برچسب: عنصر

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

همه چیز درباره طیف سنجی نشر اتمی (AES)

 

مقدمه

طیف‌سنجی نشر اتمی (AES) روشی برای تجزیه و تحلیل شیمیایی است که از شدت نور تابیده شده از شعله، پلاسما، قوس یا جرقه در طول موج ویژه استفاده می‌کند تا مقدار عنصر را در یک نمونه مشخص کند. طول موج خط طیف اتمی در طیف انتشار، هویت عنصر را نشان می‌دهد در حالی که شدت نور تابیده شده با تعداد اتم‌های عنصر متناسب است.

اساس کار طیف سنجی نشر اتمی

اساس روش های طیف سنجی نشر اتمی (Atomic Emission Spectroscopy)  با نام اختصاری AES اندازه گیری شدت نشر یون یا مولکول در حالت گازی است. یون ها یا مولکول های گازی شکل که الکترون های لایه ظرفیت آنها بر اثر گرما، واکنش شیمیایی یا جریان الکتریکی تهییج می شوند، تابش های مشخصی در طول موج های مرئی و ماوراء بنفش دارند. مانند طيف جذبی، در طيف نشری هر عنصر نیز طول موج هاي معينی وجود دارد كه از ويژگی های مشخصه آن عنصر است. يعنی طيف های نشری و جذبی هيچ دو عنصري مثل هم نيست. اندازه گیری تابش نشر شده عنصر مورد نظر کاربرد زیادی در آنالیز کمی و کیفی عناصر فلزی و شبه فلزی دارد. شکل زیر شمای کلی فرایند جذب و نشر اتمی بین دو تراز انرژی را نشان می دهد.

 

شدت نشر خودبخودی تابشی توسط یک اتم از رابطه زیر بدست می آید:

I_em=A_jihν_jiN_{j                                        (1)}

که در آن I_em شدت نور تابشی، A_ji احتمال انتقال برای نشرخودبخودی، h ثابت پلانک، ν_ji فرکانس تابشی و N_j تعداد اتم در حالت برانگیخته است. تعداد اتم های برانگیخته و در نتیجه شدت نشر متناسب با غلظت اتم ها ست. بنابراین رسم شدت نشر بر حسب غلظت یک خط صاف خواهد بود (در غلظت های پایین)..

اگر تعادل ترمودینامیکی برقرار باشد رابطه توزیع بولتزمن برای غلظت اتم ها در حالت برانگیخته و پایه به صورت زیر بیان خواهد شد:

N_j/N_o=(g_j/g_o)e^-Ej/kT                                              (2)

که در آن N_j و N_o تعداد اتم ها در حالت برانگیخته (ترازj ) و تراز پایه، g_j و g_o وزن های آماری این ترازها، Ej اختلاف انرژی تراز برانگیخته و پایه، K ثابت بولتزمن و T دما ( برحسب کلوین) هستند.

در طیف سنجی نشر اتمی، تابش نشر شده توسط اتم های تهییج شده متناسب با غلظت اتم ها ست در صورتی که در جذب اتمی تابش جذب شده به وسيله اتم های تحريک نشده تعيين می شود. تعداد اتم های تهییج شده نسبت نمایی با دما دارد. بنابراین شدت نشر که به تعداد اتم های تهییج شده بستگی دارد به مقدار زيادی تحت تاثير دما قرار می گيرد. در حالی که در طیف سنجی جذب اتمی، که تعداد اتم های تهییج نشده بااهمیت است، شدت جذب مستقيما تحت تاثير دمای اتم ساز قرار نمی گيرد.

دستگاهوری طیف سنجی نشر اتمی

طیف سنجی نشر اتمی از نظر دستگاهوری (Instrumentation) شبیه طیف سنجی جذب اتمی ست جز این که به منبع تابشی در روش نشری نیازی نیست. به همین علت به راحتی با خاموش کردن منبع تابشی (معمولا HCL) می توان یک طیف سنجی جذب شعله را به یک طیف سنجی نشرشعله تبدیل کرد. اما بیشتر روش های نشری به دلیل استفاده از منابع اتمی کننده و تهییجی اختصاصی تری مانند پلاسما، قوس، جرقه و لیزر طراحی های پیچیده تری دارند. اجزا کلی یک طیف سنج نشری در شکل زیر نشان داده شده است.

