Kelionė po cheminių elementų lentelę. Vartiklis: nomenklatūra

Kelionė po cheminių elementų lentelę:
nuo paprasčiausio iki skandalingiausio

Cheminių elementų periodinė lentelė, pirmąkart pasiūlyta D. Mendelejevo, buvo vienu didžiausių atradimų. Ji tarsi 7 „aukštų“ (periodų) aukštuminis pastatas, suskirstytas į 18 „sekcijų“, kuriose turima 118 jaukių „kambarių“ (langelių). Kai kuriuose jų „įsikūrę“ labai išskirtiniai ar įdomūs jų „gyventojai“ (plačiau apie jos atradimą skaitykite >>>>>).

D. Mendelejevas ir pats suvokė, kad periodinei sistemai trūksta griežto fizikinio paaiškinimo. Tačiau jis jo ir negalėjo pateikti, nes manė, kad atomų niekaip neįmanoma suskaidyti į smulkesnes dalis. Be to jis skeptiškai žvelgė ir į radioaktyvumo teoriją, ir į elementų galėjimą virsti kitais. Tad paaiškinimą teko atlikti jau kitiems.

Pradžia buvo 1909 m., kai išsiaiškinta, kad švinas, susidaręs radioaktyvaus skilimo metu turi kitą atominę masę nei švinas Žemės putoje. Taigi, periodiškumo priežastingumas kitas nei atominė masė – tad jo paaiškinimui reikia rasti kitą kriterijų. 1913 m. olandų fizikas teoretikas A. den Brukas³⁾ pasiūlė, kad išsidėstymas turėtų būti pagal elementų branduolio krūvį, o britų fizikas H. Mozlis tai įrodė eksperimentiškai. 1920 m. E. Rezerfordas nurodė, kad tai (protonų kiekis branduolyje) ir yra eilės numeris periodinėje lentelėje, o tais pačiais metais A HREF='http://www.nso.lt/science/quantum-cat.htm#chadwick'>Dž. Čedvikas eksperimentiškai tai patvirtino.

Formalios teorijos pagrindus N. Boras padėjo 1021-23 m., jam pateikus atomo modelį. Pagal jį savybių periodiškumą lemia išorinio elektroninio lygio struktūros kartojimasis. Tą patvirtino naujo elemento hafnio atradimas 1922 m. pagal N Boro spėjimą, remiantis elektronine atomo sandara, jo savybės buvo gerokai artimesnės cirkoniui nei lantanui, kaip laikė daugelis chemikų ir fizikų. 1925 m. V. Paulio suformuluoti kvantinės mechanikos dėsningumai irgi rėmė savybių priklausomybę nuo elektronų lygio struktūros. Tad grupės numeris pradėtas sieti ne su maksimalia valentiškumo reikšme, o elektronų kiekiu išoriniame (valentiniame) elektronų sluoksnyje. Pagal tokią logiką inertinės dujos, išoriniame sluoksnyje turinčios 8 elektronus, turėtų persikelti iš nulinės grupės į 8-ją – kas galiausiai ir įvyko (nors ir ne po N. Boro ir V. Paulio išvadų, o link 4-ojo dešimtm. pabaigos).

Be to, 1921 m. N. Boras pasiūlė į atskirą bloką perkelti 14 retųjų žemės elementų, kurių savybės skyrėsi nežymiai, primindamos lantano savybes (dabar juos vadiname lantanoidais). 1945 m. G. Syborgas⁴⁾ taip pat sudarė atskirą iš atskirų transuraninių elementų (aktinoidų) bloką, kurio nariai išsidėstę iškart po lantanoidais. Taip padaryta dėl elementų, atsidūrusių už lentelės „rėmų“, cheminių savybių artumo bei jos spausdinimo patogumo. Taip lentelė pradėjo įgauti mums įprastą vaizdą. 1988 m. oficialiai patvirtinta nauja periodinės lentelės forma, susidedančią iš 18 grupių, pašalinant pagrindines ir šalutines pogrupes – ir po to keitėsi tik papildant naujais elementais.

Tačiau lentelė tik sistemos atvaizdavimas. O bet kurioje sistemoje yra trūkumų, kurie netenkina vienų ar kitų mokslininkų. Labiausiai į akis krentantis kritikos taikinys – vandenilio ir helio padėtis lentelėje. Yra laikančių, kad vandenilis su vienu elektronu turėtų būti ne pirmoje, o 17-oje grupėje. Mat ir šarminiai metalai turi po vieną elektroną, tačiau fizikinėmis ir dalimi cheminių savybių vandenilis gerokai arčiau sudarančių molekules iš dviejų atomų halogenų iš 17-os grupės. Bet kiti agresyviai įrodinėja, kad heliui ne vieta tarp inertinių dujų 18-oje grupėje: du elektronai išoriniame energetiniame sluoksnyje turėtų jam užtikrinti jam leidimą į 2-ą grupę tarp šarminių metalų.

