Periyodik tablonun doğuşu ve gelişimi

Mendeleyev'in periyodik tablosu, Kimya'nın Prensipleri (Osnovy khimii) başlıklı kitabından, Science History Institute, Public Domain.

2019 yılı, Dmitry Mendeleyev’in (1834-1907) elementlerin periyodik tablosunu düzenlemesinin 150. yılı.

Mendeleyev’in tablosu, 1869 yılında yayınlandığında atom altı parçacıklar henüz bulunmamıştı. Bu yüzden hazırladığı tablo tam olarak doğru değildi. Fakat onun çalışmasının en önemli özelliği, elementlerin atom ağırlıkları ile fiziksel ve kimyasal özellikleri arasında bağ olduğunu ortaya koyarak fizikte ve kimyada, bilinmeyen elementlerin keşfine ve elementlerin özelliklerinin daha iyi anlaşılmasına götüren yeni bir dönemi başlatmış olmasıdır.

Elementlerin keşiflerinin tarihi, aynı zamanda fizikteki ve kimyadaki gelişmelerin tarihidir.

Milattan önce sadece yedi element biliniyordu; altın, gümüş, bakır, kurşun, kalay, demir ve cıva. Metal cevherlerinin ateşle eritilmesi tarihteki en büyük devrimlerden biridir. Bu sayede bileşik haldeki cevherlerden saf metaller elde edilmeye başlandı. Yine ateşin yardımıyla metaller karıştırılarak alaşım yapılabildi.

Ateş, hava, su ve toprağın temel elementler olduğu düşüncesi yaklaşık 2000 yıl boyunca insan düşüncesine egemen oldu.

Miletli Thales (MÖ 624-546), Resimli Dünya Tarihi vol 1, E. Wallis, 1875. (Wikimedia Commons)

Thales (MÖ 624-546) suyun en temel madde olduğunu düşünüyordu. Thales’e göre her şey sudan geliyordu.

Anaksimandros (d. MÖ 610) ise temel maddenin, aperion adını verdiği, niteliği belirsiz niceliği ise sonsuz olan bir madde olduğunu düşünüyordu.

Anaksimenes (MÖ 585-525) için de en temel (ayrıştırılamaz) madde havaydı.

Aristoteles (MÖ 384-322), bilinen yedi metalin toprak, hava, ateş ve sudan geldiğini, her cismin bu dört maddenin çeşitli oranlardaki karışımlarından oluştuğunu düşünüyordu.

Simyacılar için en önemli hedef, kurşun ya da cıva gibi ana metallerin altına nasıl dönüştürülebileceğinin bilgisine ulaşmaktı. Bu amaçla cevherlere çok çeşitli işlemler uyguladılar. Simyacıların bu çabaları, hem yeni elementlerin bulunmasına yol açtı hem de bazıları 17. yüzyıla kadar kullanılan kimya aletlerinin icat edilmesini sağladı.

Simyadan kimyaya geçiş, havanın özelliklerinin incelenmesi ve oksijenin keşfi dönemine karşılık gelir.

Robert Boyle (1627-1691), atomculuğu benimsemişti. Aristoteles’in fikirlerini reddetti ve ateş, toprak, hava ve su dahil her şeyin atomlardan meydana geldiğini ileri sürdü. Bununla birlikte Boyle’un atomları lego gibiydi, ona göre elementleri farklı kılan şey atomların biçimlerinin ve boyutlarının farklı olmasıydı.

 Pristley (1733-1804), gerçekte oksijeni izole etmeyi başarmıştı ama ona “flojistonsuzlaştırılmış hava” demişti. Flojistonun da, flojistonsuzlaştırılmış havanın da olmadığını gösteren kişi Lavoisier (1743-1794) oldu.

Lavoisier, suyun oksijen ve hidrojenden oluştuğunu gösterdi. Kimyasal tepkimelerde kütlenin korunumu ilkesini ortaya koyarak kimyada bir devrim yaptı, kimyayı matematikselleştirdi. 33 elementten oluşan bir tablo hazırladı (bu tablodaki elementlerden bazıları bugün element sayılmamaktadır). Lavoisier, elementi, “kimyasal analizle artık ayrıştırılamayan şey” diye tanımlayarak kimyada (ve fizikte) önemli bir yol açmıştır. Lavoisier’nin sıraladığı elementlerden bazıları aslında bileşikti, fakat Lavoisier onları ayrıştıramamıştı.

Proust (1754-1826), her bileşiğin farklı bir formülü olduğunu ve bu nedenle elementlerin ancak belirli biçimlerde birleşebildiğini ileri sürdü. Ona göre, bir bileşikteki elementler, her zaman sabit orantılı ağırlıkta bulunabilirlerdi.

Dalton (1766-1844), atmosferdeki gazların hareketleriyle ilgili gözlemlerinin sonucunda, her maddenin, katı, bölünemez ve yok edilemez atomlardan oluştuğunu ileri sürdü. Dalton, oksijenin, hidrojenin, sülfürün aynı maddeden yapıldığını ama atomlarının boyutlarının ve biçimlerinin farklı olduğunu düşünüyordu. Dalton’un atomla ilgili düşünceleri, kimyacıları elementlerin farklı sayıda atomlara sahip olduğu düşüncesine yöneltmiştir. Dalton atomları tartmayı da denedi ve bu deneyiminin sonucunda elementlerin görece ağırlıkları kavramına ulaştı. Dalton’un hesaplamaları günümüzde artık geçerli değil fakat onun atom ağırlıklarını ölçme yolu hakkındaki fikirleri, periyodik tablodaki atom ağırlıkları kavramına götürmüştür. Dalton aynı zamanda ilk defa kimyasal simgeler kullanan bilimcidir (Berzelius (1779-1848) ise atomları harflerle ifade etmişti).