 

منبع تابش

همان طور که گفته شد تعداد اتم های تهییج شده طبق توزیع بولتزمن نسبت نمایی با دما دارند (رابطه 2). بنابراین شدت نشر به مقدار زيادی تحت تاثير دما قرار می گيرد. به همین علت اتم سازها، نقش بسیار تعیین کننده ای در  آنالیز و اندازه گیری های طیف سنجی نشر اتمی دارند. اتم سازها در روش های نشری ضمن حلال زدایی، تبخیر و اتمی کردن نمونه، وظیفه تهییج اتم ها را نیز بر عهده دارند و بنابراین به عنوان منبع تابش نیز عمل می کنند. طیف سنجی نشر اتمی بر اساس منابع تهییج به چند دسته کلی زیر تقسیم می شوند:

• طیف سنجی نشر اتمی شعله

• طیف سنجی نشر اتمي پلاسما

• طیف سنجی نشر اتمي قوس و جرقه

• طیف سنجی نشر اتمی تخلیه تابش

طیف سنج

همان طور که گفته شد طیف های نشری بسیار پیچیده تر و شلوغ تر از طیف های جذبی هستند. بنابراین طیف سنج (Spectrometer) در نشر اتمی اهمیت بسیار ویژه تری نسبت به روش های جذب دارد. ضمن اینکه همه عناصر موجود در نمونه نیز بعد از تهییج در منبع تابش به طور همزمان طیف نشری خود را منتشر می کنند. بنابراین واضح است که از این روش برای اندازه گیری چند عنصری استفاده شود.

برای طیف سنجی نشر اتمی شعله، که دمای کمتری دارد و برای آنالیز عناصر قلیایی و قلیایی که طیف نشری ساده ای دارند به کار می رود، از فیلتر فومتر برای تفکیک طول موج استفاده می شود.

تفکیک طول موج برای طیف های بسیار پیچیده نشری حاصله از پلاسما، قوس و جرقه الکتریکی که دمای بالاتر دارند، نیاز به وسایل نوری پیشرفته تری دارد. این تجهیزات باید بتوانند تفکیک طول موجی بالا (حداقل 0.01nm)، محدوده دینامیکی گسترده، شناسایی و انتخاب صحیح طول موج، پایداری بالا در برابر تغییرات محیطی و تصحیح زمینه آسانی داشته باشند.

طیف سنج ها در این دستگاه ها شامل تک فام ساز، آشکارساز و یک مبدل هستند. طیف سنج ها بر اساس عملکردشان در تفکیک طول موج و در نتیجه آنالیز عنصری به دو نوع ترتيبی (Sequential) و همزمان (Simultaneous) تقسیم می شوند.

طیف سنج ترتیبی (Sequential spectrometer)

در دستگاه های ترتیبی در هر زمان شدت نشری یک عنصر اندازه گیری می شود یعنی به صورت متوالی و پشت سرهم شدت خط نشری عناصر مورد نظر یک به یک اندازه گیری می شود. طیف سنج های ترتیبی اغلب شامل یک گریتینگ (grating) یا توری هستند که با چرخش کنترل شده طول موج های مورد نظر را به ترتیب بر روی شکاف خروجی متمرکز می کند. در این نوع دستگا ها آشکارساز در هر زمان فقط یک طول موج را اندازه گیری می کند و معمولا هم از آشکار ساز PMT استفاده می شود. برای اندازه گیری چند عنصر دستگاه های ترتیبی زمان بسیار بیشتری برای آنالیز مورد نیار است بنابراین اگرچه این دستگاه ها ساده تر و ارزان تر هستند ولی مصرف نمونه بیشتر و زمان آنالیز بالاتری دارند.

طیف سنج همزمان (simultaneous spectrometers)

طیف سنج های همزمان یا چند کاناله (multichannel) شدت خط نشری همه عناصر مورد نظر در یک زمان اندازه گیری می شود. تابش از میان توری های چند رنگ کننده گذر می کند و روی شکاف هاي گوناگون بازتابانده می شود به گونه اي که هر شکاف طول موج ویژه اي را پدید می آورد. دونوع عمومی دارند: چندرنگ کننده ها (Polychromator) و اسپکتروگراف (Spectrograph). پلی کروماتورها برای اندازه گیری و آنالیز همزمان چند عنصر استفاده شده و از چندین آشکار ساز PMT برای اندازه گیری شدت طیفی استفاده می کنند. عمومی ترین آرایش یا چیدمان یک اسپکترومتر چند کاناله با آشکار ساز PMT به دایره رولند (Rowland circle) معروف است که در شکل زیر به صورت شماتیک نشان داده شده است:

 

اسپکتوگراف ها شامل یک سری آشکارسازهای کوچک فوتوحساس هستند.  این  آشکارسازهای به گونه ای در کنار هم قرار گرفته اند که تمام عناصر یک دسته پرتو پاشیده شده از مونوکروماتور را هم زمان اندازه گیری می کند. دو نوع آشکار ساز دستگاه انتقال بار (Charge transfer devices) شامل دستگاه شارژ تزریقی (Charge-Injection Devices, CID) و دستگاه شارژ جفتی (Charge-Coupled Devices, CCD) از انواع متداول آشکارسازهای مورد استفاده در اندازه گیری های چند کاناله همزمان هستند.

