Układ okresowy pierwiastków

Pierwiastek chemiczny – podstawowe pojęcie chemiczne posiadające dwa znaczenia:

• zbiór wszystkich atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze
• taka substancja chemiczna , która składa się wyłącznie z atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze^[1].

Pierwotna definicja pierwiastka chemicznego podana przez Arystotelesa , głosząca, że jest to taka substancja, której nie da się rozłożyć na prostsze, nie jest już współcześnie stosowana^[2].

W odpowiednich warunkach atomy pierwiastków mogą łączyć się z sobą tworząc związki chemiczne . Niemal cała znana materia składa się z pierwiastków chemicznych w pierwszym znaczeniu, które występują albo w stanie wolnym albo w formie związków chemicznych i ich mieszanin . Pierwiastki w drugim znaczeniu tego słowa występują na Ziemi w formie czystej stosunkowo rzadko i poza nielicznymi przypadkami (takimi jak np. miedź rodzima ) trzeba je celowo wyodrębniać z mieszanin.

Liczba pierwiastków i ich nazewnictwo

Pierwiastki we wzorach chemicznych oraz w układzie okresowym przedstawia się w formie jedno-trzyliterowych skrótów (jedno- i dwuliterowe to oficjalne, trzyliterowe - tymczasowe). Dla przykładu: C - to węgiel , H to wodór , Cl to chlor , Uut to ununtrium odkryty w 2004 roku. W skrótach tych pierwsza litera jest zawsze wielka, a pozostałe małe. Przestrzeganie tej zasady ma duże znaczenie w jednoznacznym interpretowaniu wzorów chemicznych. Np: Co to symbol kobaltu , CO zaś to wzór tlenku węgla , składającego się z atomu węgla (C) i tlenu (O). Skróty te pochodzą od łacińskich nazw pierwiastków.

Na początku 2010 r. znane były dowody na istnienie 118 pierwiastków chemicznych, z których te o liczbie atomowej od 1 do 112 zostały oficjalnie uznane przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) i nadano im oficjalne nazwy oraz symbole. Doniesienia o odkryciu pierwiastków o liczbach atomowych 113-118 muszą zostać jeszcze w pełni zweryfikowane przez niezależne ośrodki naukowe, dopiero wtedy zostaną one uznane przez IUPAC i uzyskają oficjalne nazwy^[3].

Oprócz nazw pierwiastków uznanych oficjalnie przez IUPAC w obiegu są też nazwy nieoficjalne. Dotyczy to głównie pierwiastków otrzymanych sztucznie przy pomocy technik rozwiniętych przez fizykę jądrową .

92 pierwiastki występują naturalnie na Ziemi . Pozostałe zostały otrzymane sztucznie. Pierwiastki o liczbie atomowej powyżej 82 ( bizmut i dalsze) są niestabilne, tzn. ulegają rozpadowi promieniotwórczemu w zauważalnym eksperymentalnie tempie. Oprócz tego niestabilne są także pierwiastki 43 ( technet ) i 61 ( promet ), które zostały otrzymane sztucznie. Ponadto żaden z pierwiastków o liczbie atomowej powyżej 94 nie występuje naturalnie. Wszystkie pierwiastki posiadają także niestabilne izotopy , tj. atomy w których jądrach jest ta sama liczba protonów, ale inna neutronów . Niewiele spośród nich występuje w przyrodzie; należy do nich np. tryt , niestabilny izotop wodoru , z którego buduje się bomby wodorowe ^[4].

Własności chemiczne pierwiastków i układ okresowy

Prawo okresowości Mendelejewa głosiło, że własności chemiczne pierwiastków zmieniają się periodycznie, gdy ułoży się je w kolejności ich mas atomowych . Stało się to podstawą do stworzenia tabeli nazwanej układem okresowym . Później w toku badań nad pierwiastkami okazało się, że ich własności chemiczne wykazują okresowość nie tyle ze względu na masę atomową ile raczej na liczbę atomową . Na ogół masy atomowe pierwiastków rosną stopniowo ze wzrostem ich liczby atomowej, jednak ze względu na składy izotopowe w kilku przypadkach kolejność ta jest zaburzona^[5].

