Три причини, заради които периодичната таблица се нуждае от редизайн (видео)

На 6 март 2019 г. ще се навършат 150 години от формулирането на Периодичната таблица на химическите елементи от Дмитрий Менделеев.

Но и досега химиците не могат да се споразумеят кой е най-добрият начин за подреждане на елементите и дават всякакви предложения - от спиралообразни алтернативи до радикално удължени версии. За някои от тях разказва Джошуа Хаугиго (Joshua Howgego) в New Scientist

Плъзнете пръстите си върху белите клавиши на пиано. Нотите стават с все по-голяма височина, докато ръката ви се движи надясно. На осмия клавиш се случва нещо красиво: чува се нота, в която има нещо от първата, само че с друга височина.

Нещо подобно се случва с химическите елементи преди повече от 150 години. Учените дори го наричат ​​закон на октавите. Именно това повторение в свойствата на елементите периодичната таблица улавя толкова красиво. Подобните елементи се оформят в колони или групи. Има група, състояща се от благородни газове като аргон и неон, които почти не реагират с нищо, други съдържат реактивни метали, някои от които, като франций, експлодират при контакт с вода.

Но има съмнения дали периодичната таблица е най-добрата възможна конфигурация. Точно както нотите могат да бъдат подредени по различни начини, за да запишат музика, така и същността на взаимоотношенията между елементите може да бъде изобразена по различен начин. Няма лесен начин да се прецени кой е по-добър или по-истински. Така че се водят спорове по повод видими недостатъци в сегашната договореност, а има химици, които твърдят, че някои елементи трябва да бъдат преместени - а други работят по по-радикални начини за пренареждане на таблицата.

Първоначално елементите бяха организирани по атомно тегло. Сега ги подреждаме по броя на протоните в тяхното ядро. Ние знаем също, че техните свойства до голяма степен се определят от подреждането на отрицателно заредените електрони, които обикалят в последователни обвивки около ядрото.

Най-леките елементи имат само една обвивка, която може да побере две от тези частици. По-тежките елементи имат повече обвивки, които могат да задържат по-голям брой електрони. Това, което наистина има значение за поведението на всеки елемент, е колко електрона има в неговата външна обвивка.

Този брой обикновено се вписва добре в начина, по който е подредена таблицата, а именно за поставянето на елементи със сходни свойства в една и съща група. Например, елементите от група 1 имат един електрон в своята външна обвивка, а тези в група 2 имат две. Но това не винаги съвпада толкова добре.

Къде отива водородът?

Вземете първия елемент. Водородът има един електрон в най-външната си обвивка, така че може да се предположи, че трябва да е точно там, където е, в група 1 над лития и натрия, които също имат един електрон в най-външната си обвивка. И все пак водородът е газ, а не метал, така че неговите свойства не са подходящи за тази група.

Затруднението възниква, защото във външната обвивка, която може да съдържа само два електрона, водородът има един електрон, но пък не му достига също един, за да има пълна обвивка.

Като се има предвид, че елементите се стремят да запълнят външните си обвивки, това го прави много реактивен. В този смисъл водородът прилича на елементите в група 17, а именно халогените като хлор. Техните външни обвивки трябва да уловят само един електрон за постигане на пълна обвивка от осем, което ги прави сходно реактивни. По отношение на свойствата си водородът е по-близо до хлора, отколкото до лития.

Защо живакът и златото са толкова странни?

Надолу по таблицата няма свободни места за неправилно поставени елементи.

Дори и така, няколко от титулярите изглеждат като чужди. Например живакът, който е течен при стайна температура. В този смисъл е съвсем различен от останалите членове на група 12, сред които са цинк и кадмий, които са твърди метали. Какво се случва?

Колкото по-надолу отиваме, толкова повече от положително заредените протони съдържа ядрото на елемента. Заради това електроните се движат все по-бързо и по-бързо. Когато стигнем до живака, електроните се въртят с 58% от скоростта на светлината. Според Специалната теория на относителността на Айнщайн, това означава, че тяхната ефективна маса е значително по-висока от нормалната маса на електрона, което увеличава вътрешното притегляне, което изпитват.

