Nauczyciele chemii musieli niedawno zaktualizować wystrój sali, ogłaszając, że naukowcy potwierdzili odkrycie czterech nowych pierwiastków na układzie okresowym. Dotychczas nienazwane elementy 113, 115, 117 i 118 wypełniły pozostałe luki na dole słynnego wykresu - mapę drogową bloków budulcowych materii, która z powodzeniem prowadziła chemików przez prawie półtora wieku.
powiązana zawartość
- Cztery najnowsze elementy mają teraz nazwy
- Cztery nowe elementy są dodawane do układu okresowego
- Sperma ryb może być sekretem recyklingu pierwiastków ziem rzadkich
Oficjalne potwierdzenie, nadane przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC), trwało lata, ponieważ te superciężkie pierwiastki są bardzo niestabilne i trudne do wytworzenia. Ale naukowcy mieli silny powód, by sądzić, że istnieją, częściowo dlatego, że układ okresowy był do tej pory niezwykle spójny. Trwają już starania o wyczarowanie elementów 119 i 120, które mogłyby rozpocząć nowy rząd.
Ale dokładnie, ile jest więcej elementów, pozostaje jedna z najbardziej uporczywych tajemnic chemii, zwłaszcza że nasze współczesne rozumienie fizyki ujawniło anomalie nawet u uznanych graczy.
„Pęknięcia zaczynają się pojawiać w układzie okresowym”, mówi Walter Loveland, chemik z Oregon State University.
Nowoczesne wcielenie układu okresowego porządkuje elementy według rzędów na podstawie liczby atomowej - liczby protonów w jądrze atomu - oraz według kolumn opartych na orbitach ich najbardziej oddalonych elektronów, które z kolei dyktują ich osobowość. Metale miękkie, które silnie reagują z innymi, takimi jak lit i potas, żyją w jednej kolumnie. Reaktywne pierwiastki niemetaliczne, takie jak fluor i jod, zamieszkują inne.
Francuski geolog Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois był pierwszą osobą, która zauważyła, że elementy można grupować według powtarzających się wzorów. Pokazał elementy znane w 1862 roku, uporządkowane według ich ciężarów, jako spiralę owiniętą wokół cylindra ( patrz ilustracja poniżej ). Elementy ustawione pionowo względem siebie na tym cylindrze miały podobne właściwości.
Ale to schemat organizacyjny stworzony przez Dmitrija Mendelejewa, porywczy Rosjanin, który twierdził, że widział we śnie grupy elementów, przetrwał próbę czasu. Jego układ okresowy z 1871 roku nie był idealny; przewidział na przykład osiem elementów, które nie istnieją. Jednak poprawnie przepowiadał również galu (teraz używany w laserach), german (teraz używany w tranzystorach) i innych coraz bardziej ciężkich pierwiastków.
Układ okresowy Mendelejewa z łatwością zaakceptował zupełnie nową kolumnę dla gazów szlachetnych, takich jak hel, które unikały wykrycia do końca XIX wieku ze względu na ich skłonność do nie reagowania z innymi pierwiastkami.
Nowoczesny układ okresowy jest mniej więcej zgodny z fizyką kwantową, wprowadzoną w XX wieku w celu wyjaśnienia zachowania cząstek subatomowych, takich jak protony i elektrony. Ponadto ugrupowania odbywały się głównie w związku z potwierdzeniem cięższych elementów. Bohrium, nazwa nadana pierwiastkowi 107 po jego odkryciu w 1981 r., Doskonale pasuje do innych tak zwanych metali przejściowych, które go otaczają, jeden z badaczy, który go odkrył, ogłosił, że „bohrium jest nudne”.
Ale przed nami ciekawe czasy.
Jedno otwarte pytanie dotyczy lantanu i aktynu, które mają mniej wspólnego z innymi członkami swoich grup niż lutet i lawren wapń. IUPAC niedawno powołał grupę zadaniową do zbadania tego problemu. Nawet hel, element 2, nie jest prosty - istnieje alternatywna wersja układu okresowego, który umieszcza hel z berylem i magnezem zamiast jego sąsiadów z gazem szlachetnym, w oparciu o układ wszystkich elektronów zamiast tylko tych najbardziej oddalonych.
„Na początku, na środku i na końcu układu okresowego występują problemy” - mówi Eric Scerri, historyk na wydziale chemicznym na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles.
Specjalna teoria względności Einsteina, opublikowana kilkadziesiąt lat po stole Mendelejewa, również wprowadziła pewne szczeliny w systemie. Względność wskazuje, że masa cząsteczki rośnie wraz z prędkością. Może to powodować dziwne zachowanie ujemnie naładowanych elektronów krążących wokół dodatnio naładowanego rdzenia atomu, co wpływa na właściwości elementu.
Zastanów się nad złotem: jądro jest wypełnione 79 dodatnimi protonami, więc aby nie spaść do wewnątrz, elektrony złota muszą wirować z prędkością ponad połowy prędkości światła. To sprawia, że są bardziej masywne i przyciągają je na ściślejszą orbitę o niższej energii. W tej konfiguracji elektrony pochłaniają niebieskie światło zamiast go odbijać, nadając opaskom ślubnym ich charakterystyczny blask.
Znany fizyk grający w bongo, Richard Feynman, powołał się na teorię względności, aby przewidzieć koniec układu okresowego w pierwiastku 137. Dla Feynmana 137 był „magiczną liczbą” - pojawił się bez wyraźnego powodu w innej dziedzinie fizyki. Jego obliczenia wykazały, że elektrony w elementach powyżej 137 musiałyby poruszać się szybciej niż prędkość światła, a tym samym naruszać zasady względności, aby uniknąć zderzenia z jądrem.