W układzie okresowym pierwiastki dzielą się na grupy i okresy . W najczęściej spotykanych postaciach układu grupy stanowią kolumny a okresy rzędy tabeli. Pierwiastki występujące w jednej grupie mają zazwyczaj podobne podstawowe własności chemiczne, które przechodząc od okresu do okresu ulegają tylko wzmocnieniu lub osłabieniu. Np: wszystkie oprócz wodoru pierwiastki występujące w 1. grupie układu są bardzo reaktywnymi metalami o własnościach zasadowych tworzącymi w reakcji z wodą odpowiednie wodorotlenki . Z kolei wszystkie pierwiastki z 17. grupy są niemetalami , tworzącymi w reakcji z wodą silne kwasy ^[6].

Historia

Oznaczenia pierwiastków z XVII wieku

Koncepcje starożytne

Koncepcja pierwiastka w sensie podstawowej substancji, z której zbudowane są pozostałe istniała prawdopodobnie od zarania dziejów. Greccy filozofowie przyrody szukali początkowo jednego, podstawowego pierwiastka (arche). Tales z Miletu twierdził, że jest to woda , Anaksymenes że powietrze a Heraklit , że ogień . Następnie Empedokles zaproponował syntezę tych czterech poglądów i stwierdził, że żywiołami są: woda, powietrze, ogień oraz ziemia^[7]. Z teorii tej wywodzi się większość późniejszych koncepcji różnych zbiorów substancji, które alchemicy uznawali za pierwiastki.

Drugi nurt myślenia o pierwiastkach rozpoczął się od Anaksagorasa i Anaksymenesa . Pierwszy z nich twierdził, że pierwiastków jest nieskończona liczba, tyle ile unikalnych substancji we Wszechświecie. Drugi twierdził, że podstawowym pierwiastkiem jest bezkres. Ten bardziej abstrakcyjny sposób myślenia o budowie materii został podjęty przez Platona , dla którego pierwiastkami stały się wielościany foremne . Cztery wielościany foremne: czworościan , sześcian , ośmiościan i dwudziestościan uznał za idee czterech podstawowych pierwiastków w świecie realnym, odpowiednio: ognia, ziemi, powietrza i wody. Piąty wielościan foremny: dwunastościan odnosił do konstelacji nieba. Uczeń Platona, Arystoteles uznał, że jest on wzorcem kolejnego pierwiastka, który został przez niego nazwany eterem i miał stanowić materiał, z którego wykonana jest dusza ^[8].

ogień ( czworościan )	ziemia ( sześcian )	powietrze ( ośmiościan )	woda ( dwudziestościan )	eter ( dwunastościan )

Największym dokonaniem Arystotelesa było jednak ścisłe zdefiniowanie pojęcia pierwiastka, które przetrwało do czasów współczesnych. Według niego:

Pierwiastek to jedno z tych ciał, na które inne ciała mogą być rozłożone i które samo nie może być już dalej podzielone^[9]

Późniejsi filozofowie antyczni nie wnieśli zbyt wiele do koncepcji pierwiastka, gdyż środek ciężkości badań filozoficznych przeniósł się na setki lat z przyrody na kwestie, które współcześnie można by nazwać naukami społecznymi.

Alchemia

Kolejny rozwój koncepcji pierwiastków miał miejsce dopiero około roku 790 , gdy arabski alchemik Dżabir Ibn Hajjan (znany w Europie jako Geber), dodał do dawnej greckiej listy dwa nowe elementy, z których miały być zbudowane metale . Były to siarka (kamień, który się pali), mający odpowiadać za zdolność metali do stapiania się, oraz rtęć , która miała odpowiadać za ich połysk i kowalność. Warto zauważyć, że w odróżnieniu od pierwiastków greckich, pierwiastki Gebera są również pierwiastkami wg współczesnej wiedzy. Nowość podejścia Gebera polegała też na tym, że do swoich wniosków doszedł on częściowo w drodze zaplanowanych eksperymentów, a nie w wyniku czystych spekulacji. Koncepcja Gebera była dalej rozwijana przez jego arabskich kontynuatorów, którzy dołożyli jeszcze kolejny pierwiastek: sól, która miała odpowiadać za twardość metali^[10].

