekizin katı kadar olan elementlerin özellikleri benzerdi. 1864 yılında yazılan bir yazıda Newlands bunu Oktav kanunu (Law of Octaves) olarak tanımladı. Bu kanuna göre herhangi bir element tablodaki sekizinci elementle benzerlikler gösteriyordu.

Meyer mı yoksa Mendeleyev mi?

Genelde periyodik tablonun babası olarak Alman bilim insanı Julius Lothar Meyer ve Rus bilim adamı Dmitri Mendeleyev isimleri söz konusu olur. Her ikisi de birbirinden habersiz olarak dikkate değer benzer sonuçlar üretmişlerdir. Mendeleyev atomların artan atom ağırlıklarına göre sıralandıklarında belli özelliklerin tekrarlandığını görmüştür. Daha sonra elementleri tekrarlanan özelliklerine göre alt alta sıralayarak ilk iki periyodu yedişer, sonraki üç periyodu ise onyedişer element içeren bir periyodik sistem hazırlamıştır. Mendeleyev’in hazırladığı periyodik sistemde bazı yerleri henüz keşfedilmemiş elementlerin olduğunu düşünerek boş bırakmıştır. Daha sonra bulunan skandiyum, galyum, germanyum elementleri tablodaki boşluklara yerleşmişlerdir.

1895 yılında Lord Rayleigh, yeni bir soygaz (argon) keşfettiğini bildirdi. Bu element periyodik cetvel içinde bilinen hiçbir yere oturtulamadı. 1898 yılında William Ramsay bu elementin klor ile potasyum arasında bir yere konulabileceğini önerdi. Helyum da aynı grubun bir üyesi olarak düşünüldü. Bu grup elementlerinin değerliklerinin sıfır olması nedeniyle sıfır grubu olarak adlandırıldı.

Mendeleyev’in periyodik tablosu her ne kadar elementlerin periyodik özelliklerini gösterse de neden özelliklerin tekrarlandığı konusunda herhangi bir bilgi vermemektedir.

Moseley ve modern periyodik yasa

1911’de Ernest Rutherford atom çekirdekleri alfa parçacıklarının saçılması deneyiyle çekirdek yükünün belirlenebileceğini gösterdi. Rutherford’un gösterdiği diğer bir şey bir çekirdeğin yükünün atom ağırlığı ile orantılı olduğuydu. Yine 1911’de A. Van den Broek bir seri çalışmasıyla elementlerin atom ağırlıklarının atom üzerindeki yüke yaklaşık eşit olduğunu gösterdi. Bu yük daha sonra atom numarası olarak tanımlandı ve periyodik tablodaki elementleri yerleştirmede kullanıldı. 1913’te Henry Moseley bir grup elementin X-ışınlar tayf çizgilerin dalga boylarını ölçerek, atom numarası ile elementlerin X-ışınları dalga boylarının ilişkili olduğunu gösterdi. Bu çalışma Mendeleyev, Meyer ve diğerlerinin yaptığı gibi atom ağırlıklarının temel seçmedeki yanlışlıklarını gösteriyordu.

Fakat ‘neden periyodik özellikler gözleniyor’ sorusunun yanıtını vermek için Niels Bohr’un emeğine saygı duymak gerekiyor. Çünkü kendisinin, elementlerdeki elektronik yapıyı incelemesi bu sorunun yanıtı oluyor.

Periyodik tablodaki en son büyük değişiklik, 20. yüzyılın ortalarında Glenn Seaborg’un çalışmasıyla ortaya çıktı. 1940’ta plutonyumu bulmasıyla başlayan araştırması, 94’ten 102’ye kadar olan tüm uranyum ötesi elementleri bulmasıyla sürdü. Periyodik tablodaki lantanit serisinin altına aktinitler serisini yerleştirdi. 1951’de Seaborg bu çalışmaları ile kimyada Nobel Ödülü’nü kazandı. 106 nolu element seaborgiyum (Sg) olarak adlandırıldı.

Periyodik cetvel ile kuantum teorisi arasındaki ilişki

Yazar Osman Bahadır‘ın anlatımına göre Mendeleyev’in oluşturduğu bu tablo ile kuantum teorisi arasında bir ilişki var. Ve bu ilişki, bilim tarihi bakımından oldukça önem taşıyor. Bahadır, bunun sebebini ise şöyle açıklıyor:

“Çünkü bu ilişki iki taraflıdır ve elementler tablosu da basit bir elementler bilançosu değil, fizikteki ve kimyadaki gelişmeleri, elementlerin daha iyi anlaşılması yönünde yansıtan ve yeni elementlerin keşfine yol açan dinamik bir tablodur.

Başlangıcından beri kuantum teorisindeki gelişmeler periyodik tablonun mükemmelleşmesine yol açarken, periyodik tablonun ortaya çıkardığı bazı sorular da yeni araştırma alanları açarak kuantum teorisinin gelişmesine hizmet etmiştir. Nitekim Niels Bohr (1885-1962), 1922 yılında atomlarının en dıştaki kabuklarında aynı sayıda elektron bulunduran elementlerin çok benzer özellikler taşıdığını ve benzer elementlerin tabloda periyodik olarak göründüğünü ileri sürdü. Bohr’dan sonra Wolfgang Pauli (1900-1958)’nin 1925 yılında geliştirdiği ve kuantum teorisinin en önemli ilkelerinden biri olan dışarlama ilkesi ve aynı yıl Uhlenbeck (1900-1988) ve Goudsmit (1902-1978)’in ortaya koyduğu, elektronlardaki spin olgusu, periyodiklik olgusuna önemli açıklamalar getirdi. Daha sonraki yıllarda da başka bilimciler periyodik tabloyu aktif bir araştırma alanı olarak kullandılar ve periyodik tablonun getirdiği yeni sorulara yanıt bulmaya çalıştılar.

Elementler tablosundaki periyodiklik olgusuna daha kesin ve kapsamlı açıklamalar getirme çabaları, günümüzde de kuantum teorisi çalışmalarının bir bölümünü oluşturmaktadır.”