در وسایل انتقال بار برخورد فوتون با سطح دیود تولید جفت های حفره- الکترون می کند. حفره-الکترون های مثبت به طور آزادانه در نیمه هادی نوع P حرکت می کند اما الکترون ها در خارن های ذخیره می شوند. هر خازن دارای یک الکترود کوچک نیز هست که با اعمال پتانسیل مثبت به این الکترود سبب می شود الکترون های تولید شده در زیر لایه عایق به دام بیافتند. با جاگذاری درست الکتردهای فلزی به راحتی یک آرایه دو بعدی ایجاد می شود. تفاوت CCD و CID  در نوع بازخوانی آنهاست. در CCD بازخوانی به صورت انتقال پیاپی بار به آمپلی فایر صورت می گیرد اما در CID بازخوانی با انتقال بار بین الکترودهای مجاور انجام می شود. این سبب می شود نوع CID دسترسی تصادفی سریعتر  و  زمان های انتگرال گیری بیشتری را داشته باشد.

نکات آنالیزی روش های طیف سنجی نشر اتمی

• امکان آنالیز کمی و کیفی عناصر فلزی و شبه فلزی

• برای بیشتر عناصرحد تشخیص در محدوده (g/mL, mg/μL) یا ppm و (g/μL) یا ppb

• امکان اندازه گیری مستقیم نمونه های جامد ( روش قوس و جرقه الکتریکی)

• اندازه گیری هم زمان چند عنصری

• عدم نیاز به منبع تابش نور

• مزاحمت نشری در آنالیزهای کمی

• تجهیرات گرانتر و شرایط اپراتوری پیچیده تر  نسبت به روش های طیف سنجی جذب اتمی

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

آنچه که باید در مورد جدول تناوبی بدانید

مقدمه

جدول تناوبی عنصرهای شیمیایی یا جدول مندلیف به انگلیسی: Periodic table یا periodic table of elements)، نمایش جدولی عنصرهای شیمیایی بر پایهٔ عدد اتمی، آرایش الکترونی و ویژگی‌های شیمیایی آن‌ها است. ترتیب جایگیری عنصرها در این جدول از عدد اتمی (شمار پروتون‌های) کمتر به سوی عدد اتمی بالاتر است. شکل استاندارد این جدول ۱۸ × ۷ است؛ عنصرهای اصلی در بالا و دو ردیف کوچکتر از عنصرها در پایین جای دارد. می‌توان این جدول را به چهار مستطیل شکست، این چهار بلوک مستطیلی عبارتند از: بلوک اس در سمت چپ، بلوک پی در راست، بلوک دی (فلزات واسطه) در وسط و بلوک اف (فلزات واسطهٔ داخلی) در پایین. ردیف‌های این جدول، دوره و ستون‌های آن، گروه های جدول تناوبی نام دارند. همچنین گاهی برخی از این گروه‌ها نام‌های ویژه‌ای دارند. برای نمونه گروه هالوژن‌ها و گازهای نجیب از آن جمله‌اند. هدف از ساخت جدول تناوبی، چه به شکل مستطیلی و چه به شکل‌های دیگر، بررسی بهتر ویژگی‌های شیمیایی عنصرها بوده‌است. این جدول، کاربرد زیادی در دانش شیمی و پردازش رفتار عنصرها دارد.

جدول تناوبی با نام دیمیتری مندلیف شناخته شده‌است، با اینکه پیشروان دیگری پیش از او وجود داشته‌اند. او این جدول را در سال ۱۸۶۹ منتشر کرد. این، نخستین جدولی بود که به این گستردگی مرتب شده بود. مندلیف این جدول را تهیه کرد تا ویژگی‌های دوره‌ای آنچه که بعدها «عنصر» نام گرفت را بهتر نشان دهد. وی توانسته بود برخی ویژگی‌های عنصرهایی که هنوز کشف نشده بود را پیش‌بینی کند و جای آن‌ها را خالی گذاشته بود. کم‌کم با پیشرفت دانش، عنصرهای تازه‌ای شناسایی شد و جای خالی عنصرها در جدول پُر شد. با شناسایی عنصرهای نو و گسترش شبیه‌سازی‌های نظری دربارهٔ رفتار شیمیایی مواد، جدول آن روز مندلیف بسیار گسترده‌تر شده‌است.

