Naukowcy proponują zupełnie nowy układ okresowy i to jest podróż

Układ okresowy pierwiastków, stworzony głównie przez rosyjskiego chemika, Dmitry Mendeleev (1834-1907), obchodził swoje 150-lecie ostatni rok. Trudno przecenić jego znaczenie jako zasady organizującej chemii – wszyscy początkujący chemicy zapoznają się z nią od najwcześniejszych etapów swojej edukacji.

Biorąc pod uwagę wagę stołu, można by wybaczyć myślenie, że kolejność elementów nie była już przedmiotem dyskusji. Jednak dwóch naukowców z Moskwy opublikowało niedawno plik propozycja nowego zamówienia.

Zastanówmy się najpierw, jak został opracowany układ okresowy. Pod koniec XVIII wieku chemicy jasno określili różnicę 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 elementów składowych.

Na początku XIX wieku było dobre poszlaki za 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 pewne pierwiastki mają raczej 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 stół. 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, wyłoni się teoretyczne zrozumienie jego budowy.

Pierwiastki były teraz uporządkowane według liczby atomowej (liczba dodatnio naładowanych cząstek zwanych protonami w jądrze atomowym), a nie według masy atomowej, ale nadal również podobieństwa chemiczne.

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 tych, które widzimy dzisiaj, jak pokazano na poniższym rysunku.

Dzisiejszy układ okresowy. (Offnfopt / Wikipedia)

Zrozumiałe byłoby pomyśleć, że to już koniec sprawy. Jednak nie tak. Proste wyszukiwanie w Internecie ujawni wszelkiego rodzaju wersje układu okresowego pierwiastków.

Istnieją wersje krótkie, długie, okrągłe, spiralne, a nawet wersje trójwymiarowe. 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.

Te wersje 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; niektóre stoły nawet go mają w grupie samodzielnie.

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 został niedawno opublikowany w Journal of Physical Chemistry przez naukowców Zahed Allahyari i Artem Oganov.

(Allahyari i in., Journal of Physical Chemistry, 2020)

Ich podejście, opierając się na wcześniejszej pracy innych, polega na przypisaniu każdemu elementowi czegoś, co nazywa się liczbą Mendelejewa (MN).

Istnieje kilka sposobów wyliczenia takich liczb, ale najnowsze badanie wykorzystuje kombinację dwóch podstawowych wielkości, które można zmierzyć bezpośrednio: promień atomowy pierwiastka i właściwość zwaną elektroujemność który opisuje, jak silnie atom przyciąga do siebie elektrony.

Jeśli ktoś zamawia elementy według ich MN, najbliżsi sąsiedzi mają, co nie jest zaskakujące, raczej podobne MN. Ale bardziej przydatne jest pójście o krok dalej i skonstruowanie dwuwymiarowej siatki na podstawie 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, które nie zostały jeszcze stworzone. 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.

Tabela okresów pokazująca względną obfitość pierwiastków. (Europejskie Towarzystwo Chemiczne / Wikipedia / CC BY-SA)

Ta tabela ilustruje nie tylko względną obfitość pierwiastków (im większe pudełko dla każdego elementu, tym jest go więcej), ale także podkreśla potencjalne problemy z dostawami istotne dla technologii, które stały się wszechobecne i niezbędne w naszym codziennym życiu.

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.

Jeśli mamy opracować materiały zastępcze, które unikają użycia niektórych elementów, spostrzeżenia zdobyte podczas zamawiania elementów przez ich MN mogą okazać się cenne w tych poszukiwaniach.

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.

Nick Norman, Profesor chemii, Uniwersytet w Bristolu.

Ten artykuł został opublikowany ponownie z Rozmowa na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.