Periodična tabela elementov, ki jo je v glavnem ustvaril ruski kemik, Dmitrij Mendelejev (1834-1907), praznoval svoj 150-letnica lansko leto. Težko bi precenili njen pomen kot organizacijskega načela v kemiji – vsi nadobudni kemiki se s tem seznanijo že v najzgodnejših fazah izobraževanja.

Glede na pomembnost tabele bi lahko komu odpustili, če bi mislili, da urejanje elementov ni več predmet razprave. Vendar pa sta dva znanstvenika v ruski Moskvi nedavno objavila predlog novega reda.

Najprej razmislimo, kako je bila razvita periodna tabela. Do konca 18. stoletja so bili kemiki jasni glede razlike med elementom in spojino: elementi so bili kemično nedeljivi (primeri so vodik, kisik), medtem ko so bile spojine sestavljene iz dveh ali več elementov v kombinaciji, ki imajo lastnosti, ki se precej razlikujejo od njihovih sestavnih elementov.

Do začetka 19. stoletja je bilo dobri posredni dokazi za obstoj atomov. In do šestdesetih let 20. stoletja je bilo mogoče našteti znane elemente po vrstnem redu njihove atomske mase – na primer vodik je bil 1, kisik pa 16.

Preprosti seznami so seveda enodimenzionalne narave. Toda kemiki so se zavedali, da imajo nekateri elementi precej podobne kemijske lastnosti: na primer litij, natrij in kalij ali klor, brom in jod.

Zdelo se je, da se nekaj ponavlja in z nameščanjem kemično podobnih elementov drug ob drugega je mogoče izdelati dvodimenzionalno tabelo. Periodična tabela se je rodila.

Pomembno je, da je Mendeljejev periodni sistem izpeljan empirično na podlagi opaženih kemijskih podobnosti nekaterih elementov. Šele v začetku 20. stoletja, po vzpostavitvi strukture atoma in po razvoju kvantne teorije, se bo pojavilo teoretično razumevanje njegove strukture.

Elementi so bili zdaj razporejeni po atomskem številu (številu pozitivno nabitih delcev, imenovanih protoni v atomskem jedru), ne pa po atomski masi, a še vedno tudi po kemijskih podobnostih.

Toda slednje je zdaj izhajalo iz razporeditve elektronov, ki so se v redkih intervalih ponavljali v tako imenovanih “lupinah”. Do štiridesetih let je večina učbenikov imela periodni sistem, podoben današnjim, kot kaže spodnja slika.

Današnja periodna tabela. (Offnfopt / Wikipedia)

Razumljivo bi bilo misliti, da bi bilo s tem konec. Vendar ni tako. Preprosto iskanje po internetu bo razkrilo vse vrste različic periodnega sistema.

Obstajajo kratke, dolge, krožne, spiralne in celo tridimenzionalne različice. Mnogi od njih so zagotovo le različni načini posredovanja istih informacij, vendar še vedno obstajajo nesoglasja glede tega, kam bi morali umestiti nekatere elemente.

Natančna postavitev določenih elementov je odvisna od tega, katere lastnosti želimo poudariti. Tako se bo periodni sistem, ki daje prednost elektronski strukturi atomov, razlikoval od tabel, katerih glavna merila so nekatere kemijske ali fizikalne lastnosti.

Te različice se sicer ne razlikujejo veliko, vendar obstajajo nekateri elementi – na primer vodik -, ki bi jih lahko postavili povsem drugače glede na določeno lastnost, ki jo želimo poudariti. Nekatere tabele vodik uvrščajo v skupino 1, v drugih pa na vrh skupine 17; nekatere tabele ga celo imajo v skupini samostojno.

Precej bolj radikalno pa lahko razmislimo tudi o razvrščanju elementov na zelo drugačen način, ki ne vključuje atomskega števila ali odraža elektronske strukture – vrnitev na enodimenzionalni seznam.

Nov predlog

Zadnji poskus razvrščanja elementov na ta način je bil nedavno objavljen v Časopis za fizikalno kemijo znanstveniki Zahed Allahyari in Artem Oganov.

(Allahyari et al., Journal of Physical Chemistry, 2020)

Njihov pristop, gradi na prejšnjem delu drugihje vsakemu elementu dodeliti tako imenovano Mendeljejevo število (MN).

Obstaja več načinov za izpeljavo takšnih števil, vendar najnovejša študija uporablja kombinacijo dveh temeljnih veličin, ki jih je mogoče neposredno izmeriti: atomski polmer elementa in lastnost, imenovana elektronegativnost ki opisuje, kako močno atom privlači elektrone nase.

Če nekdo uredi elemente po MN, imajo najbližji sosedje, kar ni presenetljivo, precej podobne MN. Bolj koristno pa je narediti ta korak naprej in zgraditi dvodimenzionalno mrežo, ki temelji na MN sestavnih elementov v tako imenovanih “binarnih spojinah”.

To so spojine, sestavljene iz dveh elementov, kot sta natrijev klorid, NaCl.

Kakšne koristi ima ta pristop? Pomembno je, da lahko pomaga napovedati lastnosti binarnih spojin, ki še niso bile izdelane. To je koristno pri iskanju novih materialov, ki bodo verjetno potrebni tako za prihodnje kot za obstoječe tehnologije. Brez dvoma se bo sčasoma to razširilo na spojine z več kot dvema osnovnima komponentama.

Dober primer pomembnosti iskanja novih materialov lahko ocenimo ob upoštevanju periodnega sistema, prikazanega na spodnji sliki.

Tabela obdobij, ki prikazuje relativno številčnost elementov. (Evropsko kemijsko društvo / Wikipedia / CC BY-SA)

Ta tabela ne prikazuje samo relativne številčnosti elementov (večja kot je škatla za vsak element, več jih je), temveč tudi izpostavlja potencialna vprašanja oskrbe, pomembna za tehnologije, ki so postale vseprisotne in bistvene v našem vsakdanjem življenju.

Vzemimo na primer mobilne telefone. Vsi elementi, ki se uporabljajo pri njihovi izdelavi, so označeni z ikono telefona in vidite, da postaja nekaj potrebnih elementov redkih – njihova prihodnja ponudba je negotova.

Če želimo razviti nadomestne materiale, ki se izogibajo uporabi nekaterih elementov, se lahko vpogledi, pridobljeni pri naročanju elementov z njihovimi MN, izkažejo za koristne pri tem iskanju.

Po 150 letih lahko vidimo, da periodične tabele niso le bistveno izobraževalno orodje, ampak ostajajo koristne za raziskovalce v iskanju bistvenih novih materialov. Vendar ne smemo razmišljati o novih različicah kot nadomestkih prejšnjih upodobitev. Veliko različnih tabel in seznamov služi le za poglobitev našega razumevanja, kako se elementi obnašajo.

Nick Norman, Profesor kemije, Univerza v Bristolu.

Ta članek je ponovno objavljen iz Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi izvirni članek.