همهٔ عنصرهای شیمیایی از عدد اتمی ۱ (هیدروژن) تا ۱۱۸ (اوگانسون) شناسایی یا ساخته شده‌اند. دانشمندان هنوز به دنبال ساخت عنصرهای پس از اوگانسون هستند و البته این پرسش را پیش رو دارند که عنصرهای تازه‌تر چگونه جدول را اصلاح خواهند کرد. همچنین ایزوتوپ‌های پرتوزای بسیاری هم در آزمایشگاه ساخته شده‌است.

ویژگی های ظاهری جدول تناوبی

همهٔ نسخه‌های جدول تناوبی تنها دربردارندهٔ عنصرهای شیمیایی هستند و مخلوط، ترکیب یا ذرهٔ زیراتمی در آن‌ها جایی ندارد. هر عنصر شیمیایی یک عدد اتمی یکتا دارد و این عدد برابر با شمار پروتون‌ها در هستهٔ اتم آن عنصر است. اتم‌های گوناگون یک عنصر می‌توانند شمار نوترون‌های متفاوتی داشته باشند. در این حالت به آن‌ها ایزوتوپ گفته می‌شود. برای نمونه کربن سه ایزوتوپ طبیعی دارد. همهٔ ایزوتوپ‌های کربن ۶ پروتون، و بیشتر آن‌ها ۶ نوترون دارند؛ اما یک درصد آن‌ها ۷ نوترون و شمار بسیار کمتری از آن‌ها ۸ نوترون دارند. ایزوتوپ‌ها در جدول تناوبی به صورت جداگانه، نمایش داده نمی‌شوند؛ بلکه میانگین آن‌ها به عنوان جرم اتمی در زیر عنصر درج می‌شود. برای عنصرهایی که هیچ ایزوتوپ پایداری ندارند، جرم اتمی پایدارترین یا متداول‌ترین ایزوتوپ آن‌ها درون پرانتز نوشته می‌شود.

در جدول تناوبی استاندارد عنصرها به ترتیب عدد اتمی (شمار پروتون‌ها در هسته)، به صورت صعودی مرتب شده‌اند. هر ردیف تازه در جدول، که یک دوره یا تناوب نامیده می‌شود، با افزوده شدن نخستین الکترون به یک لایهٔ الکترونی تازه آغاز می‌شود. عنصرهایی که در یک ستون جدول (گروه) جای گرفته‌اند، همگی در لایهٔ آخر الکترونی خود دارای تعداد الکترون‌های برابر هستند؛ به عبارت دیگر آرایش الکترونی لایهٔ آخر آن‌ها یکسان است. مانند اکسیژن و سلنیم که هر دو در یک ستون هستند و هر دو چهار الکترون در لایهٔ بیرونی آرایش الکترونی خود یعنی تراز p دارند. عنصرهایی که ویژگی‌های شیمیایی مشابه دارند، معمولاً در یک گروه از جدول قرار می‌گیرند. اما در بلوک f عنصرهایی که در یک دوره هستند نیز ویژگی‌های مشابهی را نشان می‌دهند. در نتیجه به آسانی می‌توان ویژگی‌های شیمیایی یک عنصر را با آگاهی از عنصرهای پیرامونی‌اش پیش‌بینی کرد.

تا سال ۲۰۱۵، جدول تناوبی ۱۱۸ عنصر داشته‌است که ۱۱۴ عنصر به صورت رسمی از سوی اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی پذیرفته و نامگذاری شده‌اند. ۹۸ عنصر از مجموع ۱۱۸ عنصر در طبیعت یافت می‌شوند و از آن میان، ۸۴ مورد، عنصرهای پایدار یا دارای نیم‌عمر بیش از سن زمین هستند. در حالی که ۱۴ عنصر باقی‌مانده نیم‌عمر کوتاهی دارند یا به عبارت دیگر پرتوزا هستند. در حال حاضر، این عنصرها تنها بر اثر انجام واکنش هسته‌ای در عنصرهای دیگر به وجود می‌آیند و فراوانی ناچیزی دارند. تمام عنصرهای با عدد اتمی ۹۹ تا ۱۱۲ (که مابین اینشتینیم و کوپرنیسیم قرار دارند) و نیز دو عنصر فلروویوم و لیورموریوم، در طبیعت پدید نیامده‌اند، بلکه در آزمایشگاه ساخته شده‌اند. سپس آیوپاک آن‌ها را به‌طور رسمی پذیرفته‌است. گزارش شده که عنصرهای ۱۱۳، ۱۱۵، ۱۱۷ و ۱۱۸ هم در آزمایشگاه ساخته شده‌اند، اما هنوز آیوپاک آن‌ها را تأیید نکرده‌است. برای همین، این عنصرها هنوز بر پایهٔ عدد اتمی‌شان شناخته می‌شوند. تاکنون عنصری سنگین‌تر از کالیفرنیم (عنصر ۹۸) در طبیعت به صورت خالص در اندازهٔ قابل مشاهده، پیدا نشده‌است. تا سال ۲۰۱۸ هنوز عنصری با عدد اتمی بزرگتر از ۱۱۸ ساخته نشده‌است.

