Svo­riai kin­ta, ele­men­tai kei­čia vie­tas, ra­my­bės ne­duo­da re­lia­ty­vu­mas – svar­biau­sia che­mi­jos mok­slo len­te­lė to­li gra­žu nė­ra sta­bi­li, ir nie­kas ne­žino, kuo vi­sa tai baig­sis

Jei imitavimas yra nuoširdžiausia pagyrų forma, periodinė lentelė turi daugybę tikrų gerbėjų. Šriftai, mėsos rūšys ir netgi Muppetai buvo išdėlioti pagal jos atvaizdą. Chemikai, elemento vietos lentelėje ir jo kaimynų žinojimas tebėra patikimiausias elemento savybių indikatorius – ir vertingas naujų medžiagų paieškos vedlys. „Tvarkos sudarymo iš chaoso prasme, ji lenktyniauja su Darwino Origin of Species,“ sako Peteris Edwardsas iš Oxfordo universiteto.

Periodinės lentelės ištakos siekia XIX a., kai chemikai pastebėjo, kad išrikiavus žinomus cheminius elementus pagal atominę masę, išryškėja tam tikra struktūra. Septintajame užpraeito amžiaus dešimtmetyje, Dmitrijus Mendelejevas ir kiti ėmė grupuoti elementus į eilutes ir stulpelius, norėdami šią struktūrą atspindėti – ir suvokė, kad plyšiai gautose lentelėse leidžia nuspėti tada dar nežinomų elementų egzistavimą.

Tik su kvantų teorijos atsiradimu XX a. imta pamažėle suvokti, kas slypi už šios struktūros. Periodinės lentelės eilutės ir blokai daugmaž atspindi, kaip atomo elektronai išsidėstę „sluoksniuose“ apie protonus branduolyje. Elektronai užpildo sluoksnius ir pasluoksnius, pradėdami nuo turinčio mažiausią energiją ir esančio arčiausiai branduolio. Elektronų skaičius tolimiausiame sluoksnyje, ir jo atstumas nuo branduolio ir kitų sluoksnių yra pagrindiniai chemines elemento savybes apibrėžiantys veiksniai. „Cheminis periodiškumas yra natūrali savybė,“ sako Ericas Scerri'is, chemijos filosofas iš Kalifornijos universiteto Los Angelese.

Bet tikriausiai būtent dėl to ir darome kai kurias skubotas išvadas apie lentelę. „Žmonės mano, kad viskas jau žinoma. Tačiau taip nėra – dar reikia išsiaiškinti daugybę, daugybę aspektų,“ sako Scerri'is. Elektronų konfigūracijos nevisada gerai atitinka chemines savybe. Savybė ir struktūra, kurią laikome savaime suprantama Žemėje, visiškai kitokia ekstremalioje kosmoso aplinkoje. Ir nemažai apie tai, kas vyksta lentelės gale – o ir kur tas galas yra – lieka neatsakyti klausimai. Kaip išvysite toliau pateikiamuose pavyzdžiuose, periodinė lentelė tebėra vykstantis darbas…

Svorių afera

Pirmosiose periodinėse lentelėse elementai būdavo išrikiuojami pagal didėjančią atominę masę – iš esmė, pagal protonų ir neutronų skaičių branduolyje. Bet daugelis atomų turi izotopus, kurių branduoliai skiriasi neutronų skaičiumi. Dabartinėse lentelėse elementai išrikiuojami pagal atominį skaičių – nekintantį protonų skaičių.

Atominė masė tebėra – bet kyla klausimas, kuri iš jų yra „teisinga“? Anksčiau ji būdavo rodoma kaip vienas skaičius, imant natūralių izotopų masių vidurkį ir atsižvelgiant į jų gausą. Bet tai palaikomas neteisingas manymas, kad šis skaičius yra kažkokia fundamentali konstanta, teigia Tyleris Coplenas iš Restono Stabilių izotopų laboratorijos Virdžinijos valstijoje. Iš tiesų, elemento, tarkime, anglies, atominė masė šiek tiek skiriasi, priklausomai nuo to, koks tiksliai kiekvieno izotopo yra pavyzdyje.

2009 m. lentelės sergėtojai, Tarptautinė teorinės ir taikomosios chemijos sąjunga (International Union of Pure and Applied Chemistry – IUPAC), ėmėsi veiksmų, pašalindama nustatytas atomines mases 10 elementų, tarp kurių vandenilis, litis, boras, anglis, azotas ir siera, pakeisdami juos masių spektru, parodančiu izotopų pasiskirstymą visuose žinomuose žemiškuose pavyzdžiuose. 2013 gegužę atėjo bromo ir magnio eilė. Kiti tikriausiai bus nikelis, selenas ir cinkas.

