Ile jest pierwiastków w układzie okresowym?

Obecnie układ okresowy zawiera dokładnie sto osiemnaście pierwiastków chemicznych. Zostały one oficjalnie zatwierdzone przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) w 2016 roku, a ich liczba porządkowa rozciąga się od 1 (wodór) do 118 (oganeson). W dalszej części artykułu wyjaśniamy, co kryje się za tą liczbą oraz jak zbudowana jest współczesna tablica pierwiastków.

Czym jest układ okresowy i jak go czytać?

Układ okresowy pierwiastków, często nazywany tablicą Mendelejewa, to zestawienie wszystkich zidentyfikowanych substancji chemicznych uporządkowane według rosnącej liczby atomowej. Każdy atom ma swoje ściśle określone miejsce, które dostarcza informacji nie tylko o jego masie, ale przede wszystkim o charakterystycznych właściwościach chemicznych. Podstawową strukturę tabeli tworzą poziome rzędy, zwane okresami, których jest siedem, oraz pionowe kolumny, czyli grupy, których wyróżniamy osiemnaście.

Numer okresu informuje bezpośrednio o liczbie wszystkich powłok elektronowych w atomie. Im większy okres, tym więcej warstw elektronów otacza jądro. Z kolei przynależność do konkretnej grupy, szczególnie w przypadku grup głównych, zdradza liczbę elektronów walencyjnych i tym samym maksymalną wartościowość. Dla pierwiastków z grup od 13. do 18. wyznacza się ją, odejmując dziesięć od numeru grupy – dla węgla z grupy 14. oznacza to wartościowość IV. Wyjątkiem są helowce z grupy 18., które dzięki zamkniętej konfiguracji powłoki walencyjnej mają wartościowość zero i niechętnie tworzą związki chemiczne.

Dlaczego nazywamy go „okresowym”?

Za samą nazwą kryje się prawo okresowości, które odkrył i opisał Dmitrij Mendelejew. W 1869 roku ten rosyjski badacz zauważył, że jeśli ułożyć znane wówczas pierwiastki według rosnącej masy atomowej, ich właściwości chemiczne powtarzają się cyklicznie, czyli okresowo. Mendelejew nie tylko usystematyzował dotychczasową wiedzę empiryczną, ale też pozostawił w swoim układzie puste miejsca na substancje, które, jak przewidywał, dopiero zostaną odkryte. Ta zdolność do prognozowania była przełomem, który potwierdził słuszność jego teorii i dał początek nowoczesnej chemii.

Jak zmieniała się liczba znanych pierwiastków na przestrzeni lat?

Droga do współczesnej liczby 118 była długa i rozpoczęła się na długo przed Mendelejewem. Już starożytni filozofowie, tacy jak Platon i Arystoteles, rozważali, że świat zbudowany jest z czterech żywiołów, jednak pojęcie niepodzielnego atomu i pierwiastka chemicznego ewoluowało przez stulecia. Pierwszych prób usystematyzowania materii dokonał Johann Wolfgang Döbereiner w 1817 roku, tworząc tak zwane triady. Kolejnym ważnym krokiem było prawo oktaw Johna Newlandsa z 1864 roku, które bezpośrednio poprzedziło publikację dzieła Mendelejewa.

Mendelejew idealnie przewidział istnienie i masę atomową takich substancji jak german, gal i skand. Zostały one odkryte jeszcze za jego życia i bezbłędnie wypełniły luki. W latach późniejszych kluczowe okazało się zrozumienie budowy jądra atomowego przez Henry’ego Moseleya, który wykazał, że to nie masa, a ładunek jądra, czyli liczba atomowa, jest najważniejszym czynnikiem porządkującym tablicę. To właśnie ta cecha definiuje, z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia i ile protonów znajduje się w jądrze, na przykład uran-238 ma ich 92, a ołów – 82.

Ostatnie uzupełnienia siódmego okresu

Przełomowe znaczenie dla końcowego kształtu układu miały badania w japońskim instytucie RIKEN i amerykańskim laboratorium w Berkeley. To one doprowadziły do doświadczalnego potwierdzenia istnienia superciężkich atomów z siódmego okresu, które nie występują naturalnie na Ziemi. W grudniu 2015 roku eksperci Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) uznali odkrycie ostatnich czterech, a w listopadzie 2016 roku oficjalnie nadano im nazwy: nihon (113), moskow (115), tenes (117) i oganeson (118).

Ostatnia wersja układu okresowego, opublikowana przez IUPAC 28 listopada 2016 roku, definitywnie zamknęła siódmy okres, dla liczb atomowych od 1 do 118.

Jak struktura atomu determinuje właściwości chemiczne?

Różnorodność zachowań chemicznych 118 pierwiastków wynika wprost z ich konfiguracji elektronowej. Elektrony w atomie są rozmieszczone na powłokach, a te znajdujące się na ostatniej, najdalej wysuniętej od jądra powłoce walencyjnej, odpowiadają za zdolność do tworzenia wiązań. Od ich liczby zależy maksymalna wartościowość, a także przynależność do jednego z czterech bloków energetycznych.