روش دسته‌بندی

عنصرها در جدول تناوبی به صورت افقی (چپ به راست) در دوره‌های ۱ تا ۷ و به صورت عمودی (بالا به پایین) در گروه‌های ۱ تا ۱۸ دسته‌بندی می‌شوند. هم‌چنین دسته‌بندی دیگری بر اساس لایهٔ الکترونی در حال پر شدن وجود دارد که بر اساس آن، عنصرها در بلوک‌های s و p و d و f قرار می‌گیرند.

گروه

یک گروه یا خانواده، یک ستون عمودی از جدول تناوبی است. عنصرهای یک گروه معمولاً ویژگی‌های نزدیک به هم بیشتری نسبت به عنصرهای یک دوره یا بلوک دارند. دانش مکانیک کوانتوم که دربارهٔ ساختار اتمی پژوهش می‌کند، نشان می‌دهد که چون عنصرهای موجود در یک گروه همگی از آرایش الکترونی یکسانی در لایهٔ آخر الکترونی برخوردارند؛  بنابراین ویژگی‌های شیمیایی مشابهی از خود نشان می‌دهند و هرچه عدد اتمی آن‌ها بالاتر می‌رود، این مشابهت‌ها افزایش پیدا می‌کند.  با این حال گاهی در بلوک d و f همانندی‌های عنصرهای یک دوره به اندازهٔ همانندی‌ها در یک گروه مهم هستند. به همانندی (شباهت) در یک دوره، همانندی افقی و در یک گروه، همانندی عمودی گفته می‌شود.

بر اساس یک قرارداد جهانی، گروه‌ها از ۱ تا ۱۸ شماره‌گذاری شده‌اند که گروه شمارهٔ یک را نخستین گروه از چپ (فلزهای قلیایی) و آخرین گروه را گروه نخست از راست (گازهای نجیب) در نظر گرفته‌اند. در گذشته، شمارهٔ گروه‌ها را با عددهای رومی نشان می‌دادند. همچنین در آمریکا برای گروه‌های بلوک اس و پی یک حرف A و برای عنصرهای بلوک دی یک حرف B در کنار شمارهٔ رومی گروه می‌گذاشتند. برای نمونه گروه چهار به صورت IVB و گروه چهاردهم (یا عنصرهای گروه کربن) به صورت IVA نمایش داده می‌شد. در اروپا هم همین روش به کار می‌رفت، با این تفاوت که حرف A برای گروه‌های پیش از گروه ۱۰ و حرف B برای عنصرهای گروه ۱۰ و گروه‌های پس از آن بکار می‌رفت. در سال ۱۹۸۸ آیوپاک سامانهٔ نام‌گذاری تازه‌ای را پیشنهاد کرد و روش‌های پیشین همگی فراموش شد.

ویژگی‌های عنصرهای یک گروه مانند شعاع اتمی، انرژی یونش و الکترون‌دوستی مشابه یکدیگر هستند. از بالا به پایین، شعاع اتمی عنصرها افزایش می‌یابد، در نتیجه الکترون‌های لایهٔ آخر در فاصلهٔ دورتری از هسته جای می‌گیرند، چون ترازهای انرژی بیشتری پُر شده‌اند. از بالا به پایین، انرژی یونش کاهش می‌یابد. چون الکترون‌ها کمتر به هسته پیوند خورده‌اند و آسان‌تر می‌توان آن‌ها را جدا کرد. با تحلیل مشابه، از بالا به پایین الکترون‌دوستی عنصرها کاهش می‌یابد. چون فاصلهٔ میان الکترون‌های لایهٔ آخر و هسته افزایش می‌یابد.  البته در این میان استثناهایی هم وجود دارد. برای نمونه در گروه ۱۱ الکترون‌دوستی از بالا به پایین افزایش می‌یابد.

دوره

یک دوره در جدول تناوبی، یک ردیف افقی از این جدول است. با اینکه عنصرها در یک گروه همانندی‌های بسیاری دارند، اما بخش‌هایی از دوره‌ها هستند که از اهمیتی بیش از گروه‌ها برخوردارند. مانند بلوک F، جایی که لانتانیدها و آکتینیدها دو مجموعهٔ افقی از عنصرهای جدول را می‌سازند.