W 1524 r. Paracelsus starał się połączyć koncepcję Arystotelesa i alchemików arabskich, twierdząc, że trzy z czterech żywiołów greckich odpowiadają trzem pierwiastkom Gebera, które znajdują się nie tylko w metalach, ale wszelkich ciałach stałych i cieczach. Rtęć miała być odpowiednikiem wody, siarka - ognia, a sól - ziemi. Powietrze miało być nieobecne w ciałach stałych i pełnić rolę obojętnego chemicznie ośrodka, w którym ciała stałe i ciecze się poruszają i mogą przekształcać jedne w drugie^[10].

W 1669 lekarz i alchemik niemiecki Johann Joachim Becher uogólnił teorię Paracelsusa, twierdząc, że wszystkie substancje składają się z: powietrza, wody i trzech rodzajów ziemi: terra fluida (odpowiednik rtęci) - który umożliwia ich topienie i parowanie, terra lapida (odpowiednik soli) - odpowiadający za to, że substancje stają się twarde i odporne mechanicznie, oraz terra pinguis (pierwiastek "tłustości", odpowiednik siarki), który odpowiada za "miękkość" i jednocześnie za zdolność do spalania. Np: wg Bechera drewno składa się z terra lapida oraz z terra pinguis - na skutek czego jest ono twarde - ale nie tak jak metale i jest palne - ale po spaleniu zostaje się popiół, czyli właśnie terra lapida, zaś terra pinguis tworzy z powietrzem dym, który ulatuje w przestrzeń. Później koncepcja terra pinguis pokutowała aż do czasów Antoine Lavoisier 'a jako teoria flogistonu ^[11].

Rozwój współczesnej koncepcji pierwiastka

Za twórcę współczesnej koncepcji pierwiastka można uznać Roberta Boyle'a , który powrócił do pierwotnej definicji Arystotelesa, ale jednocześnie przedstawił serię krzyżowych eksperymentów rozkładu kilkuset substancji, dowodzącą, że w przyrodzie musi być więcej niż 4 czy nawet 6 pierwiastków. Zaproponował też, aby przyjąć zasadę, że daną substancję uważa się za pierwiastek, tak długo aż komuś nie uda się jej rozłożyć na jeszcze prostsze substancje^[12].

Postępując zgodnie z programem Boyla, Antoine Lavoisier w 1789 r. obalił teorię flogistonu i jednocześnie sporządził listę 33 pierwiastków, z których później część okazała się faktycznie pierwiastkami chemicznymi, ale część była nieporozumieniem, np: na liście były światło i ciepło^[13]. Lista ta była stale uzupełniania i zmieniana przez kolejne pokolenia chemików. Do 1818 Jöns Jacob Berzelius ustalił masy molowe 45 z 49 substancji uznanych za pierwiastki. Duże zasługi w uporządkowaniu listy pierwiastków położył na przełomie XVIII i XIX wieku Humphry Davy , który konkurował i spierał się z Berzeliusem.

W 1869 r. w pierwszym układzie okresowym pierwiastków Dmitrij Mendelejew zamieścił już 66 pierwiastków. Układ okresowy znacznie przyspieszył odkrywanie nowych pierwiastków i ułatwił ustalanie, czy postulowana substancja jest nim istotnie, gdyż musiały one pasować swoim własnościami chemicznymi i masą atomową do wolnych miejsc w układzie.

W XIX wieku głównym źródłem odkryć nowych pierwiastków były badania geologiczne. Odkryto w tym czasie m.in. większość występujących naturalnie metali ziem rzadkich . Pod koniec XIX wieku William Ramsay odkrył istnienie gazów szlachetnych , występujących w śladowych ilościach w powietrzu i niektórych gazach geologicznych.

Do początków XX wieku, pierwiastek nadal definiowano tak, jak to zaproponował Arystoteles i Boyle. Na podstawie tego, że w układzie okresowym nie było już prawie żadnych pustych miejsc uważano też, że zostały już odkryte prawie wszystkie pierwiastki. Odkrycie zjawiska rozpadu promieniotwórczego przez Marię Skłodowską Curie i jej męża w 1898 r. z jednej strony obaliło mit o tym, że atomy pierwiastków nie mogą się rozpadać na mniejsze jednostki, a z drugiej strony otworzyło to źródło odkryć kolejnych kilkudziesięciu pierwiastków chemicznych.

