Време ли е да преобърнем периодичната таблица

Емблематичният вид на периодичната таблица служи вярно на химиците през последните 150 години. Но учените може би вече достигат предела й.

Когато сър Мартин Поляков, химик в университета на Нотингам, чува за игра наречена „битката на периодичната система“, си представил как играч има флот от елементи и играе срещу противниковия такъв. Това довело до невероятна идея. През май–съвпадайки със 150-годишнината на периодичната система на Юнеско– сър Мартин и колеги, включително дъщеря му, Елена Поляков, експериментален психолог в университета на Манчестър, публикуват статия: Преобръщане на периодичната таблица.

От 1869 г. поколения химици са предлагали различни варианти на формата на таблицата, за да я направят по-удобна и по-ясна.

Таблицата на елементите предложена от Дмитрий Менделеев е двуизмерна поредица на химичните елементи, подредени по нарастването на техния атомен номер и разпределени в 18 реда. Представлява схема от модели и повторения, която позволява на учените да предскажат свойства на елемента, химическа активност и дори нови химични елементи. Наричат я още картата на химика, естественият „Розета камък“ и може би най-компактният и смислен сбор от знания, открит досега.

„Ако ми кажете къде се намира даден елемент, мога да ви кажа много за него – дали е метал или неметал, дали е естествен за земята или изкуствено синтезиран – само ми трябва да знам къде се намира на таблицата“, казва д-р Гиролами, неорганичен химик от Университета на Илинойс.


РЕКЛАМА:

***

„Ако искате да общувате с извънземно, просто му покажете периодичната система, тя е универсална за цялата вселена, независимо къде сте“, твърди колегата му д-р Майнц.

В интернет могат да се открият над 1000 вариации на таблицата. Можем да проследим нейната история през годините и начин на откриване.

Пример за такива предложения е таблица, която е наобратно написана спрямо класическата. Нейните създатели твърдят, че това просто е нова гледна точка, и че не е по-вярна от познатата до сега, но да погледнеш проблем от нова гледна точка често води до нови идеи.

Оригиналната внесе много стабилност в поле на изследвания, което беше доста скучно. Сър Исак Нютон описва и категоризира химичните съединения според тяхната реактивоспособност. През 1718 г. първата „таблица на афинитети“ е предложена от френския химик Етиен Жофроа, в която той подрежда реактивността на материали в тяхната графична форма. Близки наблюдения на природата на определени химични елементи като литий, натрий и калий – алкалните метали –всички са меки и реагират с вода. Но това описание не е подробно и не е напълно точно.

Пробивите започнали едва през 1860 г., когато Станислао Канизаро, италиански химик, започва да обсъжда атомното тегло. Има много противоречиви данни за стойностите на различните елементи и най-вече за това какво се измерва: атом или молекула. Канизаро прави списък с атомните тегла на елементите познати дотогава.

„Това отваря вратата за едновременното откритие на 6 различни човека в период от 7 години, включително Менделеев“, разказва Ерик Скери, историк от Университета на Калифорния, Лос Анджелис и експерт по историята на периодичната таблица.

През 1862 г. френският геолог Александър Емил Бегуйе дьо Шанкуртоа предлага триизмерна таблица, като елементите са подредени около метален цилиндър. Химикът от Лондон Джон Нюлендс пък подредил елементите по реда на атомното им тегло в групи по 8 според октетното правило. Тогава всички учени се изсмяли и не го взели насериозно“, твърди д-р Скери.

Британският химик Уилиам Одлинг открива „периодичния закон“ – свойства на семейство елементи, които се повтарят, приблизително, на равни интервали от време. „Густав Хинрихс, датски емигрант от САЩ, предлага радиално подреждане като колело“, разказва Скери.

Лотар Майер, германски химик, създава частична таблица през 1864 г. и я допълва през 1869 г. „Структурно Майер и Менделеев имат еднакви идеи“, казва Алан Рок, историк на науката от Западния университет в САЩ.