عنصرها در یک دوره همانندی‌هایی از لحاظ شعاع اتمی، انرژی یونش، الکترون‌دوستی و الکترون‌خواهی (مقدار انرژی آزاد شده هنگامی که یک الکترون به یک مولکول یا اتم خنثی افزوده می‌شود) از خود نشان می‌دهند. در یک دوره از چپ به راست، شعاع اتمی کاهش می‌یابد. این پدیده، به این دلیل است که با افزایش عدد اتمی در یک دوره، شمار لایه‌های الکترونی ثابت است، اما شمار پروتون‌ها افزایش می‌یابد. برای همین الکترون‌ها بیشتر به سوی هسته کشیده می‌شوند. کاهش شعاع اتمی باعث افزایش انرژی یونش می‌شود (از چپ به راست). هرچه پیوندها در یک عنصر محکم‌تر باشد، انرژی بیشتری هم برای جداسازی یک الکترون نیاز است. الکترون‌دوستی مانند انرژی یونش رفتار می‌کند و از چپ به راست افزایش می‌یابد. چون کشش هسته بر روی الکترون‌ها افزایش می‌یابد. همچنین مقدار الکترون‌خواهی هم در طول یک دوره اندکی تغییر می‌کند. فلزها (عنصرهای سمت چپ دوره) معمولاً نسبت به نافلزها (سمت راست دوره) الکترون‌خواهی پایین‌تری دارند. این قانون برای گازهای نجیب برقرار نیست.

بلوک

چون لایهٔ آخر الکترونی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، جدول تناوبی به بخش‌هایی وابسته به این لایه‌های الکترونی تقسیم شده‌است. به هر یک از این بخش‌ها یک بلوک می‌گویند. بلوک اس دربردارندهٔ دو گروه نخست جدول (فلزهای قلیایی و قلیایی خاکی) و دو عنصر هیدروژن و هلیم است. بلوک پی دربردارندهٔ شش گروه آخر جدول، گروه‌های ۱۳ تا ۱۸ آیوپاک (۳A تا ۸A در نامگذاری آمریکایی) است. همهٔ شبه‌فلزات و نافلزها در این بلوک جای می‌گیرند. بلوک دی دربردارندهٔ گروه‌های ۳ تا ۱۲ آیوپاک (۳B تا ۸B در نامگذاری آمریکایی) و همهٔ فلزات واسطه است. بلوک اف که بیشتر در پایین بدنهٔ اصلی جدول جای می‌گیرد دربردارندهٔ لانتانیدها و اکتینیدها است.

تاریخچه

در سال ۱۷۸۹ آنتوان لاووازیه فهرستی از ۳۳ عنصر شیمیایی را منتشر کرد. او این عنصرها را زیر نام‌های گازی، فلزی، نافلزی و خاکی دسته‌بندی کرده بود.  سپس در دههٔ ۱۷۹۰ یرمیا بنیامین ریشتر جدول وزن معادل را تهیه کرد. به این منظور، مقدار وزنی اسیدهایی که با یک مقدار مشخص باز ترکیب می‌شدند و نیز مقدار فلزهایی که با مقدار مشخصی اسید ترکیب می‌شدند را اندازه‌گیری کرد. در سال ۱۸۲۹ یوهان ولفگنگ دوبرآینر دریافت که بسیاری از عنصرها را می‌توان بسته به ویژگی‌های شیمیایی آنها، در دسته‌های سه‌تایی بخش‌بندی کرد. برای نمونه لیتیم، سدیم و پتاسیم را با هم در دستهٔ فلزهای واکنش‌پذیر نرم گذاشت. همچنین او متوجه شد که وقتی عنصرها را به ترتیب وزن اتمی دسته‌بندی می‌کند، وزن عنصر دوم (میانی) تقریباً برابر است با میانگین وزن عنصر پیش و پس از خود (عنصر اول و سوم). این پدیده به نام قانون سه‌تایی یا سه‌تایی دوبرآینر شناخته شد. شیمیدان آلمانی لئوپولد گملین با همین روش ادامه داد و تا سال ۱۸۴۳ توانست ده دستهٔ سه‌تایی، سه دستهٔ چهارتایی و یک دستهٔ پنج‌تایی را شناسایی کند. در سال ۱۸۵۷ ژان باتیست آندره دوما توانست ارتباط‌هایی میان دسته‌های گوناگون فلزها به دست آورد. تا این دوره شیمی‌دانان گوناگون توانسته بودند ارتباط‌های گوناگونی میان دسته‌های کوچک عنصرها به دست آورند؛ اما هیچ‌یک جدول کلی ارائه نکرده‌بودند.

در ۱۸۵۸ شیمیدان آلمانی فریدریش آگوست ککوله مشاهده کرد که کربن همواره با چهار اتم پیرامون خود پیوند برقرار می‌کند. برای نمونه در متان یک کربن با چهار هیدروژن پیرامون خود پیوند خورده‌است. این مفهوم کم‌کم با نام والانس یا الکترون‌های ظرفیت شناخته شد. منظور از والانس یک اتم، تعداد اتم‌هایی است که با آن اتم پیوند می‌خورند.