Štai langelyje nr.1 gyvena vandenilis H, paprasčiausias ir labiausiai visatoje paplitęs (90%) elementas. Natūraliai tai lengviausios dujos (1 l sveria mažiau nei 0,09 g), skystu virsta prie -253_oC – irgi lengviausiu skysčiu (10 l kibiras tesveria 708 g). Mokslininkai labai suinteresuoti (kieto) metalinio vandenilio gavimu. Jo visi 7 izotopai turi nuosavus pavadinimus, kurių žinomiausi pirmieji protis, deuteris ir tritis. Žvaigždėse vandenilis termobranduolinių reakcijų metu virsta heliu He, užimančiu gretimą langelį nr.2 (jis atrastas tik 1868 m. stebint Saulės spektrą, Žemėje pirmąkart gautas tik 1895 m.; apie tai žr. >>>>>). Ir nors jis pavadintas Saulės dievo garbei, tai šalčiausias skystis (-269_oC, t.y. vos 4_oK). Be to helio atomas pats mažiausias – jo skersmuo vos 31 pm (1 pm = 10^-12 m). Ir atvirkščiai, pačiomis putliausiomis formomis gali pasigirti cezis Cs iš langelio nr.55 – jo atomo skersmuo 298 pm. Kartu cezis minkščiausias metalas, kartu būdamas ir retos šviesiai auksinės spalvos (kaip taisyklė, metalai yra dažniausi pilki), nors ir kiečiausias metalas chromas Cr turi melsvai sidabrišką atspalvį. O cezio sugebėjimas lengvai atiduoti išorinio sluoksnio elektroną leidžia jam būti ir aktyviausiu metalu.

O pats lengviausias metalas randasi iškart po vandeniliu nr.3 langelyje – tai litis Li (jo tankis vos 0,534 g/cm³, t.y. beveik 2 kartus lengvesnis už vandenį). O sunkiausiu metalu yra osmis Os iš langelio nr.76 – iš jo pagamintas kubas su 1 m briauna svertų 22,59 t, nors jis tik vos vos tankiu lenkia kaimyną iridį Ir (nr.77).

Privalome aplankyti langelį nr.6, kuriame rasime anglį C, svarbiausia gyvybei Žemėje, kuri yra visų organinių junginių pagrindas. Ji turi kelias alotropines modifikacijas: deimantą, grafitą, grafeną ir fulerenus, iš kuri žinomiausias baksminster-fulerenas, dar vadinamas futbolenu ir bakibolu. Dėl savo nepriekaištingos simetrijos tai ko gero gražiausia molekulė Visatoje. Pradžioje nei fizikai, nei chemikai netikėjo, kad tokios simetrijos molekulė C₆₀ aplamai gali egzistuoti. Už jos atradimą R. Kiorlas, Ch. Kroto²⁾ ir R. Smolis 1996 m. gavo Nobelio premiją, o po 15 m. fulerenus rado kosmose. Tai stambiausios molekulės rastos už Žemės ribų (žr. >>>>>). Ir galbūt būtent fulerenai kadaise užnešė į Žemę molekules, pradėjusias joje gyvybę.

Anglies kaimynai pasižymi paplitimu: azotas N (nr.7) labiausiai paplitęs atmosferoje (78%), o deguonis O (nr. 8) - litosferoje (49%) ir hidrosferoje (86%). Jų antipodai yra astatas At (nr.85) ir radonas Rn (nr.6). Astato (iš gr. „nepastovus“) visi izotopai trumpaamžiai (stabiliausio ²¹⁰At skilimo pusperiodis vos 8 val.); jo kiekis Žemės plutoje apie 1 g. Rodonas – rečiausiai atmosferoje sutinkamos dujos; kartu tai ir sunkiausios dujos – 1 l sveria 9,73 g.

Antros eilutės elementai labai nepanašūs vienas į kitą. Nr.9 pasirinko floras F - elektriškai neigiamiausias ir aktyviausias iš nemetalų. Jo atmosferoje dega atrodytų nedeganti medžiaga – vanduo. Jis toks stiprus oksidatorius, kad jo atmosferoje deguonis sudaro floridus OF₂, O₂F₂ ir O₃F₂. Tuo tarpu jo kaimynas neonas Ne (nr.10) pasižymi olimpine ramybe ir yra inertiškiausios dujos.

