Дізнайтеся про історію, структуру та значення періодичної таблиці елементів від відкриття Менделєєва до сучасних наукових застосувань.
Періодична таблиця, яку також називають періодичною таблицею елементів, – це впорядковане розташування 118 відомих хімічних елементів. Хімічні елементи розташовані зліва направо і зверху вниз у порядку зростання атомного номера або кількості протонів у ядрі атома, що загалом збігається зі збільшенням атомної маси. Періодична таблиця містить важливу інформацію про будову та властивості елементів.
Хто створив періодичну таблицю
Дмитро Менделєєв, російський хімік і винахідник, вважається “батьком” періодичної таблиці. У 1860-х роках Менделєєв був популярним лектором в університеті в Санкт-Петербурзі. На той час не існувало сучасних підручників з органічної хімії російською мовою, тож Менделєєв вирішив написати його. Працюючи над цією книгою під назвою “Основи хімії” (два томи, 1868-1870), він паралельно вирішував проблему невпорядкованості елементів.
Впорядкувати елементи виявилося досить складно. На той час було відомо 63 хімічні елементи, кожен з яких мав атомну вагу, розраховану за гіпотезою Авогадро, яка стверджує, що рівні об’єми газів за однакової температури і тиску містять однакову кількість молекул. На той час існувало лише дві стратегії класифікації цих елементів: поділ їх на метали і неметали або групування за кількістю валентних електронів (електронів на зовнішній оболонці). Перший розділ книги Менделєєва стосувався лише восьми відомих елементів – вуглецю, водню, кисню, азоту, хлору, фтору, брому та йоду – і ці дві стратегії працювали для цих елементів, як зазначає Майкл Д. Гордін у своїй книзі “Добре впорядкована річ: Дмитро Менделєєв і тінь Періодичної таблиці”. Але їх було недостатньо, щоб ефективно впорядкувати 55 додаткових хімічних елементів, відомих на той час.
Менделєєв записав властивості кожного елемента на картках і почав впорядковувати їх за збільшенням атомної ваги. Саме тоді він помітив кореляцію між атомною вагою та хімічними властивостями. Однак точний момент “Еврика!”, який привів Менделєєва до стратегії сортування повної періодичної таблиці, досі оповитий таємницею. “Надзвичайно важко реконструювати процес, за допомогою якого Менделєєв прийшов до своєї періодичної організації елементів з точки зору їх атомної ваги, – писав Гордін про повну періодичну таблицю. “Проблема з точки зору історика полягає в тому, що хоча Менделєєв зберігав майже всі документи і чернетки, які потрапляли йому в руки після того, як він вважав, що стане знаменитим, він не робив цього до того, як сформулював періодичний закон”, – продовжив Гордін.
Гордін продовжує: “Є два основні шляхи, якими Менделєєв міг перейти від визнання важливості атомної ваги як хорошого класифікаційного інструменту до проекту періодичної системи: або він виписав елементи в порядку атомної ваги в ряди і помітив періодичне повторення, або він зібрав кілька “природних груп” елементів, таких як галогени і лужні метали, і помітив закономірність збільшення ваги”. Єдина відома заява Менделєєва, пов’язана з його методом, була зроблена у квітні 1869 року; він написав, що “зібрав тіла з найменшою атомною вагою і розмістив їх у порядку зростання їхньої атомної ваги”.
Яким би не був його розумовий процес, Менделєєв зрештою розташував елементи відповідно до атомної ваги та валентних електронів. Він не тільки залишив місце для ще не відкритих елементів, але й передбачив властивості п’яти з цих елементів та їхніх сполук. У березні 1869 року він представив свої висновки Російському хімічному товариству. Того ж року його нова періодична система була опублікована як реферат у німецькому хімічному періодичному виданні “Zeitschrift fϋr Chemie” (“Журнал хімії”).
Читання періодичної таблиці
Періодична таблиця містить величезну кількість інформації, але деякі з найважливіших – це атомні номери, атомні символи та атомні маси.
Атомний номер. Кількість протонів у ядрі атома називається атомним номером цього елемента. Кількість протонів визначає, що це за елемент, і зумовлює його хімічну поведінку. Наприклад, атоми вуглецю завжди мають шість протонів, атоми водню – один, а атоми кисню – вісім. Різні версії одного і того ж елемента, які називаються ізотопами, можуть мати різну кількість нейтронів. Елементи також можуть набувати або втрачати електрони, стаючи зарядженими, і в цьому випадку вони називаються іонами.