در ۱۸۶۲ یک زمین‌شناس فرانسوی به نام الکساندر-امیل بگویه دو شانکورتوآ یک نمای اولیه از جدول تناوبی را منتشر کرد و نام آن را «مارپیچ خاکی» یا «مارپیچ» گذاشت. او نخستین کسی بود که متوجه ویژگی‌های تناوبی عنصرها شد و آن‌ها را به ترتیب عدد اتمی از کمتر به بیشتر در یک استوانهٔ مارپیچ مرتب کرد. همچنین او نشان داد که عنصرهایی که ویژگی‌های مانند هم دارند در فاصله‌ای ثابت از هم قرار دارند (شمار عنصرهای میان آن‌ها همیشه ثابت است). جدول او برخی یون‌ها و ترکیب‌ها را هم دربرداشت. مقاله‌ای که او دربارهٔ جدول خود منتشر کرد، بیش از دانش شیمی، به مطالب مربوط به زمین‌شناسی پرداخته بود. برای همین تا پیش از جدول دیمیتری مندلیف توجه کمی را به خود جلب کرد.

در ۱۸۶۴ شیمی‌دان آلمانی، جولیوس لوتار میر جدولی ساخته‌شده از ۴۴ عنصر را بر پایهٔ الکترون‌های لایهٔ ظرفیت (والانس) ارائه کرد. این جدول نشان می‌داد که عنصرهایی که ویژگی‌های مانند هم دارند، معمولاً الکترون‌های ظرفیت برابر هم دارند. هم‌زمان شیمیدان انگلیسی، ویلیام آدلینگ هم جدولی ساخته‌شده از ۵۷ عنصر منتشر کرد. جدول آدلینگ بر پایهٔ وزن اتمی بود که چندین جای خالی و نکتهٔ غیرمعمول در آن دیده می‌شد. او متوجه مفهوم تناوبی بودن جرم اتمی در میان عنصرها و مسئلهٔ گروه‌بندی عنصرها در جدول شده بود  اما هرگز پیگیر ادامهٔ آن نشد. او در ۱۸۷۰ عنصرها را برپایهٔ الکترون‌های لایهٔ ظرفیت (والانس) مرتب کرد و به عنوان جدول پیشنهادی خود ارائه کرد.

شیمی‌دان انگلیسی جان نیولندز از سال ۱۸۶۳ تا ۱۸۶۶ مجموعه مقالاتی را منتشر کرد. او در این مقاله‌ها توضیح می‌داد که هنگامی که عنصرها به ترتیب از عدد اتمی کمتر به بیشتر مرتب شوند در دسته‌های هشت‌تایی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مشابهی را تکرار می‌کنند. او این تناوب و تکرار هشت‌تایی را به هشتگان‌های موسیقی همانند کرد. قانون هشتگان‌های نیولندز از سوی همکارانش احمقانه دانسته شد و جامعهٔ شیمی حاضر به انتشار کار او نشد.  برخلاف این برخورد، نیولندز داده‌های جدول هشتایی خود را جمع‌آوری کرد و از آن برای پیش‌بینی عنصرهای ناشناخته مانند ژرمانیم بهره برد.  جامعهٔ شیمی پنج سال پس از آنکه جدول تناوبی مندلیف به جهان معرفی شد، به کار نیولندز بها داد.

در سال ۱۸۶۷ یک شیمیدان زادهٔ دانمارک به نام گوستاووس هینریشس یک جدول تناوبی مارپیچ پیشنهاد کرد. این جدول برپایهٔ طیف اتمی، وزن و شباهت‌های شیمیایی بود. جدول او به عنوان کاری «منحصربه‌فرد»، «درخور توجه» و البته «تودرتو و پیچیده» دانسته شد. چنین توصیفاتی مانع از شناسایی و پذیرش عمومی جدول او شد.

جدول مندلیف

استاد روس شیمی، دیمیتری مندلیف و شیمی‌دان آلمانی، ژولیوس لوتار میر، هر یک به صورت مستقل جدولی را به ترتیب در سال‌های ۱۸۶۹ و ۱۸۷۰ منتشر کردند.  جدول مندلیف، نخستین نسخه از کار او بود؛ درحالی که جدولی که میر منتشر کرد، نسخهٔ گسترش یافتهٔ جدول پیشین او بود که در سال ۱۸۶۴ منتشر کرده بود.  هر دو نفر، عنصرها را در ردیف‌ها و ستون‌ها به ترتیب وزن اتمی فهرست کرده بودند. در هر دو جدول در آغاز یک ستون یا ردیف، ویژگی‌های عنصرها به صورت مرتب تکرار می‌شد.