Pilin 1800’de Volta (1745-1827) tarafından icadı, kimyada yeni bir devreyi başlattı. Pilin sağladığı sürekli elektrik sayesinde artık elektroliz yoluyla bileşikler bileşenlerine ayrılabiliyordu. Bu yoldan yeni elementler elde edildi. (1859’da Kirchhoff (1824-1887) ve Bunsen (1811-1899) tarafından spektroskop aygıtının ve spektroskopi metodunun geliştirilmesiyle de birçok yeni element keşfedildi).

Davy (1778-1829), “elektroliz, elementlerin artı veya eksi kutba gitmesine neden oluyorsa, o takdirde, elementlerin kendileri de artı veya eksi yüklü olmalı” diye düşünmüştü. Bu düşünce kimyada yeni bir çığır açtı. Çünkü elementlerin elektriksel yüklerinin, onların periyodik tablodaki yerleriyle ilgisi vardı.

Gay-Lusaac (1778-1850), gazların hep tam sayıların katları hacimler halinde birleştiğini fark etti.

Avogadro (1776-1856) ise eşit hacimdeki gazların (eşit basınç ve sıcaklıkta) aynı sayıda molekül içerdiğini öne sürdü.

Döbereiner (1780-1849), bazı elementlerin oluşturduğu üçlü gruplar olduğunu farketti öyle ki bir elementin atom ağırlığı, diğer iki elementin atom ağırlıklarının yaklaşık olarak ortalaması oluyordu.

1860’lı yıllarda Newlands (1837-1898), Meyer (1848-1897) ve Mendeleyev, elementlerin atom ağırlıklarına göre listelendiklerinde periyodik özellikler gösterdiklerini keşfettiler. Newlands 1864 yılında hazırladığı, atom ağırlıklarına göre sıraladığı 51 elementlik tabloda, her sekizinci elementin yaklaşık olarak benzer özellikler taşıdığını (oktavlar ilkesi) ileri sürdü. Böylece elementler tablosu periyodik yasa gereğince periyodik olma niteliğini kazandı. Böylece periyodiklik ilkesi, yeni elementlerin tabloda olabilecekleri yerleri düşündürttü ve nitekim daha sonra bazı elementler, olmaları gereken yerlerde keşfedildiler.

Dmitry Mendeleyev (1834-1907) (Wikimedia Commons)

Artık atom ağırlıklarına göre, bilinmeyen elementlerin keşfini tahmin etmek aşamasına gelinmişti. Bu keşfin onuru Mendeleyev’e aittir. Mendeleyev ilk elementler tablosunu 1869’da yayınladı. 1871’de daha doğru olan ikinci tablosunu düzenledi. Bu tablolarında, bilinen elementleri atom ağırlıklarına göre periyodlar halinde sıralamıştı. Mendeleyev tablosunda boşluklar bırakacağı yerleri biliyordu ve bu boşluklar, yeni elementlerin nerede aranması gerektiğini gösteriyordu. Nitekim bazı elementler Mendeleyev’in tahmin ettiği aralıklarda bulunmuştur. Örneğin 1879’da skandiyumun keşfi, periyodik yasanın onaylanmasında önemli bir kanıt oluşturmuştu. Çünkü bu elementin özellikleri, Mendeleyev’in öngörülerine çok yakındı. Mendeleyev’in tablosu, yalnızca önceden bilinmeyen elementlerin bulunmasını sağlamakla kalmamış, aynı zamanda bazı elementlerin kabul edilen atom ağırlıklarındaki hataları düzeltmek için de kulanılmıştır.

Günümüzdeki periyodik elementler tablosunun yaratıcısının Mendeleyev olduğu kabul ediliyor. Mendeleyev 1907’de öldüğünde öğrencileri cenaze töreninde büyük periyodik tablo posterlerini taşımışlardı.

Atom altı parçacıklarının bulunması, fizikte, kimyada ve periyodik tablonun düzenlenmesinde yeni bir dönemi başlattı. Mendeleyev elementler düzeninde anahtar rolün atom ağırlığında olduğunu düşünmüştü. Moseley (1887-1915) (Çanakkale savaşında 28 yaşında öldü) ise düzenin altında yatan asıl nedenin atom ağırlığı değil, her bir elementin atomunun sahip olduğu proton sayısı olduğunu ileri sürdü. Ancak nötronun keşfi, Moseley’in ölümünden sonra keşfedildiği için Moseley, atomun ağırlığının ve kütlesinin hesaplanmasında nötronu dikkate alamadığından kesin sonuçlara ulaşamamıştı.

Böylece atom altı parçacıkların periyodik tablonun daha kesin sonuçlarla düzenlenmesindeki kilit rolü ortaya çıkmıştı.

Periyodik tablo ile kuantum teorisi arasındaki ilişki, bilim tarihi bakımından önemlidir. 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.

Osman Bahadır

Yararlanılan başlıca kaynaklar:

F. Bynum, E. J. Browne (ed.); The History of Science, Macmillan Reference Books, USA, 1983.
Dominique Lecourt (ed.); Dictionnaire d’histoire et philosophie des sciences, puf, Paris, 1999.
Kenneth W. Ford; 101 Soruda Kuantum, Çev; Barış Gönülşen, Alfa Yayınları, İstanbul, 2011.

1 Yorum