Атомний символ. Атомний символ (або символ елемента) – це абревіатура, вибрана для позначення елемента (“C” для вуглецю, “H” для водню, “O” для кисню і т.д.). Ці символи використовуються на міжнародному рівні і іноді бувають несподіваними. Наприклад, символ золота – “Au”, тому що слово “золото” на латині – “aurum”.
Атомна маса. Стандартна атомна маса елемента – це середня маса елемента, записана в атомних одиницях маси (а.о.м.). Хоча кожен атом має приблизно ціле число атомних одиниць маси, ви можете помітити, що атомна маса в періодичній таблиці є десятковим числом; це тому, що число є середньозваженим значенням різних природних ізотопів елемента, виходячи з їхньої поширеності.
Атомна маса для деяких штучних елементів є дещо складнішою. За даними Лос-Аламоської національної лабораторії (LANL), для елементів 93-118, які є штучно створеними трансурановими елементами (елементами за межами урану, який має атомний номер 92), не існує “природної” поширеності. За даними Міжнародного союзу теоретичної і прикладної хімії (IUPAC), атомна вага найдовше живучого ізотопу цих елементів заноситься до періодичної таблиці. Ці атомні ваги слід вважати тимчасовими, оскільки в майбутньому може бути створений новий ізотоп з довшим періодом напіврозпаду (час, за який розпадається 50% цього елемента).
Надважкі елементи, або елементи з атомним номером вище 104, також належать до цієї неприродної категорії. Чим більшим є ядро атома – яке збільшується зі збільшенням кількості протонів всередині – тим більш нестабільним є цей елемент, як правило. Відповідно до IUPAC, ці великі елементи є швидкоплинними і існують лише мілісекунди, перш ніж розпадаються на більш легкі елементи. Наприклад, надважкі елементи 113, 115, 117 і 118 були підтверджені IUPAC у грудні 2015 року, завершивши сьомий ряд або період у таблиці. Надважкі елементи були отримані кількома різними лабораторіями. Атомні номери, тимчасові назви та офіційні назви:
- 113: унунтрій (Uut), ніхоній (Nh)
- 115: унунпентій (Uup), московіум (Mc)
- 117: унунсептій (Uus), теннесін (Ts)
- 118: унуноктій (Uuo), оганессон (Og)
Як влаштована периодична таблиця?
Періодична таблиця впорядкована за атомною масою та валентними електронами. Ці змінні дозволили Менделєєву розмістити кожен елемент у певному рядку (який називається періодом) і стовпчику (який називається групою). Таблиця складається з семи рядків і вісімнадцяти стовпчиків.
Номер кожного рядка, або періоду, вказує на кількість орбіталей для елементів у цьому рядку, згідно з даними Лос-Аламоської національної лабораторії. (Атоми мають протони і нейтрони в ядрі, а навколо нього – електрони, розташовані на орбітах, Орбіталі описують розташування електрона, а також його хвилеподібну поведінку). Це означає, що всі елементи третього періоду – натрій, магній, алюміній, кремній, фосфор, сірка, хлор і аргон – мають три атомні орбіталі, на яких розташовані їхні електрони.
Стовпчик, або група, вказує на кількість електронів на зовнішній оболонці атома; вони називаються валентними електронами, і це електрони, які можуть хімічно зв’язуватися з валентними електронами інших елементів. За даними Університету Пердью, валентні електрони можуть бути або спільними з іншим елементом у ковалентному зв’язку, або обмінюватися ними за допомогою іонного зв’язку.
Наприклад, елементи групи 8A (або VIIIA) мають повний набір з восьми електронів на найвищій енергетичній орбіті, пише хімік Вільям Реуш на своїй веб-сторінці в Університеті штату Мічиган. Елементи, які займають одну колонку в періодичній таблиці (так звану “групу”), мають ідентичні валентні електронні конфігурації і, як наслідок, поводяться подібним чином у хімічному відношенні. Наприклад, всі елементи 18 групи є інертними газами, тобто вони не реагують з іншими елементами.
З цього правила є деякі винятки для перехідних елементів, які заповнюють коротші стовпчики в центрі періодичної таблиці. Ці перехідні елементи мають частково заповнені d-орбіталі, що зумовлює їхні унікальні властивості. Це відрізняє їх від елементів головної групи, які переважно заповнюють s- і p-орбіталі.