مندلیف در این جدول دو انتخاب مهم انجام داده بود که باعث شد تا جدول او مورد پذیرش عمومی قرار گیرد: نخست اینکه جای عنصرهایی را که هنوز شناسایی نشده بود، خالی گذاشته بود.  مندلیف نخستین شیمی‌دانی نبود که چنین کرده بود، اما نخستین کسی بود که با توجه به ردپایی که از جدول داشت، جای عنصرها را پیش‌بینی کرده بود. عنصرهایی مانند گالیم و ژرمانیم عنصرهایی بودند که بعداً شناسایی شدند. انتخاب دوم مندلیف در جای‌گذاری و دسته‌بندی عنصرها بود، او گاهی ویژگی وزن اتمی را نادیده گرفته بود و به جای آن، عنصرها را با توجه به ویژگی‌های شیمیایی جای‌گذاری کرده بود. عنصرهایی مانند تلوریم و ید از این دست بودند. بعدها با پیشرفت علم معلوم شد که مندلیف نادانسته عنصرها را به ترتیب افزایش عدد اتمی و بار هسته مرتب کرده بود.

اهمیت عدد اتمی در جای‌گذاری عنصرها در جدول تناوبی نادیده گرفته می‌شد تا این‌که وجود و ویژگی‌های پروتون و نوترون در هسته شناسایی شد.

گسترش جدول تناوبی

مندلیف در سال ۱۸۷۱ جدول خود را به روز کرد و جزئیات بیشتری از عنصرهایی که جای آن‌ها را پیش‌بینی می‌کرد، ارائه داد. او باور داشت که این عنصرها وجود دارند، اما هنوز شناسایی نشده‌اند. با گذر زمان و شناسایی عنصرهایی که به صورت طبیعی یافت می‌شوند، جاهای خالی کم‌کم پر شد. باور عمومی چنین است که آخرین عنصر شناسایی شده‌ای که به صورت طبیعی پدید می‌آید، فرانسیم است که در سال ۱۹۳۹ شناسایی شد. مندلیف این عنصر را «اکا-سزیم» (اکا به معنی همانند) نامیده بود.  پس از آن، در سال ۱۹۴۰ عنصر پلوتونیم به صورت آزمایشگاهی تولید شد؛ اما در سال ۱۹۷۱ دانشمندان به این نتیجه رسیدند که این عنصر به صورت طبیعی ساخته می‌شود.

جدول تناوبی پرکاربرد امروزی  که به نام جدول تناوبی استاندارد یا جدول تناوبی متداول نیز شناخته می‌شود، جدولی است که به شیمی‌دان آمریکایی هوراس گرووز دمینگ نسبت داده می‌شود. دمینگ در ۱۹۲۳ دو نسخهٔ کوتاه (نسخهٔ مندلیفی و ۱۸ ستونی ) جدول تناوبی را منتشر کرد.  بعدها در سال ۱۹۲۸ نسخهٔ ۱۸ ستونی جدول دمینگ به صورت گسترده در دسترس مدرسه‌های آمریکا قرار گرفت. تا دههٔ ۱۹۳۰ جدول دمینگ در بسیاری از کتاب‌ها و دانشنامه‌های شیمی در دسترس بود. همچنین برای سال‌ها توسط انتشارات علمی سرجنت-ولچ منتشر می‌شد.

با پیشرفت دانش مکانیک کوانتوم و افزایش دانش دربارهٔ الکترون‌ها و نقش آن‌ها در اتم، روشن شد که جای‌گیری عنصرها در هر دوره (ردیف) از جدول تناوبی با پر شدن یکی از لایه‌های الکترونی همسنگ است. اتم‌های بزرگتر، الکترون‌ها و در نتیجه زیرلایه‌های بیشتری دارند. پس با افزایش شمارهٔ دوره، طول دوره‌های جدول بیشتر می‌شود.

در ۱۹۴۵، دانشمند آمریکایی گلن سیبورگ گفت که الکترون‌ها در اکتینیدها مانند لانتانیدها بلوک اف از لایه‌های الکترونی را پر می‌کنند. چرا که پیش از آن فرض می‌شد که الکترون‌های لایهٔ آخر این عنصرها در بلوک دی جای می‌گیرند. همکار سیبورگ به او توصیه کرد که چنین مطلبی را منتشر نکند و آیندهٔ کاری خود را به خطر نیندازد. با این حال، او پیشنهاد خود را ارائه داد که از سوی جامعهٔ علمی درست دانسته شد. سیبورگ به تلاش خود ادامه داد و در سال ۱۹۵۱ توانست جایزهٔ نوبل شیمی را به خاطر کار بر روی اکتینیدها از آن خود کند.