Nr.26 teko geležiai Fe – ji leido žmonijai padaryti proveršį, o ir šiandien iš metalų jos išgaunama daugiausia (90%). Sunkiausiai lydomas yra volframas W (nr.74) – jis ima lydytis prie 3422^oC, o užverda prie 5555^oC, kas sulyginama su temperatūra Saulės paviršiuje. Netoli nutolęs ir lengviausiai lydomas metalas gyvsidabris Hg (nr.80), skystu tampantis prie -39^oC. Tai labai paslaptingas ir neįprastas metalas, kurį alchemikai laikė susijusiu su filosofiniu akmeniu.

Gyvsidabrį vadino „gyvuoju sidabru“, o tikrasis sidabras Ag nusižiūrėjo nr.47. Jis turi didžiausią elektros pralaidumą ir atspindėjimą, todėl nuo seno naudojamas elektronikoje bei veidrodžių gamybai. Jo kasmet išgaunama apie 30 tūkst. t. „Metalų karalius“ auksas Au apsistojo langelyje nr.79; jis yra chemiškai stabilus ir turi nepaprastą tįsumą – iš 1 g gabalėlio galima ištęsti 3,5 km ilgio vielutę. Jo patraukli spalva ir praktiškai visada išsaugo blizgesį. Vis tik atsparumu rūgštims auksą lenkia iridis Ir (nr.77). O prestižiškumu auksą nurungė jo kaimynė platina Pt (nr.78). tačiau visi jie kaina nusileidžia brangiausiam elementui - kalifornijo izotopui ²⁵²Cf (nr. 98), kurio 1 g kaina siekia iki 27 mln. dolerių. Kasmet jo pagaminama apie 40 mKg, o pasaulinės atsargos tėra 8 g. - mat jis yra stiprus neutronų šaltiniu, kas leidžia aktyviai naudoti medicinoje ir branduolinėje fizikoje.

O iš nr.51 sklinda melodingi garsai – ten linksminasi stibis Sb, kuris skirtingai nuo daugumos metalų kristalizuojantis plečiasi o vėsdamas skleidžia žemo dažnio garsus, primenančius Tibeto varpelių skambčiojimą ar užburiantį sirenų giedojimą.

Elementų lentelės autoriaus garbei pavadintas mendelejevis Md (nr.101), susintetintas 1955 m. ir pretenduoja būti „chuliganiškiausiu“, mat naujo elemento laukia mėnesius ar net metus. Tad lengva suprasti atradėjų džiaugsmą jį atradus. Ir kai einšteinijaus izotopą ²⁵³Es bombarduojant helio branduoliais buvo gauti 17 (!) mendelejevio atomų, mokslininkai buvo kiekvieno atomo atradimo daviklį buvo prijungę prie priešgaisrinės sirenos, kuri staugė tol, kol gaisrininkai pareikalavo nutraukti tokį „chuliganišką“ poelgį.

Lentelę užbaigia 118 vietoje esantis elementas, kuris buvo ir skandalingiausias. Mat 1999 m. Berklio laboratorijos fizikai paskelbė straipsnį apie elemento atradimą. Tačiau vėliau tie rezultatai buvo pripažinti sufalsifikuotais. Sėkmingai elementas susintezuotas 2002 ir 2005 m. bendromis amerikiečių ir rusų fizikų pastangomis vadovaujant J. Oganesianui¹⁾. Pats elementas išsilaikydavo mažiau nei tūkstantąją sekundės dalį. 2016 jis pavadintas oganesonu (Og).

Naujas būdas supersunkiems elementams gauti

Mes pasiekėme ribą, kai laboratorijose sėkmingai sukuriami nauji elementai. Tačiau mokslininkai naujai pažvelgė į tai – ir Berklio nacionalinė laboratorija 2024 m. liepos mėn. paskelbė apie naują būdą gauti livermoriumą, 116-ą elementą (Lv, pavadintą pagal Livermoro miestą, kuriame įsikūrusi Lawrence Livermore laboratorija). Jų naudotas titano atomų spindulys gali leisti sukurti ir sekančius, tarp jų ir 120-ąjį elementą.

Kadaise periodinėje elementų lentelėje buvo likę tuščių „baltų langelių“ – mat naujų elementų atradimas niekada nėjo pagal skaitinių reikšmių tvarka. Vėliau pereita nuo jų atradimų gamtoje prie kūrimo laboratorijose. Nors tokie elementai gali egzistuoti kažkur Visatoje, Žemėje nepakankamai šalta, nėra pakankamo slėgio ir kt., kad jie būtų natūraliai. Tad jie kuriami laboratorijose ir šiuo metu aukščiausią 118-ą numerį turi oganesonas (Og, pavadintas J. Oganasiano garbei), 2002 m. atrastas Dubnoje (Rusija) naudojant kalcio izotopo ⁴⁸Ca, sudaryto iš 20 protonų ir 28 neutronų, spindulį.