Tačiau ne visi elementai į savo masę žiūri taip lengvabūdiškai. Fluoras, aliuminis, natris, auksas ir dar 17 kitų elementų turi tik vieną stabilų izotopą, tai reiškia, kad jų atominė masė yra pastovi iš prigimties. Tad jų masės gali likti.

Trys – jau kompanija?

Dėliojant elementus periodinėje lentelėje pagal atominį skaičių, jų vieta tampa neginčijama – išskyrus tada, kai ginčijama. Paimkime dvi elementų eilutes, lyg paskutiniu momentu susizgribus pridėtas po pagrindine lentele: lantanidus ir aktinidus.

Du tarpai pagrindinėje lentelėje, po skandžiu ir itriu 3 grupėje, žymi vietas, kur turėtų įsiterpti tos dvi juostos. Tačiau kyla klausimas, kaip jas įterpti? Yra dvi minties mokyklos. Viena vadovaujasi elektronų konfigūracija: tiek skandis, tiek itris išoriniame sluoksnyje turi po tris elektronus, kaip ir lantanas ir aktinis, kairiausi šių serijų elementai, tad jie visai teisėtai užima savo vietas. Bet kiti nurodo, kad pagal chemines savybes, atominį spindulį ir lydymosi temperatūrą geriau tinka liutecis ir laurencis dešiniame eilutės gale. 2008 m., įtampa tarp dviejų pusių išsiliejo Journal of Chemical Education puslapiuose.

Disputo sprendimas svarbus, sako Scerri'is, ir ne tik vardan pedagoginio aiškumo. Itris gali būti naudojamas superlaidininkų, išlaikančių savybę praleisti srovę be varžos gana aukštoje temperatūroje, gamybai. Vyksta medžiagų, turinčių panašių savybių, medžioklė ir Scerri'is mano, kad liutecis ir laurencis gali būti nepakankamai vertinami, nes atrodo priklausantys kitai, visiškai nesusijusiai grupei.

Bet koks sprendimas įvyks dar negreit. IUPAC leido Scerri'iui sudaryti komitetą – bet tik tam, kad išsiaiškintų, kam tokio sprendimo gali reikėti.

Pusiau tuščia ar pusiau pilna?

Ankstyvojoje visatoje praktiškai tebuvo du paprasčiausi elementai, vandenilis ir helis. Bet randantis sudėtingesniems elementams, darėsi sudėtinga nuspręsti, kur jie tinka. „Panašu, lyg klaustume, kaip reikia klasifikuoti dinozaurus drauge su visais kitais gyvūnais,“ palygino Scerri'is.

Vandenilio atome yra vienas protonas, gaubiamas elektronų sluoksnio, kuriame yra venas elektronas, nors telpa du. Tai ar sluoksnis pusiau tuščias ar pusiau pilnas? Dauguma elementų cheminėse reakcijose pasiima arba atiduoda elektronus. Vandenilis gali veikti dvejopai, kartais prisijungdamas elektroną, kad užpildytų sluoksnį ir sudarytų tokius junginius kaip natrio hidridas (NaH), o kartais vienintelį elektroną prarandą ir sudaro tokius junginius, kaip vandenilio fluoridas (HF).

Daugumoje periodinių lentelių, taip pat ir IUPAC, vandenilis dedamas pirmojoje grupėje, drauge su elektronus atiduodančiais metaliniais elementais, tokiais, kaip litis ar natris. Bet netgi IUPAC leidžia vandeniliui taip pat patogiai įsitaisyti prie elektronų trokštančių halogenų, tokių, kaip fluoras 17 grupėje. Daugumos chemikų toks nevienareikšmiškumas itin nejaudina. „Nematau bėdos įtraukti vandenilį į 1 ir į 17 grupę“, sako Pekka Pyykkö iš Helsinkio universiteto Suomijoje.

Tuo tarpu su heliu bėda, kad dėl užpildyto išorinio sluoksnio jis praktiškai su niekuo nereaguoja. Standartinėje periodinėje grupėje. Bet kadangi jo išoriniame sluoksnyje tėra du elektronai, kai kam atrodo, kad jam tinkamesnė vieta būtų šalia tokių elementų, kaip berilis, 2 grupėje.

Šį įtarimą stiprina skaičiavimai, rodantys, kad ir helis, ir neonas tam tikromis sąlygomis gali reaguoti su kitais elementais, bet helis – labiau. Tai prieštarauja reaktyvumo stiprėjimo leidžiantis žemyn grupe, tendencijai – kai kas siūlo tai ištaisyti, perkeliant helį į grupę.

Kada metalas nėra metalas?

Periodinės lentelės sudarymo pionieriams pasitikėjimo atliekamo darbo teisingumu suteikė tendencija, kad einant įstrižai nuo apatinio kairio kampo į viršutinį dešinį, elementai tampa mažiau metališki. Paprastai jas skirianti linija vaizduojama, kaip stora linija, laiptais besileidžianti nuo lentelės dešinės.

Komentarai (8)