Późniejsze obliczenia obaliły ten limit. Feynman potraktował jądro jako pojedynczy punkt. Pozwólcie, że będzie to kula cząstek, a żywioły mogą iść dalej, aż do około 173. Wtedy piekło się rozpęta. Atomy przekraczające ten limit mogą istnieć, ale tylko jako dziwne stworzenia zdolne do wzywania elektronów z pustej przestrzeni.
Względność to nie jedyny problem. Dodatnio naładowane protony odpychają się nawzajem, więc im więcej spakujesz do jądra, tym mniej stabilny bywa. Uran, o liczbie atomowej 92, jest ostatnim pierwiastkiem wystarczająco stabilnym, aby występował naturalnie na Ziemi. Każdy element poza nim ma jądro, które szybko się rozpada, a ich okresy półtrwania - czas potrzebny do rozpadu połowy materiału - mogą wynosić minuty, sekundy lub nawet ułamki sekundy.
Cięższe, niestabilne pierwiastki mogą istnieć gdzie indziej we wszechświecie, np. W gęstych gwiazdach neutronowych, ale naukowcy mogą badać je tutaj tylko poprzez rozbicie razem lżejszych atomów, aby stworzyć cięższe, a następnie przesiewanie przez łańcuch rozpadu.
„Naprawdę nie wiemy, jaki jest najcięższy element, jaki mógłby istnieć” - mówi fizyk nuklearny Witold Nazarewicz z Michigan State University.
Teoria przewiduje, że będzie moment, w którym nasze jądra laboratoryjne nie będą żyły wystarczająco długo, aby utworzyć odpowiedni atom. Jądro radioaktywne, które rozpada się w czasie krótszym niż dziesięć bilionowych części sekundy, nie miałoby czasu na zebranie wokół siebie elektronów i stworzenie nowego pierwiastka.
Mimo to wielu naukowców oczekuje, że wyspy stabilności będą istnieć w dalszej części drogi, gdzie pierwiastki superciężkie mają stosunkowo długo żyjące jądra. Ładowanie niektórych superciężkich atomów dużą ilością dodatkowych neutronów może zapewnić stabilność, zapobiegając deformacji jąder bogatych w protony. Na przykład oczekuje się, że element 114 będzie miał magicznie stabilną liczbę neutronów przy 184. Przewiduje się również, że elementy 120 i 126 będą potencjalnie bardziej trwałe.
Ale niektóre twierdzenia o superciężkiej stabilności już się rozpadły. Pod koniec lat sześćdziesiątych chemik Edward Anders zaproponował, że ksenon w meteorycie, który spadł na meksykańską ziemię, pochodzi z rozpadu tajemniczego pierwiastka między 112 a 119, który byłby wystarczająco stabilny, aby mógł wystąpić w naturze. Po latach spędzonych na zawężaniu poszukiwań ostatecznie wycofał swoją hipotezę w latach 80.
Przewidywanie potencjalnej stabilności ciężkich elementów nie jest łatwe. Obliczenia, które wymagają ogromnej mocy obliczeniowej, nie zostały wykonane dla wielu znanych graczy. I nawet jeśli tak, to jest to bardzo nowe terytorium dla fizyki jądrowej, gdzie nawet niewielkie zmiany danych wejściowych mogą mieć głęboki wpływ na oczekiwane wyniki.
Jedno jest pewne: sprawienie, by każdy nowy pierwiastek będzie coraz trudniejszy, nie tylko dlatego, że trudniej wykryć atomy o krótszym czasie życia, ale także dlatego, że tworzenie nadprzestrzeni może wymagać wiązek atomów, które same są radioaktywne. Bez względu na to, czy okresowy układ okresowy ma koniec, może się skończyć nasza zdolność do tworzenia nowych.
„Myślę, że jesteśmy daleko od końca układu okresowego”, mówi Scerri. „Obecnie czynnikiem ograniczającym wydaje się ludzka pomysłowość”.
Od redakcji: Przynależność Witolda Nazarewicza została poprawiona.
Tabela okresowa Lista zalecanych lektur
Opowieść o siedmiu elementach
KupowaćAutorytatywne sprawozdanie z wczesnej historii układu okresowego znajduje się w A Tale of Seven Elements Erica Scerri, która głęboko zagłębia się w kontrowersje wokół odkryć siedmiu elementów.
Tabela okresowa
KupowaćCzytelnicy zainteresowani Holokaustem powinni pobrać kopię poruszającego pamiętnika Primo Levi, The Periodic Table. Również fascynującą autobiografię, w której układ okresowy wykorzystuje się do ukształtowania życia jednego z najbardziej ukochanych neurologów na świecie, zobacz artykuł New York Times Olivera Sacksa „Mój układ okresowy ”.
Znikająca łyżka: i inne prawdziwe opowieści o szaleństwie, miłości i historii świata z układu okresowego pierwiastków
KupowaćSam Kean zabiera swoich czytelników w żywy i chaotyczny rajd po elementach The Disappearing Spoon.
The Lost Elements: The Periodic Table of the Shadow Side Table
KupowaćEntuzjaści nauki zainteresowani kryjącymi się za baseballistami elementami, które nigdy nie dostały się do układu okresowego, mogą sprawdzić dobrze zbadane The Lost Elements autorstwa Marco Fontani, Mariagrazia Costa i Mary Virginia Orna.
