Þrjár ástæður fyrir því að lotukerfið þarfnast endurhönnunar

HALTU fingrunum yfir hvíta takkana á píanói. Nóturnar verða hærri og hærri eftir því sem höndin þín færist til hægri. Á áttunda tóninum gerist eitthvað fallegt: tónn hangir á lofti sem felur í sér eitthvað af þeim fyrsta, aðeins með öðrum tónhæð.

Við fórum að segja að eitthvað svipað væri í gangi með frumefnin fyrir meira en 150 árum. Vísindamenn kölluðu það jafnvel áttundarlögmálið. Og það er þessi endurtekning í eiginleikum frumefna sem lotukerfið fangar svo fallega. Svipaðir þættir enda staflað í dálka eða hópa. Einn hópur samanstendur af eðallofttegundum eins og argon og neon sem hvarfast varla við neitt, annar inniheldur hvarfgjarna málma, sumir þeirra, eins og fransíum, springa við snertingu við vatn.

En það eru efasemdir um hvort lotukerfið sé í bestu mögulegu uppsetningu. Rétt eins og hægt er að raða nótum á ýmsan hátt til að framleiða tónlist, þannig mætti lýsa kjarna tengslanna á milli frumefna á annan hátt. Það er engin auðveld leið til að dæma hvort sé betra eða „sannara“. Þannig að rifrildi um skynjaða galla í núverandi fyrirkomulagi gnýr um, þar sem sumir efnafræðingar halda því fram að ákveðna þætti ætti að flytja – og aðrir vinna að róttækari leiðum til að endurskipuleggja töfluna.

Í fyrstu, frumefnin voru skipulögð eftir atómþyngd. Nú raðum við þeim eftir fjölda róteinda í kjarna þeirra. Við vitum líka að eiginleikar þeirra ráðast að miklu leyti af fyrirkomulagi neikvætt hlaðna rafeinda sem snúast í röð skelja um kjarnann.

„Ein fyrirhuguð endurhönnun lítur út eins og jólatré“

Léttustu frumefnin hafa aðeins eina skel sem getur geymt tvær af þessum ögnum. Þyngri frumefni hafa fleiri skel sem geta geymt stærri fjölda rafeinda. Það sem skiptir hins vegar miklu máli fyrir hegðun hvers frumefnis er hversu margar rafeindir það hefur í ytri skelinni.

Sú tala hefur tilhneigingu til að passa vel við hvernig borðið er raðað upp, nefnilega að setja þætti með svipaða eiginleika í sama hóp. Til dæmis hafa frumefni í hópi 1 eina rafeind í ytri skelinni og þau í hópi 2 hafa tvær. En það passar ekki alltaf eins vel saman og allt það.

Hvert fer vetni?

Taktu fyrsta þáttinn. Vetni hefur eina rafeind í ystu skel svo þú gætir gert ráð fyrir að það eigi heima nákvæmlega þar sem það er, í hópi 1 fyrir ofan litíum og natríum, sem einnig hafa eina rafeind í ystu skelinni. Samt er vetni gas, ekki málmur, svo eiginleikar þess passa ekki.

Flækjan kemur upp vegna þess að með ytri skel sem getur aðeins geymt tvær rafeindir er vetni einni rafeind frá því að vera full. Í ljósi þess að þættir þrá fullar ytri skeljar, gerir það það mjög viðbragð. Í þessum skilningi líkist vetni frumefnunum í hópi 17, nefnilega halógenunum eins og klór. Ytri skel þeirra þarf aðeins að fá eina rafeind til að ná fullri skel upp á átta, sem gerir þær álíka hvarfgjarnar. Hvað varðar eiginleika þess, þá er vetni nær klóri en litíum.

Af hverju eru kvikasilfur og gull svona skrítið?

Neðst á borðinu eru engin laus pláss fyrir óstaðsetta þætti. Samt sem áður líta nokkrir af þeim sem sitja uppi eins og útlægir. Taktu kvikasilfur, einnig þekkt sem kviksilfur vegna þess að það er vökvi við stofuhita. Að því leyti er það allt öðruvísi en aðrir meðlimir hóps 12, þar á meðal sink og kadmíum, sem eru allir fastir málmar. Hvað gefur?

Því neðar í töflunni sem þú ferð, því meira af jákvætt hlaðnum róteindum inniheldur kjarni frumefnis. Þetta skapar sterkari toga á rafeindirnar á braut, sem þýðir að þær verða að ferðast hraðar og hraðar. Þegar þú nærð kvikasilfri ferðast rafeindirnar á 58 prósent af ljóshraða. Samkvæmt sérstakri afstæðiskenningu Einsteins þýðir þetta að virkur massi þeirra er umtalsvert hærri en eðlilegur massi rafeindarinnar, sem eykur ádráttinn sem þeir finna.