Резултатът е, че електроните на живака се въртят толкова силно, че не могат да се споделят, за да образуват връзки с други атоми, което е необходимо, за да се получи твърдо вещество. Същото обяснява защо златото е с уникален цвят сред металите: релативистките ефекти променят начина, по който електроните абсорбират светлината.

Главоблъсканицата на F-блока

Група 3 съдържа два елемента, които могат да бъдат на друго място. Когато се движим в горните редове на таблицата, електроните запълват обвивките в последователността от така наречените орбитали, изчаквайки, докато най-вътрешната обвивка е пълна преди да започне да се запълва следващата. От елемент 57, лантан, електроните започват да влизат в нов тип орбитала, f-орбитала. За да се отчете това, повечето периодични таблици изрязват елементите, съставляващи този f-блок, поставяйки го под таблицата, оставяйки празна клетка в група 3.

Справедливо решение. Но има спор за това кой от елементите в f-блока трябва да дойде на първо място. Някои химици твърдят, че решението трябва да се съобрази с конфигурацията на електроните, което означава, че таблицата ще си остане такава, каквато е, с лантан и актиний в лявата част на f-блока. Други изтъкват, че химичните свойства като атомния радиус и точката на топене са по-добър критерий.

През 2016 г. Международният съюз за чиста и приложна химия сформира работна група за уреждане на спора. Но никой не очаква решение скоро.

Да започнем отначало

Всички тези недоразумения са убедили някои химици, че трябва да се преначертае периодичната таблица - и няма недостиг на идеи. Марк Лийч (Mark Leach) от Manchester Metropolitan University, Великобритания, поддържа интернет база данни с периодични таблици, която съдържа стотици версии.

В опит да представи по-добре непрекъснатостта, която сега се прекъсва на всеки ред, пенсионираният канадски химик Фернандо Дюфур (Fernando Dufour) разработва 3D периодична система, която прилича на коледна елха, като елементите излизат от ствола в кръгове, които стават все по-големи, приближавайки се до основата.

Алтернатива е спиралата, разработена от Тиодор Бенфи (Theodor Benfey), която позволява на f-блока да се източи навън (изображението най-горе).

Ерик Скери (Eric Scerri) от Университета на Калифорния в Лос Анджелис е сред онези, които настояват за по-фундаментални промени. Преди време той предложи таблицата да бъде подредена така, че да максимизира броя на „триадите“, групи от три елемента, които имат сходни свойства и са свързани с техните атомни тегла. (Атомно тегло е средната маса на всички от естествено съществуващи изотопи на даден елемент, за разлика от атомната маса, която е общата маса на протоните и неутроните в един атом или изотоп)

Сега Скери е за още по-драстичен подход: таблицата да е не на 18, а на 32 колони, като се поставят всичките 30 елемента от  f-блока между сегашниите групи 2 и 3 (Going long). Това позволява атомният номер да се представи в непрекъсната последователност.

Но Гилермо Рестрепо (Guillermo Restrepo) от Института по математика към обществото Макс Планк, Германия, предпочита алтернативно решение. Той изследва дали химическото сходство на елементите в същите колони все още се запазва както преди 150 години, предвид новите знания за химическата реактивност. Неговото заключение е, че лантанът принадлежи към група 3 - тоест, извън последователността.

Том Спейс (Tom Space) предлага таблица, развиваща се в 6 измерения - елементите са подредени по обемни периоди на средните си атомни маси:

Препроектирането на периодичната таблица може да изглежда като утопично търсене, но скоро може да стане неотложно. Вече очакваме да бъде синтезиран елемент 119. Къде ще отиде и как ще се преобрази таблицата, за да направи място за него, остава да се види.

Още по темата

19/02/2019

Физика

Конкурс за есета на ученици и студенти на тема "Периодичната система на Д. И. Менделеев"

19/01/2019

Физика

Намерен е най-старият екземпляр на периодичната таблица на Менделеев

06/02/2020

Новини

На 6 февруари 1886 е открит елементът германий, предвиден от Менделеев

08/02/2023

Физика

На днешната дата през 1834 г. е роден най-великият измежду химиците