W zależności od tego, która podpowłoka jest aktualnie zapełniana, pierwiastki dzielimy na blok s (grupy 1. i 2. oraz hel), gdzie budowana jest podpowłoka s, blok p (grupy od 13. do 18.), gdzie zapełnia się podpowłoka p powłoki walencyjnej, blok d grup pobocznych oraz blok f, który obejmuje lantanowce i aktynowce. Podział ten jest wizualnie odzwierciedlony w większości nowoczesnych, rozciągniętych grafik tablicy, gdzie blok f jest zwykle umieszczany pod całą resztą.

Z pojęciem konfiguracji elektronowej ściśle wiąże się elektroujemność, czyli miara zdolności atomu do przyciągania elektronów. Wielkość ta rośnie w miarę przesuwania się w okresie od lewej do prawej, ponieważ powłoka walencyjna staje się coraz bardziej zapełniona, a ładunek jądra wzrasta, silniej przyciągając elektrony. W obrębie grupy elektroujemność maleje z góry na dół, gdyż powłoka walencyjna oddala się od jądra. Dzięki tej regule wiemy, że najsilniej elektrododatnim, a więc najbardziej metalicznym pierwiastkiem jest frans z dołu pierwszej grupy, natomiast najwyższą elektroujemność wykazuje fluor z góry grupy siedemnastej.

Gdzie leży fizyczna granica istnienia pierwiastków?

Wypełnienie tablicy do liczby 118 rodzi pytanie o możliwość syntezy kolejnych atomów. Największą przeszkodą jest bariera kulombowska, czyli elektrostatyczne odpychanie dodatnio naładowanych protonów w jądrze. Aby doszło do syntezy nowego, cięższego jądra, trzeba pokonać to odpychanie, zbliżając nukleony na tyle blisko, by zaczęło działać oddziaływanie silne. Ten jądrowy „klej” jest niezwykle wydajny, ale funkcjonuje jedynie na dystansie mniejszym niż 10^-14 metra.

Nieocenioną rolę w stabilizacji jądra odgrywają neutrony – cząstki elektrycznie obojętne. Działają one niczym bufor, rozcieńczając ładunek dodatni protonów i wzmacniając oddziaływanie silne bez zwiększania odpychania. W lekkich atomach liczba protonów i neutronów jest zrównoważona, jednak w cięższych jądrach neutrony zaczynają przeważać. Ta strategia działa jednak tylko do pewnego momentu. Za ostatni całkowicie stabilny pierwiastek uznaje się ołów (liczba atomowa 82). Ostatnim spotykanym w przyrodzie, choć już nietrwałym, jest pluton (liczba atomowa 94).

Wszystkie cięższe substancje to nietrwałe wytwory laboratoriów, rozpadające się w ułamkach sekund. Mimo to wielu fizyków i chemików żywi nadzieję na odkrycie tak zwanej wyspy stabilności. Teoria ta zakłada, że mogą istnieć konfiguracje protonów i neutronów, które nawet przy bardzo wysokiej liczbie atomowej wykazują niespotykaną trwałość, być może otwierając drogę do ósmego okresu układu. Dowodzi to, że mimo osiągnięcia liczby 118, fizyka nie powiedziała jeszcze ostatniego słowa, a granica materii nie została ostatecznie osiągnięta.

Jak na przestrzeni lat obrazowano zestaw pierwiastków?

Standardowa tabela z okresami i grupami to tylko jedna z wielu istniejących form graficznych. Chęć czytelniejszego pokazania zależności między właściwościami atomów zaowocowała stworzeniem dziesiątek alternatywnych układów, zebranych na stronie zwanej zoo układów okresowych. Konstrukcje te często w niestandardowy sposób akcentują konfigurację elektronową, masę lub metaliczność.

Do najbardziej znanych wariantów, które wyewoluowały na przestrzeni dekad, należą:

• długa forma tablicy Wernera, która jako pierwsza w 1905 roku wizualnie rozdzieliła bloki s, p i d,
• tabela spiralna Theodora Benfeya, opracowana w 1960 roku i nawiązująca do dziewiętnastowiecznej śruby tellurycznej,
• trójwymiarowy model dla fizyków stworzony przez Timothy’ego Stowe’a, gdzie osie reprezentują główną, poboczną i magnetyczną liczbę kwantową,
• eliptyczna spirala Philipa J. Stewarda, określana mianem galaktyki chemicznej, która w artystyczny sposób łączy pierwiastki z drogami gwiezdnymi,
• klasyfikacja Alberta Tarantoli, wzorowana na wcześniejszym pomyśle Charlesa Janeta, pozwalająca bezpośrednio odczytywać poziomy energetyczne atomów.

Nawet w wymiarze czysto symbolicznym, układ okresowy stał się ikoną nauki. Przed budynkiem Wydziału Technologii Chemii i Żywności Politechniki w Bratysławie znajduje się pomnik przedstawiający Dmitrija Mendelejewa oraz jego dzieło, co podkreśla przełomowe znaczenie tego narzędzia dla rozwoju cywilizacji. Istnienie tak wielu form ilustracji dowodzi, że nawet zbiór ograniczony liczbą 118 pozostaje niewyczerpanym źródłem naukowej inspiracji.