Спробуємо на прикладі: Ми можемо вибрати селен, який має атомний номер 34, що означає, що в нейтральному атомі селену всього 34 електрони. Цей неметал знаходиться в періоді 4, групі 6A. Це означає, що селен тримає свої електрони на чотирьох атомних орбіталях і має шість валентних електронів, або шість електронів на своїй зовнішній орбіталі. Можна також підрахувати, скільки електронів знаходиться на першій, другій і третій орбітах: На першій орбіталі може перебувати максимум два електрони, тоді як друга має чотири підорбіталі, а отже, може містити загалом вісім електронів. Третя оболонка атома, яка складається з дев’яти суборбіталей, може утримувати максимум 18 електронів, згідно з даними кафедри хімії та біохімії Університету штату Флорида. Це означає, що селен має 2, 8, 18 і 6 електронів на першій, другій, третій і четвертій атомних орбітах відповідно.
Еволюція періодичної таблиці
Коли Менделєєв вперше опублікував оригінальну періодичну таблицю в 1869 році, вона містила лише 63 елементи – приблизно вдвічі менше, ніж сьогодні. Його таблиця мала прогалини, щоб залишити місце для елементів, які ще не були відкриті, і Менделєєв використовував положення цих прогалин для передбачення властивостей потенційних нових елементів. Одним із прикладів цього є те, що Менделєєв назвав “ека-алюміній” – запропонований елемент із властивостями, схожими на властивості алюмінію. Через кілька років цей елемент був ідентифікований як галій, і було підтверджено, що його властивості дуже схожі на передбачення Менделєєва.
Починаючи з 19 століття, кількість відомих елементів майже подвоїлася. Ці нововідкриті елементи поступово заповнили прогалини в оригінальному проекті Менделєєва і розширили таблицю до ще вищих атомних номерів. Всі прогалини були офіційно заповнені в періодичній таблиці в 2010-х роках після синтезу елемента 117, теннесину.
Теоретично можливо розширити періодичну таблицю ще більше, оскільки хіміки синтезують дедалі важчі елементи, тож періодична таблиця може ніколи не бути повною. Ці штучні елементи створюються за допомогою прискорювачів частинок, які розбивають атоми і субатомні частинки разом, утворюючи ядра з додатковими протонами і нейтронами. Однак ці надважкі елементи дуже нестабільні та складні у виготовленні. “Ми дійсно не знаємо, який найважчий елемент може існувати”, – сказав Вітольд Назаревич, ядерний фізик з Мічиганського державного університету, в інтерв’ю Смітсонівському журналу.
Як періодична система використовується сьогодні?
Знаючи, що певні елементи, об’єднані в таблиці, мають певні характеристики та поведінку, вчені можуть з’ясувати, які з них найкраще підходять для певних галузей промисловості та процесів. Наприклад, за даними Національного інституту стандартів і технологій (NIST), інженери використовують різні комбінації елементів III і V груп таблиці для створення нових напівпровідникових сплавів, таких як нітрид галію (GaN) і нітрид індію (InN).
Загалом, хіміки та інші вчені можуть використовувати таблицю, щоб передбачити, як певні елементи будуть реагувати один з одним. Лужні метали, наприклад, знаходяться в першій колонці або групі таблиці і, як правило, мають один валентний електрон і тому несуть заряд +1. Цей заряд означає, що вони енергійно реагують з водою і легко з’єднуються з неметалами. Магній, який знаходиться в одній групі з кальцієм, стає корисним у складі сплавів для кісткових імплантатів. Оскільки ці сплави біологічно розкладаються, вони слугують каркасом, а потім зникають після того, як на конструкціях виростає природна кістка.
Понад століття після свого створення періодична таблиця залишається одним з найважливіших інструментів у науці, забезпечуючи основу для розуміння будівельних блоків матерії. Вона не лише організовує всі відомі елементи в цілісну структуру, але й слугує дорожньою картою для прогнозування та синтезу нових елементів і спрямовує хімічні інновації.
Додаткові джерела:
- Royal Society of Chemistry: “Менделєєв – людина і його спадщина…”
- Khan Academy: “READ: Dmitri Mendeleev”
- Майкл Д. Гордін: “A Well-ordered Thing: Dmitrii Mendeleev And The Shadow Of The Periodic Table”
- University of California: “International Year of the Periodic Table – Mendeleev’s First Tables”