Niðurstaðan er sú að rafeindir kvikasilfurs snúast svo þétt um braut að ekki er hægt að deila þeim til að mynda tengsl við önnur frumeindir, eins og þarf til að mynda fast efni. Það sama skýrir hvers vegna gull er gull, einstakur litur meðal málma: afstæðisleg áhrif breyta því hvernig rafeindir gleypa ljós.

F-blokka ráðgátan

Hópur 3 inniheldur tvo þætti sem gætu átt heima annars staðar. Þegar við förum yfir efri raðir töflunnar fylla rafeindir skeljar í röð svokallaðra svigrúma og bíða þar til innsta skelin er full áður en þau fara inn í þá næstu. Með frumefni 57, lanthanum, byrja rafeindirnar að komast inn í nýja gerð svigrúms, f-svigrúms. Til að gera grein fyrir þessu, taka flestar lotutöflur frá frumefnunum sem mynda þennan f-reit, setja hann fyrir neðan töfluna og skilja eftir skarð í hóp 3.

Sanngjarnt. En það er deilt um hver af þáttunum í f-blokkinni ætti að koma fyrst. Sumir efnafræðingar halda því fram að ákvörðunin ætti að koma niður á rafeindastillingu, sem myndi skilja borðið eftir eins og það er, með lantan og aktíníum á vinstri enda f-blokkarinnar. Aðrir benda á að efnafræðilegir eiginleikar eins og atómradíus og bræðslumark geri lútetíum og lawrencium, sem nú er í hægri endanum, betra veðmál. Árið 2016 setti International Union of Pure and Applied Chemistry saman verkefnahóp til að útkljá deiluna. En enginn býst við ákvörðun bráðlega.

Byrja aftur

Öll þessi nöldur hafa sannfært suma efnafræðinga um að við þurfum að endurteikna lotukerfið sem fundið var upp af Dmitri Mendeleev – og það er enginn skortur á hugmyndum. Mark Leach við Manchester Metropolitan háskólann, Bretlandi, heldur netgagnagrunninum yfir lotutöflur , sem inniheldur hundruð útgáfur.

Til að reyna að tákna betur samfelluna þar sem ein röð endar eins og er, þróaði kanadíski efnafræðingurinn Fernando Dufour á eftirlaunum þrívíddarlotukerfi sem lítur út eins og jólatré, þar sem frumefnin geisla frá stofni í hringi sem verða stærri nær botninum. Annar valkostur er spírallinn sem Theodor Benfey þróaði, sem gerir f-blokkinni kleift að bunga út á við (sjá aðalmynd að ofan).

Eric Scerri við Kaliforníuháskóla í Los Angeles er meðal þeirra sem hafa haldið því fram fyrir grundvallarbreytingar. Hann lagði áður til að hægt væri að raða töflunni til að hámarka fjölda „þríhyrninga“, sett af þremur frumefnum sem deila svipuðum eiginleikum og tengjast með atómþyngd þeirra. Þessa dagana styður hann enn róttækari nálgun: Gerðu töfluna ekki 18 heldur 32 dálka með því að raða öllum 30 f-blokkinni á milli núverandi hópa 2 og 3 (sjá “ Langt að fara“). Þetta gerir atómnúmerinu kleift að keyra í óslitinni röð.

En Guillermo Restrepo hjá Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences, Þýskalandi, er hlynntur vali. Hann hefur kannað hvort efnafræðileg líkindi frumefna í sömu súlunum haldi enn eins vel og það gerði fyrir 150 árum, miðað við aukna þekkingu okkar á efnahvarfsemi. Niðurstaða hans er sú að lanthanum tilheyrir hópi 3 – það er að segja úr röð.

Endurhönnun lotukerfisins gæti virst töfrandi leit, en það gæti brátt tekið á sig nýja brýningu. Við erum nú þegar á slóð þáttar 119. Hvert það mun fara og hvernig taflan mun breytast til að gera pláss fyrir það, á eftir að koma í ljós.

• Skoðaðu afganginn af sérstakrinum okkar á 150 ára afmæli lotukerfisins: prófaðu krossgátuna okkar; uppgötvaðu uppáhaldsþætti sumra fremstu vísindamanna og deildu þínum eigin; og ferð inni í ofurþungu atómverksmiðjunni

Leiðtogi: ” Sagan af fallegasta borði vísindanna er þess virði að fagna“