Układ okresowy: naukowcy proponują nowy sposób uporządkowania pierwiastków

Układ okresowy pierwiastków, stworzony głównie przez rosyjskiego chemika Dmitrija Mendelejewa (1834-1907), obchodził w zeszłym roku 150-lecie istnienia. Trudno przecenić jego znaczenie dla zasad organizujących chemie – wszyscy początkujący chemicy zapoznają się z nią od najwcześniejszych etapów swojej edukacji.

Biorąc pod uwagę znaczenie układu okresowego, można by pomyśleć, że kolejność elementów nie jest przedmiotem dyskusji. Jednak dwóch naukowców z Moskwy w Rosji opublikowało niedawno propozycję nowego układu okresowego.

Zastanówmy się najpierw, jak został opracowany układ okresowy. Pod koniec XVIII wieku chemicy byli zgodni co do różnicy między pierwiastkiem a związkiem: pierwiastki były chemicznie niepodzielne (na przykład wodór, tlen), podczas gdy związki składały się z kombinacji dwóch lub więcej pierwiastków i miały właściwości zupełnie odmienne od ich pierwiastków składowych. Na początku XIX wieku istniały dobre poszlaki wskazujące na istnienie atomów. XIX wieku można było wymienić znane pierwiastki w kolejności ich względnej masy atomowej – na przykład wodór wynosił 1, a tlen 16.

Proste listy mają oczywiście charakter jednowymiarowy. Ale chemicy byli świadomi, że niektóre pierwiastki mają dość podobne właściwości chemiczne: na przykład lit, sód i potas lub chlor, brom i jod. Wydawało się, że coś się powtarza i umieszczając obok siebie podobne chemicznie elementy, można było zbudować dwuwymiarowy układ – narodził się układ okresowy pierwiastków.

Co ważne, układ okresowy Mendelejewa został wyprowadzony empirycznie na podstawie obserwowanych podobieństw chemicznych niektórych pierwiastków. Dopiero na początku XX wieku, po ustaleniu struktury atomu i rozwoju teorii kwantowej, wyłoniło się teoretyczne zrozumienie jego budowy.

Pierwiastki były teraz uporządkowane według liczby atomowej (liczby dodatnio naładowanych cząstek zwanych protonami w jądrze atomowym), a nie według masy atomowej, ale nadal według podobieństw chemicznych. Ale to ostatnie wynikało teraz z rozmieszczenia elektronów powtarzających się w tak zwanych „powłokach” w regularnych odstępach czasu. W latach czterdziestych większość podręczników zawierała układ okresowy podobny do tego, który widzimy dzisiaj, jak pokazano na poniższym rysunku.

Dzisiejszy układ okresowy. Offnfopt / Wikipedia

Zrozumiałe byłoby pomyśleć, że to już koniec sprawy. Jednak tak nie jest. Proste przeszukanie Internetu ujawni różne wersje układu okresowego pierwiastków. Istnieją wersje krótkie, długie, okrągłe, spiralne, a nawet wersje trójwymiarowe. Oczywiście wiele z nich to po prostu różne sposoby przekazywania tych samych informacji, ale nadal istnieją spory co do tego, gdzie należy umieścić niektóre elementy.

Dokładne rozmieszczenie poszczególnych elementów zależy od tego, które właściwości chcemy podkreślić. Zatem układ okresowy, który daje pierwszeństwo elektronowej strukturze atomów, będzie różnił się od tablic, dla których podstawowymi kryteriami są określone właściwości chemiczne lub fizyczne.

Wersje te nie różnią się zbytnio, ale są pewne pierwiastki – na przykład wodór – które można umieścić zupełnie inaczej w zależności od konkretnej właściwości, którą chcemy podkreślić. Niektóre tabele umieszczają wodór w grupie 1, podczas gdy w innych znajduje się on na szczycie grupy 17; na niektórych układach jest nawet samodzielną grupą.

Jednak bardziej radykalnie możemy rozważyć uporządkowanie pierwiastków w zupełnie inny sposób, który nie obejmuje liczby atomowej ani nie odzwierciedla struktury elektronowej – wracając do listy jednowymiarowej.

Nowa propozycja

Ostatnia próba uporządkowania elementów w ten sposób została niedawno opublikowana w Journal of Physical Chemistry przez naukowców Zaheda Allahyari i Artema Oganova. Ich podejście, opierając się na wcześniejszych pracach innych, polega na przypisaniu każdemu elementowi czegoś, co nazywa się liczbą Mendelejewa (MN). Istnieje kilka sposobów wyliczenia takich liczb, ale najnowsze badania wykorzystują kombinację dwóch podstawowych wielkości, które można zmierzyć bezpośrednio: promień atomowy pierwiastka i właściwość zwaną elektroujemnością, która opisuje, jak silnie atom przyciąga do siebie elektrony.

Jeśli ktoś łączy pierwiastki według ich MN, najbliżsi sąsiedzi mają, co nie dziwi, raczej podobne MN. Ale bardziej przydatne jest pójście o krok dalej i skonstruowanie dwuwymiarowej siatki opartej na MN elementów składowych w tak zwanych „związkach binarnych”. Są to związki złożone z dwóch pierwiastków, takich jak chlorek sodu, NaCl.

Jakie są zalety tego podejścia? Co ważne, może pomóc przewidzieć właściwości związków binarnych, których jeszcze nie stworzono. Jest to przydatne w poszukiwaniu nowych materiałów, które będą prawdopodobnie potrzebne zarówno dla przyszłych, jak i istniejących technologii. Z czasem bez wątpienia zostanie to rozszerzone na związki zawierające więcej niż dwa elementy elementarne.

Dobry przykład znaczenia poszukiwań nowych materiałów można docenić, biorąc pod uwagę układ okresowy pokazany na poniższym rysunku. Ta tabela ilustruje nie tylko względną obfitość pierwiastków (im większe pole dla każdego elementu, tym jest go więcej), ale także zwraca uwagę na potencjalne problemy z dostawami istotne pierwiastków dla technologii, które stały się wszechobecne i niezbędne w naszym codziennym życiu.

Tabela okresów pokazująca względną obfitość pierwiastków. European Chemical Society / wikipedia , CC BY-SA

Weźmy na przykład telefony komórkowe. Wszystkie elementy użyte do ich produkcji są oznaczone ikoną telefonu i widać, że kilku potrzebnych elementów jest coraz mniej – ich przyszła podaż jest niepewna.

Po 150 latach widzimy, że układy okresowe są nie tylko istotnym narzędziem edukacyjnym, ale pozostają przydatne dla badaczy w poszukiwaniu nowych, niezbędnych materiałów. Ale nie powinniśmy myśleć o nowych wersjach jako zamiennikach wcześniejszych przedstawień. Posiadanie wielu różnych tabel i list służy jedynie pogłębieniu naszego zrozumienia zachowania elementów.

Źródło: Nick Norman

The International Year of the Periodic Table

New ordering of elements could help find materials with promising properties

Atomic Theory

Nonempirical Definition of the Mendeleev Numbers: Organizing the Chemical Space

A chemical scale for crystal-structure maps

Zdjęcie: Alexey Godzenko/Shutterstock

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x