⁴⁸Ca buvo bendras būdas naujų elementų gavimui, tačiau pasibaigė medžiagos, kurias galima apšvitinti juo. Tad bandymai toliau „važiuoti“ su ⁴⁸Ca žlugdavo. Todėl į branduolius reikia „kišti“ daugiau protonų. Tyrėjai sako, kad 119 ir 120 elementų sukūrimui prireiks einšteinio (99) ir fermio (100), tačiau, deja, nėra jų pakankamų kiekių, kad būtų panaudojami „taikiniais“.

Tuo tarpu titano izotopas ⁵⁰Ti iš 22 protonų ir 28 neutronų yra labai stabilus. Buvo paimtas jo oksidas, išvalytas iki titano ir specialioje „krosnyje“ paverstas jonų pluoštu, kuriuo 22 paras švitino plutonio (78) foliją – taip ir buvo gautas livermoriumas (beje, pirmąkart susintetintas dar 2000).

Bet kam gi reikia atradinėti elementus, kurių nėra gamtoje (bent jau Žemėje) ir kurie tokie nestabilūs, kad gyvuoja tik akimirksnius? Mat jie gali atskleisti nežinomas medžiagų savybes ir naujas jų panaudojimo galimybes. Ir yra mokslinių aiškinimų apie dalelių sluoksnius branduoliuose bei „magiškus“ protonų ir neutronų kiekiusjuose, kai tokie atomai gali tapti stabiliais.

¹⁾ Jurijus Oganasianas (g. 1933 m.) - armėnų kilmės branduolinės fizikos mokslininkas Rusijoje, geriausiai žinomas supersunkių elementų atradimais ir tyrimais. 8-me dešimtm. išrado šaltosios sintezės metodą, leidžiantį atrasti supersunkius elementus (106-113). Naujesnės „karštosios sinezės“ būdu buvo atrasti elementai 113-118 – jos metu kalcio branduoliais bombarduojama sunkesni radioaktyvūs elementai. 1989 m. tapo Branduolinių tyrimų inst-to Fliorovo laboratorijos direktoriumi. Jo garbei pavadintas cheminis elementas (Og, nr. 118). Išleido tris monografijas ir paskelbė apie 250 mokslinių straipsnių.

²⁾ Haroldas Kroto (Harold Walter Kroto, 1939-2016) – emigrantų žydų iš Vokietijos kilmės anglų chemikas, Nobelio premijos laureatas (1996) už fulereno (C₆₀) atradimą; taip pat gavęs daugybę kitų apdovanojimų. Apie 40 m. nuo 1967 m. pradirbo Sasekso un-te. 1967-85 m. didžiausią dėmesį skyrė molekulinei spektroskopijai, sukūrė kelis fosfoalkenus ir susidomėjo molekulėmis su ilgomis anglies grandinėlėmis – ir tai atvedė prie bukminster-fullereno sukūrimo 1985-ais. 2004 m. tęsė karjerą Floridos un-te, kur, be kita, dalyvavo fulerenų ir panašių molekulių tyrimuose astrochemojoje.

³⁾ Antonijus van den Brukas (Antonius Johannes van den Broek, 1870-1926) – olandų teisininkas, ekonomistas ir fizikas mėgėjas, nepaisant profesionalaus išsilavinimo, pasiekęs reikšmingų rezultatų. Jam priklauso elemento numerio periodinėje lentelėje atitikimo branduolio krūviui idėja. Su juo siejama ankstyvoji atomo branduolio sandaros samprata ir protono-elektrono modelis. Periodinei sistemai skyrė per 20 straipsnių, Paskutiniai darbai skirti izotopams. Taip pat domėjosi architektūra, pasistatė 6-kampį namą, puikiai grojo fortepijonu.

⁴⁾ Glenas Syborgas (Glenn Theodore Seaborg, 1912-1999) – amerikiečių chemikas ir fizikas branduolinės fizikos srityje, branduolinės chemijos pradininkas, Nobelio premijos laureatas (1951). Kartu su kitais atrado 10-mt naujų cheminių transuraninių elementų, įskaitant plutonį (1941) bei 106-ąjį, jo garbei pavadintą syborgiu (1974; vienas iš dviejų elementų, pavadintų gyvų žmonių garbei – kitas oganesonas). 1937 m. apgynęs daktarinę disertaciją liko Berklio Kalifornijos un-te, buvo jo rektoriumi (1958-61). Nuo 1942 m. buvo prisijungęs prie Manheteno projekto, 1945 m. pasiūlęs transluraninius 89-94 elementus išskirti į atskirą aktinoidų grupę. 1980 m. Berklio Loureso laboratorijoje gavo alfa skilimo (šalinant protonus ir neutronus iš bismuto) metu gavo auksą (ir įkūnijo alchemikų svajonę!). 1992 m pasirašė „Perspėjimą žmonijai“.