W 1913 r. Henry Moseley dowiódł, że okresowość własności chemicznych pierwiastków nie jest związana bezpośrednio z ich masą atomową lecz wynika raczej z ładunku elektrycznego ich jąder , który wynika z kolei z liczby protonów znajdujących się w tych jądrach. Po odkryciu w 1913 r. przez Fredericka Soddy'ego , że część rzekomych nowych pierwiastków to w istocie izotopy już istniejących, powstała konieczność zmiany definicji tych pierwszych. Współczesna definicja pierwiastka, przyjęta przez IUPAC po II wojnie światowej określająca go jako zbiór atomów o tej samej liczbie protonów w jądrze rozwiązuje kwestię problemów z izotopami i rozpadem promieniotwórczym^[1].

Najnowsze odkrycia

W 1919 r. lista pierwiastków liczyła 89 pozycji. W 1937 r. została zapełniona ostatnia poważna luka w układzie okresowym między molibdenem i rutenem , z której istnienia zdawał sobie sprawę już Mendelejew. Udało się tego dokonać badaczom z Uniwersytetu w Palermo pod kierunkiem Emilio Segrè i przy współpracy z G. T. Seaborgiem . Technet był pierwszym pierwiastkiem wytworzonym przez człowieka z innych pierwiastków^[14].

Odkrycia nowych pierwiastków chemicznych w czasie i po II wojnie światowej związane były z rozwojem technik fizyki jądrowej , zwłaszcza z możliwością przeprowadzania reakcji jądrowych na skutek bombardowania jąder atomowych cząstkami rozpędzanymi w akceleratorach . Do początku 2010 r. otrzymano w ten sposób pierwiastki o liczbach atomowych od 93 do 118, które razem nazywane są transuranowcami ^[3].

Badania te są bardzo kosztowne i prowadzone są głównie w trzech ośrodkach naukowych na świecie:

• Lawrence Berkeley National Laboratory - w Kalifornii w Stanach Zjednoczonych
• Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej w Rosji
• Instytucie Badań Ciężkich Jonów w Wixhausen - na przedmieściach Darmstadt w Niemczech .

Pierwszym w ten sposób odkrytym pierwiastkiem był neptun ( 1940 , Edwin Mattison McMillan i Philip Abelson , Berkeley). Pierwiastek o masie atomowej 100 ( ferm ) został otrzymany w Berkeley przez zespół Alberta Ghiorso , zaś pierwiastek 101 ( mendelew ) otrzymał w 1955 r. zespół z Dubnej.

Najcięższym odkrytym dotąd pierwiastkiem jest ununoctium (118). Miał być on rzekomo odkryty przez rosyjskiego fizyka Wiktora Ninowa w Berkeley w 1999 r.^[15], jednak po nieudanych próbach powtórzenia eksperymentu wyniki te zostały uznane za oszustwo^[16]. Pierwiastek ten udało się jednak ostatecznie otrzymać w Dubnej, co zostało ogłoszone 9 września 2006 r.^[17]

24 kwietnia 2008 grupa kierowana przez Amnona Marinova z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie ogłosiła wykrycie kilku atomów unbibium -292 w naturalnie występujących złożach toru .^[18]. Rzetelność tych badań została podważona przez inne zespoły badawcze^[19], wyniki te nie doczekały się też ogłoszenia w recenzowanym czasopiśmie naukowym (Marinov ujawnił, że Nature i Nature Physics nie przyjęły artykułu do publikacji^[20]).

Przypisy

Zobacz też

• Pierwiastki chemiczne według nazw
• Pierwiastki chemiczne według symboli
• Pierwiastki chemiczne według liczby atomowej
• Pierwiastki chemiczne według gęstości
• Układ okresowy pierwiastków
• Historia odkryć pierwiastków
• Związek chemiczny
• Związki chemiczne według pierwiastków
• Pierwiastki kryptomorficzne