Първоначално, съвпаденията и начинът да се предсказват елементи се смятал за мистерия и цифрена случайност. През 20-ти век квантовата физика обяснява периодичността, в частност физиката на електроните в орбитите около ядрото. Калий, литий и натрий се нареждат първо в таблицата във вертикална колона – първа група алкални метали –рубидий, цезий и франций допълват колоната, всички те с по 1 електрон във външната електронна обвивка.

Двамата химици са конструирали много таблици през годините, изкривявайки ги според тогавашните открития. В крайна сметка Менделеев печели. Той прави няколко предположения за откриването на нови елементи, някои от които били грешни, но предсказва за съществуването на галий, германий и скандий. Така до ден днешен се използва таблицата създадена от руския химик, физик и преподавател.

Но науката напредва революционно. Тя е активност, която се развива от десетки хиляди хора, всички работещи заедно да изяснят цялата картина.

Сред многото постижения е фактът, че периодичната таблица най-после отхвърля напълно алхимията, на която Нютон е бил последовател. Той е бил обсебен от химикомагията (chymistry) – синоним на алхимията, според оксфордския речник – в частност търсенето на философския камък и превръщането на различни метали в злато.

Уилям Нюман, историк в Университета на Индиана, се опитва да разбере нютоновата каша от записки и изследвания. Има съединения, които той е получил, но не са познати на нас до ден днешен. Синтезирал е съединения, които 300 години по-късно още не са открити.

Дори и в светлата епоха на модерната наука, химичните реакции остават дълбоко завладяващи. Д-р Скери казва, че в една физична смес получаваш част от частиците на веществото А и на веществото В, но в химията се образува изцяло нов продукт С.

За пример реакцията между натрий, сребърен отровен метал, и хлор, зелен отровен газ, се получава продукт, неотровна бяла кристална маса, абсолютно различна от изходните вещества. „Това е магия“, казва Скери.

Алхимията работи в много неясни ситуации на периодичната система, когато ядрените физици и радиохимици престъпват границите с откриването на нови елементи. Най-тежкият естествен елемент е уран с атомен номер 92, но периодичната система съдържа много по-тежки. Засега е 118 оганесон –най-тежкият елемент с продължителност на полуживот половин милисекунда.

От 2020 г. учените ще опитат да синтезират 119 и 120 с новооткрита „фабрика за свръхтежки елементи“. Надяват се да достигнат „острова на стабилността“, част от таблицата със свръхтежки елементи с по-дълга продължителност.

Като кутията на Пандора, откритието на нови свръхтежки елементи, задава много подвеждащи въпроси. Ще се държат ли така, както таблицата предсказва? Засега само няколко отклонения са открити. Но колкото повече нараства атомният номер, толкова повече ще нарастват отклоненията, което предизвиква да се търси решение на проблема. Ще трябва ли нова система за химичните елементи? Ще издържи ли теста сегашната периодична система? Д-р Пека Пюкьо (Pekka Pyykkö), химик отУниверситета на Хелзинки, пише в статия през 2016 г.: „ПС –всичко наред ли е?“(“Is the Periodic Table All Right (‘PT OK’)?”).

Той заключава, че вероятно да, но с модификации. Д-р Пюкьо е създал периодична система до елемента с атомен номер 172. Той отбелязва, че вероятността за откриването на най-тежкия свръхтежък елемент е много малко вероятна. Ако учените имат късмет, най-тежките свръхтежки елементи може да имат съвсем различна форма на ядрото (например поничка).

„Никой почти не вярва на тези неща, но е една теоретична възможност. Друга такава е ядрото, съдържащо магически много протони и неутрони, с късмет да са равен брой, да е абсолютно подредено в субатомни обвивки“,  посочва Пюкьо.

 

Превод: Кристин Пейчева

Източник: NY Times


Европейска нощ на учените 2022 г.: