1. Liczą się małe rzeczy. Atom
Chemia jest wszędzie i we wszystkim. Tkwi w telefonie komórkowym, w ciele, w ubraniu i w ulubionym koktajlu! Tłumaczy, dlaczego lód roztapia się w wodę, i pomaga nam przewidzieć, co się stanie, jeśli połączymy dwa pierwiastki, na przykład sód i chlor (uwaga, spojler: powstanie sól).
Ale czym jest chemia?
Fachowa definicja mówi, że chemia to nauka o energii i materii oraz o tym, jak one na siebie oddziałują. W tym kontekście materia oznacza wszystko, co istnieje, za to energia dotyczy reaktywności cząsteczki. (Cząsteczka to jeden z wielu niezwykle małych elementów, z których składa się materia. Więcej na ten temat przeczytacie w dalszej części książki).
Chemicy zawsze chcieli przewidywać, jak będzie wyglądało oddziaływanie między dwiema cząsteczkami - innymi słowy, mieli ochotę prognozować, co się stanie, jeśli połączymy dwie substancje chemiczne. Stawiamy więc różne pytania i staramy się na nie odpowiedzieć. Czy substancje chemiczne zareagują w temperaturze pokojowej? Czy dojdzie do wybuchu? Czy jeśli je podgrzejemy, to powstaną nowe wiązania?
Aby odpowiedzieć na takie pytania, musimy zrozumieć podstawy chemii. Czyli musimy cofnąć się do dalekiej przeszłości, ponieważ chemia to starożytna nauka. Bardzo starożytna.
W V wieku dwóch filozofów, Demokryt i Leukippos, postawiło hipotezę, że cały świat zbudowany jest z malutkich, niepodzielnych kawałków zwanych atomos. W zbiorze esejów opisywali, jak można połączyć miliony atomos, aby powstało to, co widzimy wszędzie dookoła nas; tak jak z klocków Lego można zbudować różne przedmioty, na przykład łódź lub odlotowy statek kosmiczny Sokół Millennium.
Chociaż Demokryt i Leukippos mieli całkowitą rację - i dziś dzierżą palmę pierwszeństwa jako ci, którzy podali definicję idei atomu - to za życia nie doczekali się akceptacji stworzonej przez siebie teorii. A to dlatego, że ich pomysł kłócił się z poglądami dwóch innych ówczesnych filozofów, Arystotelesa i Platona (którzy byli raczej grubymi rybami).
Arystoteles i Platon uważali, że materia na świecie (to znaczy wszystko) składa się z połączenia ziemi, powietrza, wody i ognia. Według ich teorii ziemia jest zimna i sucha, woda jest zimna i mokra, powietrze jest gorące i mokre, a ogień - gorący i suchy. I wszystko na świecie może powstać z połączenia tych czterech żywiołów/elementów. Sądzili też, że każdy przedmiot na świecie może przeobrazić się z ziemi w powietrze, z powietrza w ogień, z ognia w wodę i z powrotem. Ich teoria głosiła na przykład, że kiedy pali się kłoda, zmienia się ona z czegoś zimnego i suchego (ziemi) w coś gorącego i suchego (ogień). Gdy ogień zgaśnie, wypalona kłoda obraca się znów w ziemię, ponieważ jest wtedy zimna i sucha.
Jeśli jednak ktoś zgasi ogień wodą, to spalone drewno stanie się połączeniem dwóch elementów: ziemi i wody. Wówczas spalony i mokry popiół zajmie o wiele więcej miejsca niż sterta suchego popiołu. Zatem Arystoteles i Platon wzięli to za znak, że każda materia może stać się nieskończenie większa lub mniejsza wyłącznie poprzez zmianę jej związków.
Demokrytowi bardzo nie podobał się ten pomysł. Uważał, że muszą istnieć jakieś ograniczenia co do tego, jak mała może stać się dana rzecz. Powiedzmy, że kroisz bochenek chleba na pół. Potem znów przekrajasz go na pół, i jeszcze raz, i jeszcze. W końcu, jak sądził Demokryt, zabraknie chleba do krojenia. Gdy czegoś nie można już podzielić, to właśnie ostatni mały kawałek będzie pojedynczym atomem. I Demokryt miał rację!
Ale to się nie liczyło, ponieważ Arystoteles był wówczas celebrytą pośród filozofów. Kiedy odrzucił ideę atomos, wszyscy poszli jego śladem. Niestety Arystoteles się mylił i ludzkość przez kolejne dwa tysiące lat błędnie interpretowała świat jako związek ziemi, wody, powietrza i ognia.
Niech to wybrzmi. Dwa tysiące lat!
Dopiero w XVII wieku ktoś dostarczył wystarczająco mocnych dowodów i zdołał podważyć teorię Arystotelesa. Dziwaczny fizyk, Robert Boyle, uwielbiał przeprowadzać eksperymenty po to, by obalać powszechnie przyjęte dogmaty. Zwrócił uwagę na teorię Arystotelesa i napisał książkę, w której dowodził, że świat nie jest zbudowany z ziemi, wody, powietrza i ognia, jak sądzili Grecy.
Boyle wyjaśnił, że jest inaczej: świat składa się z pierwiastków - małych fragmentów materii, których nie można podzielić na dwie mniejsze części. Brzmi znajomo?
Publikacja książki Boyle'a - pod trafnym tytułem The Sceptical Chymist (Sceptyczny chemik) - była jak sygnał do startu w wyścigu po odnalezienie tych małych i niepodzielnych części zwanych pierwiastkami. Boyle uważał wówczas, że większość powszechnych materiałów, takich jak miedź czy złoto, to związki owych pierwiastków. Jednak wkrótce po wydaniu książki odkryto te substancje (oraz jedenaście innych) i zdefiniowano je jako pierwiastki.
Przykładowo miedzi użyto po raz pierwszy w 9000 roku p.n.e. na Bliskim Wschodzie, ale dopiero po publikacji książki Boyle'a ludzie zaczęli przyglądać się jej uważnie. Biorąc pod uwagę nową myśl dotyczącą pierwiastków, naukowcy zaczęli sądzić, że miedź nie jest związkiem pierwiastków - ale stanowi pierwiastek sam w sobie.
To samo stało się z ołowiem, złotem, srebrem... I w ten sposób rozpoznano pierwsze trzynaście pierwiastków. Później naukowcy stale szukali dowodów, które wskazywałyby na nowy pierwiastek. Doprowadziło to do odkrycia fosforu w 1669 roku, a w 1735 roku - kobaltu i platyny.
Dziś wiemy, że pierwiastek to dokładnie to, co opisał Boyle: substancja, która nie ulega dalszemu podziałowi na prostsze i mniejsze elementy podczas reakcji chemicznej. Wiemy też, że pierwiastki składają się z milionów, a nawet miliardów maleńkich kawałeczków materii zwanych atomami (nazwa pochodzi od oryginalnego terminu wymyślonego przez Demokryta: atomos). Jednak odkrycia tego dokonano dopiero w 1803 roku, kiedy na taki pomysł wpadł brytyjski naukowiec John Dalton.
Przełom ten często nazywa się teorią atomistyczną. Dalton twierdził, że wszystkie atomy w jednym pierwiastku (powiedzmy, w węglu) są identyczne oraz że wszystkie atomy w innym pierwiastku (na przykład w wodorze) też są identyczne. Ale nie mógł wytłumaczyć jednego: dlaczego atomy węgla różnią się od atomów wodoru i na odwrót.
Choć ówcześni naukowcy nie wiedzieli - jeszcze - wszystkiego, przyjęli teorię atomistyczną, a jednocześnie próbowali zadać jej kłam. (Uwaga, spojler: nie udało im się, ponieważ Dalton ma i miał rację). Przez kolejne stulecie przeprowadzali eksperyment za eksperymentem, próbując znaleźć dziurę w całym, to znaczy w teorii Daltona. Ale wszystkie dane wciąż popierały hipotezę Daltona o atomach w pierwiastkach.
W pewnym momencie trio naukowców, Joseph Louis Gay-Lussac, Amedeo Avogadro i Jöns Jacob Berzelius, podjęło wyjątkowo bolesny wysiłek i próbowało ustalić masę atomową każdego pierwiastka. Był to totalny chaos. Każdy naukowiec wykorzystywał inne techniki i pracował według różnych standardów, a publikowane dane były zupełnie sprzeczne. Panował taki bałagan, że społeczność naukowa postanowiła zdać się na włoskiego chemika, Stanislaa Cannizzaro, który ustanowił tak rozpaczliwie potrzebne uniwersalne standardy masy.
Jestem zupełnie nieobiektywna, ale gdybym w połowie XIX wieku była aktywną naukowczynią, nie traciłabym ani chwili na ten pomysł. Jako ktoś, kto uwielbia rozkładać rzeczy na części i składać je na nowo, zastanawiałabym się nad o wiele ważniejszym zagadnieniem: skoro można rozłożyć materię na atomy, to z czego zbudowany jest atom? Do dzisiaj nie jestem pewna, czy naukowców epoki wiktoriańskiej ograniczała dostępna ówcześnie technologia, czy po prostu nie interesowała ich odpowiedź na to pytanie. Bez względu na to, jaka była przyczyna tego stanu rzeczy, dopiero pod koniec XIX wieku sir J. J. Thomson postanowił w końcu przyjrzeć się bliżej temu, jaka jest budowa atomu, i przeprowadził doświadczenia z promieniami katodowymi.
W tym celu szczelnie zamknął szklaną rurkę z dwiema metalowymi elektrodami wewnątrz - wyglądała mniej więcej jak zamknięta kapslem butelka z dwoma długimi, cienkimi kawałkami metalu w środku. Thomson w swoim eksperymencie usunął możliwie jak najwięcej powietrza z rurki i następnie przepuścił napięcie elektryczne przez elektrody. Gdy to zrobił, wyraźnie zobaczył prąd przeskakujący między jednym metalowym elementem a drugim, co nazwał promieniowaniem katodowym.
Podczas swoich badań Thomson zdołał określić, że promienie katodowe są przyciągane przez dodatnie ładunki i odpychane przez ładunki ujemne. Co ważniejsze, dzięki temu, że zmieniał rodzaje metalu, dowiedział się, że promieniowanie katodowe jest zawsze takie samo bez względu na pierwiastek.
Thomson bardzo się ucieszył z wyników doświadczenia, bo wiedział, że wskazują na przełomowe odkrycie. Jeśli promienie katodowe nie były unikatowe dla każdego pierwiastka czy atomu, to musiały reprezentować jeden z elementów składowych, które budowały atom, a nawet atomy różnych pierwiastków. Jednak Thomson, świadomy, że jego kolega po fachu, naukowiec John Dalton, właśnie przekonał wszystkich, że atomy były unikatowe, obawiał się - i słusznie - że ludzie mu nie uwierzą. Eksperymentował więc dalej.
Dzięki różnym intensywnym obliczeniom Thomson odkrył, że wykorzystywane przez niego promienie katodowe są znacznie lżejsze od masy jakiegokolwiek znanego atomu. To tak, jakbyście mieli zważyć masę wszystkich klamek w domu, ale ona byłaby o wiele, wiele mniejsza od całkowitej masy domu. Tak samo byłoby w przypadku domu sąsiada czy rodziców. Thomson odkrył, że każdy "dom" (to znaczy atom) zawiera trochę klamek, które są identyczne i zawsze lżejsze od całkowitej masy domu.
Dla eksperymentu Thomsona oznaczało to, że wyodrębnił niezwykle mały kawałek z atomu. W zasadzie właśnie odkrył elektron! Te maciupeńkie elementy znajdują się we wnętrzu atomu i mają ładunek ujemny.
Przeskoczę teraz w przyszłość historii odkryć dokonanych przez naukowców i zdradzę wam, że atom składa się z trzech niewielkich części: elektronów, protonów i neutronów. Protony (nacechowane ładunkiem dodatnim) oraz neutrony (które - dobrze zgadliście - są neutralne) znajdują się w jądrze (środku atomu), za to elektrony mieszczą się poza jądrem. Innymi słowy, jeżeli przyjąć, że moje ciało to atom, to wówczas moje nerki i wątroba byłyby protonami i neutronami. Elektronami byłoby wszystko, co znajduje się na zewnątrz ciała, na przykład kurtka i rękawiczki.
Łatwo mogłabym oddać komuś kurtkę lub pożyczyć swoje rękawiczki, tak samo atomy potrafią z łatwością wymieniać się elektronami. Jednak gdyby ktoś zechciał zabrać mi wątrobę albo nerki, nie byłaby to dla niego łatwizna. Czy jest to możliwe? Tak. Czy po operacji byłabym taka sama? Nie. Analogicznie niezmiernie trudno przekazać protony.
Liczba protonów w jądrze atomowym określa, z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. Na przykład atom węgla zawsze będzie miał sześć protonów w jądrze, atom azotu - zawsze siedem protonów. Jeśli przypadkiem atom azotu zgubił proton, nie jest to już azot. Atom ten staje się węglem, ponieważ węgiel ma sześć protonów. Proces ten - zwany chemią jądrową - nie przebiega tak łatwo. Prawdę mówiąc, w większości przypadków dodatkowy neutron należy wstrzelić do atomu, aby wywołać rozpad jądrowy. Tę metodę stosuje się aktualnie po to, by wyprodukować w elektrowniach jądrowych energię (m.in. prąd).
Choć atomy rzadko przyjmują lub oddają protony, uwielbiają się nimi wymieniać, a ma to spory związek z tym, jak są zbudowane.
Wyobraźcie sobie, że ubieracie się w mroźny zimowy dzień, który zamierzacie spędzić na śniegu. Zdążyliśmy już sobie powiedzieć, że jeżeli jesteście atomami, to wasze nerki i wątroba są jądrem, w którym mieszczą się protony i neutrony. Ale przyjrzyjmy się uważniej warstwom waszego ubioru. Najbliższa ciału - twoją bielizną termiczną - byłaby pierwsza warstwa elektronów. Bluzka i spodnie stanowiłyby kolejną warstwę elektronową, po niej przyszłaby pora na kurtkę i spodnie śniegowe.
Elektrony kręcące się w warstwie "kurtki" - zwanej najbardziej zewnętrzną powłoką (lub w skrócie zewnętrzną powłoką) - są w chemii niezwykle ważne. Nazywamy je elektronami walencyjnymi i to właśnie one łatwo zamieniają się miejscami z innymi atomami podczas reakcji chemicznych. Warstwy ubrania chronią ciało przed niską temperaturą w zimie, tak samo zewnętrzna powłoka chroni wnętrze atomu - tak zwaną powłokę wewnętrzną - przed zewnętrznymi siłami.
Elektrony wewnętrznej powłoki nie mogą oddziaływać na inne atomy, ponieważ są osłonięte elektronami walencyjnymi. Koleżanki i koledzy z twojej pracy nie mogą zobaczyć, jaką masz na sobie bieliznę, ponieważ "osłaniają" ją bluzka i kurtka.
Ta zależność działa na rzecz atomu, ponieważ każda warstwa elektronów jest ujemnie naładowana, zatem warstwy odpychają się wzajemnie. Znaczy to, że zawsze będzie drobna przerwa między warstwą elektronów w atomie - tak samo jak zawsze będzie niewielki odstęp między bluzką a kurtką.
Wykorzystajmy tę metaforę jeszcze bardziej. Atomy mają różne rozmiary, a wszystko sprowadza się do tego, jak wiele warstw "nosi" atom. Wszyscy znamy kogoś, kto zawsze musi wkładać tonę ubrań, żeby nie było mu zimno, tymczasem ktoś inny może spacerować w krótkich spodenkach i sandałach przez cały rok. Ta sama reguła dotyczy atomów: mniejsze atomy nie noszą zbyt wiele warstw, za to duże atomy mają ich całe mnóstwo.
Kiedy wspominam o elektronach walencyjnych, pamiętajcie, że są to elektrony "kurtkowe", noszone na zewnętrznej powłoce atomu. Zapewne zdjęlibyście z siebie kurtkę w słoneczny dzień, aby ciepło bezpośrednio rozgrzało skórę - i tak samo elektrony są gotowe porzucić swoją zewnętrzną powłokę i zareagować z zewnętrznymi siłami.
Może to brzmieć szokująco, ale naukowcy zrozumieli to, co właśnie wytłumaczyłam, dopiero w 1932 roku. Stało się tak w dużej mierze dlatego, że przez stulecia badacze pracowali w odosobnieniu i z ograniczonym dostępem do informacji (pamiętajcie, że była to epoka sprzed internetu). Aż do niedawna chemia była powolną, monotonną dziedziną. Jednak na szczęście dziś wiemy, że atomy zbudowane są z protonów, neutronów i elektronów - i że elektrony mogą łatwo ulegać wymianie między atomami. Co więcej, dawniej ludzie nauki na całym świecie zdawali sobie sprawę, że potrzeba ujednoliconego sposobu organizacji tego, czego dowiedzieli się o każdym rodzaju atomu.
I wtedy właśnie powstał układ okresowy pierwiastków chemicznych.
Układ okresowy to nie tylko ściąga na lekcje chemii. Dla naukowczyni takiej jak ja jest niezbędny, ponieważ już na pierwszy rzut oka mówi mi wszystko, co muszę wiedzieć o danym pierwiastku - poznaję jego właściwości i to, jak jego atomy będą się zachowywać i w jakie interakcje wchodzić.
Zacznijmy od początku. Gdy opracowywano układ okresowy pierwiastków, każdemu pierwiastkowi należało nadać nazwę i symbol chemiczny. Może się to wydawać dość proste i zrozumiałe, ale takie nie było. Często się zdarzało, że dwie osoby odkrywały - lub twierdziły, że odkrywają - ten sam pierwiastek mniej więcej w tym samym czasie, ale nazywały go inaczej. Jaka zatem była oficjalna nazwa? Jak możecie sobie wyobrazić, wybuchały liczne kłótnie, kiedy na przykład panchromium nazwano wanadem albo wolfram mianowano tungstenem.
Jeszcze w 1997 roku Stany Zjednoczone, Rosja i Niemcy skakały sobie do oczu z powodu nazw pierwiastków od 104 do 109. W 2002 roku Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (w skrócie IUPAC) w końcu położyła kres tej błazenadzie i zarekomendowała, jak należy nazywać pierwiastki w przyszłości. Obecnie gorliwie wypełnia się te zalecenia, ale nadanie oficjalnej nazwy nowemu pierwiastkowi wciąż może potrwać nawet dziesięć lat.
Wymyślenie symbolu chemicznego dla każdego pierwiastka było o wiele łatwiejsze, ponieważ jest to skrót od nazwy. Większość to oczywistości - na przykład He to hel, a Ga to gal, ale niektóre są mniej przewidywalne, na przykład żelazo. Jego symbol chemiczny - Fe - pochodzi od łacińskiego słowa ferrum. Dwa inne symbole chemiczne, które mogą pojawić się w pubowym quizie, to W oznaczające wolfram (tungsten) i Hg oznaczające hydrargyrum (rtęć).
Gdy już każdy pierwiastek otrzyma nazwę i symbol, przychodzi pora na przypisanie mu liczby atomowej. Liczba atomowa zgadza się z liczbą protonów w jądrze. Liczba atomowa wodoru to 1, co oznacza, że pierwiastek ten ma tylko jeden proton w jądrze. Dotychczas najwyższa liczba atomowa wynosi 118. Pierwiastek o takiej liczbie to oganeson (Og) i ma on 118 protonów w jądrze.
Oznacza to, że oganeson ma także 118 elektronów poza jądrem. A to dlatego, że liczba atomowa pierwiastka wskazuje także, ile elektronów znajduje się na zewnątrz jądra. Ważne, aby zapamiętać, że wszystkie pierwiastki chemiczne powinny być neutralne. Znaczy to, że liczba protonów w środku jądra jest taka sama jak liczba elektronów poza nim. Zatem wystarczy, że zerkniemy na liczbę atomową wodoru - czyli 1 - i wiemy, że pierwiastek ma jeden proton wewnątrz i jeden elektron na zewnątrz. Bądźmy specjalistami i zgłębmy to zagadnienie. Jeden proton w jądrze ma dodatni ładunek (+1), który znosi ujemny ładunek (-1), przez co pierwiastek jest neutralny (0). To samo działanie matematyczne można przeprowadzić z oganesonem [(+118) + (-118) = 0)].
Niestety sprawa z neutronami nie jest taka prosta. Atomy różnią się liczbą neutronów, nawet atomy tego samego pierwiastka. Zatem chemicy postanowili dodać jeszcze jedną liczbę do układu okresowego pierwiastków. Tak zwana masa atomowa określa, ile protonów i neutronów znajduje się w jądrze każdego pierwiastka. W przeciwieństwie do liczby atomowej masa atomowa rzadko stanowi liczbę całkowitą. Dzieje się tak, ponieważ naukowcy stosują średnią ważoną z liczby neutronów w atomie, potem dodają ją do liczby protonów i w ten sposób określają masę atomową.
Poszczególne atomy cechują się stosunkiem protonów do neutronów zbliżonym do 1 : 1. Znaczy to, że możemy oszacować masę atomową, podwajając liczbę atomową. Na przykład magnez ma liczbę atomową 12 oraz masę atomową równą 24,3 (o 12 protonach i średniej ważonej 12,3 neutrona), a wapń ma liczbę atomową 20 oraz masę atomową równą 40,1 (z 20 protonów i średniej 20,1 neutrona).
Jednak, jak to w nauce bywa, istnieją wyjątki od reguły. Przykładowo uran ma liczbę atomową 92, więc sądziłabym, że jego masa atomowa równa się około 184. Ale masa atomowa tego pierwiastka wynosi 238,03 z powodu liczby izotopów uranu, które zawierają różne liczby neutronów. Większość atomów, jak na przykład uran, ma po kilka izotopów, a izotopy występują wtedy, gdy przynajmniej dwa atomy tego samego pierwiastka mają różną liczbę neutronów. Żadnego z izotopów nie uważa się za "lepszego" od reszty, więc dodajemy wszystkie atomy i po prostu wyciągamy średnią z liczby neutronów. Ta średnia liczba to standardowe oznaczenie atomu. W przypadku uranu mówimy o uranie-238. Magnez i wapń to odpowiednio magnez-24 i wapń-40.
Izotopy
Lubię mówić, że izotopy to atomy z charakterem. Izotop powstaje wtedy, gdy dwa atomy - lub więcej - tego samego pierwiastka mają różną liczbę neutronów. Izotopy tak naprawdę występują bardzo powszechnie, ale nie mamy w zwyczaju skupiać się na nich, kiedy uczymy się chemii, ponieważ neutrony cechuje neutralny ładunek. Zatem nie wpływają one na to, jak atom zachowuje się podczas typowej reakcji chemicznej. (Poświęcamy uwagę zwykle tym elementom, które wpływają na przebieg reakcji: protonom i elektronom).
Skoro już sobie to powiedzieliśmy, to możemy podkreślić, że naukowcy opisali każdy kiedykolwiek odkryty izotop, i sądzę, że to całkiem fajnie. Izotopy - tak jak Lady Gaga w piosence Born this Way - "już się takie urodziły" i występują w naturze na całym świecie wraz z dodatkowymi neutronami.
Świetnym przykładem jest węgiel. Większość atomów węgla ma sześć protonów i sześć neutronów. Jednak niektóre atomy węgla naturalnie zawierają siedem lub nawet dziewięć neutronów w jądrze. Te dodatkowe neutrony niekoniecznie sprawiają, że atomy węgla są bardziej reaktywne lub stałe, ale to dzięki nim powstają izotopy.
To tak, jak dwa psy tej samej rasy mogą wyglądać na pierwszy rzut oka tak samo, ale jeden dalmatyńczyk może mieć kilka łat więcej od drugiego. Dwa psy są prawie identyczne, a te "dodatkowe" ciapki nie zmieniają zbyt wiele ani w psie, ani w rasie. Tak samo dzieje się z izotopami - dodatkowe neutrony zwykle nie zmieniają atomu ani pierwiastka, ani nawet tego, w jakie reakcje izotop wchodzi z innymi pierwiastkami. To po prostu dodatkowa definicja.
Kiedy naukowcy opracowali już nazwy i symbole chemiczne, liczbę atomową i masę atomową każdego pierwiastka, zapragnęli tak zorganizować dane, żeby można było przewidywać reaktywność chemiczną. Chcieli wiedzieć, jak zachowa się dany pierwiastek, tak aby uniknąć niebezpiecznych reakcji chemicznych: aby nie wytworzyć gazów toksycznych ani nie wysadzić się w powietrze. W tym celu najłatwiej było rozpoznać wspólne elementy łączące atomy i podzielić je według fizycznych i chemicznych właściwości.
Podjęto kilka prób ułożenia pierwiastków w logicznym porządku. Niemiecki chemik Johann Döbereiner usiłował podzielić wszystkie pierwiastki na grupy liczące po trzy i szybko zauważył, że większe atomy często są bardziej wybuchowe. Wkrótce inny niemiecki naukowiec, Peter Kremers, próbował połączyć dwie triady w kształt litery "T". Problem z metodą triady był taki, że badacze musieli zapamiętać za dużo pionowych triad i nie można było prosto porównać jednej grupy z inną.
Dwaj pracujący niezależnie od siebie naukowcy - Dmitrij Mendelejew oraz Lothar Meyer - doszli do wniosku, że mogą uporządkować wszystkie pierwiastki w jednej tabeli, jeśli uszeregują je zgodnie z rosnącą masą atomową. Dzięki tej metodzie połączyli niczym puzzle wszystkie triady Kremersa przypominające literę "T" - i tak oto powstał pierwszy układ okresowy pierwiastków.
Wyjątkowym wkładem Mendelejewa w ułożenie tablicy było umieszczenie na niej dwóch "nowych" pierwiastków. Gdy Mendelejew zestawiał ze sobą dane, zauważył, że pomiędzy masą atomową znanych pierwiastków występuje pewna zależność, i zdał sobie sprawę, że musi zostawić puste miejsce w układzie dla kolejnych dwóch pierwiastków, które zostaną odkryte w przyszłości. Powiedzmy na przykład, że nauczyciel matematyki poprosił was, żebyście określili, jakiej cyfry brakuje w szeregu: 2, 4, 8, 10. Pewnie zobaczycie, że w owym schemacie brakuje cyfry 6, a całość powinna wyglądać tak: 2, 4, 6, 8, 10.
Mendelejew z grubsza zrobił to samo. Otrzymał grupy atomów o tej samej liczbie elektronów walencyjnych, ale schemat rządzący ich masą atomową nie do końca się zgadzał. Wobec tego Mendelejew nie tylko stwierdził, że należy jeszcze odkryć pewne pierwiastki, ale też potrafił przewidzieć ich względną masę atomową. I jak wielu naukowców, których nazwiska do tej pory wymieniłam, Mendelejew miał słuszne przeczucie. Kiedy wyizolowano i odkryto gal (Ga) i german (Ge), kolejno w 1875 i 1886 roku, Mendelejewowi w końcu przypisano od dawna zaległą zasługę stworzenia pierwszego prawdziwego układu okresowego pierwiastków chemicznych.
Dzisiejszy układ okresowy powstał na fundamentach tego, który został opracowany przez Mendelejewa. Ma 7 okresów (poziomych rzędów) i 18 grup (pionowych kolumn) zawierających niewielkie prostokąty. Każdy prostokąt symbolizuje pierwiastek i zawiera te same cztery standardowe informacje, którymi wówczas naukowcy charakteryzowali pierwiastki: symbol, nazwę chemiczną, liczbę atomową oraz masę atomową. Mając te wszystkie dane na wyciągnięcie ręki, chemicy tacy jak ja - i wy - mogą w mgnieniu oka określić liczbę protonów, elektronów i elektronów walencyjnych w atomie.
Układ okresowy pierwiastków jest badaczom niezbędny, ponieważ dostarcza niewiarygodnej ilości informacji o pierwiastkach, które tworzą wszelką materię w świecie. Tablice Mendelejewa są tak bardzo ważne, że w zeszłym roku mój uniwersytet wyprawił imprezę z okazji sto pięćdziesiątej rocznicy jej opracowania. Był układ okresowy ułożony z babeczek, przeprowadziłam kilka pokazów, a dziekan naszego wydziału wygłosił piękną przemowę. To było jedno z najbardziej nerdowskich przyjęć, na które kiedykolwiek mnie zaproszono, i szczerze mówiąc, bawiłam się doskonale.
Na końcu tej książki także znajdziecie układ okresowy pierwiastków chemicznych, ale jeśli szukacie wersji elektronicznej, gorąco polecam ptable.com. Jeszcze wiele razy będę nawiązywała tu do tablicy Mendelejewa, więc chcę mieć pewność, że wy też wiecie, jak z nich korzystać. Tablica będzie naszym przewodnikiem w rozdziale o zdrowiu i dobrym samopoczuciu, a także podstawą analizy chemii, z którą mamy do czynienia na co dzień. Musimy znać położenie pierwiastków w układzie okresowym oraz widzieć, co to oznacza dla reaktywności. Gdy będziemy potrafili zrozumieć układ okresowy pierwiastków, pojmiemy także, dlaczego zawsze powinniśmy stosować szampon i odżywkę tej samej marki albo czemu upieczone przez was ciasto nie wygląda tak jak to, które widzieliście w programie kulinarnym MasterChef.
Zacznijmy od przykładu. Otwórzcie, proszę, książkę na układzie okresowym pierwiastków i znajdźcie prostokąt z symbolem chemicznym wodoru - H - w lewym górnym rogu tabeli. Jeśli zerkniecie w górny róg prostokąta z literą "H", zobaczycie też cyfrę 1. Jest to liczba atomowa pierwiastka, którą zawsze pokazuje się w górnej części okienka. Powinniście też znaleźć liczbę 1,008 w tym samym prostokącie z literą "H". Jest to masa atomowa, która zawsze znajduje się na dole okienka.
Pewnie zauważyliście, że wodór mieści się na szczycie większej kolumny. Każda kolumna w układzie okresowym pierwiastków nazywa się grupą lub rodziną, a numer kolumny wskazuje na liczbę elektronów walencyjnych, które zawiera każdy pierwiastek. (Pamiętajcie, elektrony walencyjne znajdują się na zewnętrznej powłoce - niczym kurtka).
Jak mówić w języku chemików?
Jeśli chcecie brzmieć jak chemicy, odejmijcie 10 od numeru kolumny w układzie okresowym danego pierwiastka. Większość naukowców mówi o grupach 3, 4, 5, 6, 7 i 8, zamiast o kolumnach 13, 14, 15, 16, 17 i 18. A to dlatego, że numer grupy odpowiada liczbie elektronów walencyjnych. Nie dotyczy to kolumn 3-12, ponieważ pierwiastki z tych grup nie zawsze działają zgodnie z tradycyjnymi zasadami, które rządzą elektronami walencyjnymi. Jednak w przypadku kolumn 13-18 używamy łatwych skrótowych opisów, ponieważ liczba elektronów walencyjnych pozwala nam przewidzieć, jak dany atom będzie się zachowywał w odmiennych warunkach.
Weźmy na przykład wodór, który znajduje się w pierwszej kolumnie, zatem może mieć tylko jeden elektron walencyjny. Z tego powodu lit, sód i wszystkie pozostałe pierwiastki z tej grupy także muszą mieć jeden elektron walencyjny. Możemy zatem założyć, że wszystkie pierwiastki chemiczne z pierwszej grupy będą zachowywały się bardzo podobnie do siebie w podobnych warunkach. Mogę was zapewnić, że wodór (i wszystkie inne pierwiastki z grupy pierwszej) lubi oddawać swój elektron innym atomom i będzie wykazywał niezwykle wysoką reaktywność chemiczną. Ale dlaczego tak się dzieje?
Zapewne ludzie spoza kręgu nauki pomyślą zgodnie z logiką, że pierwiastek z jednym elektronem walencyjnym zrobiłby wszystko, co w jego mocy, aby ochronić (i zatrzymać) swój jedyny walencyjny elektron. W rzeczywistości jednak atomy działają wręcz przeciwnie - elektron zostaje odepchnięty od jądra. Dziwne, prawda?
Rozłóżmy ten proces na czynniki pierwsze. Skoro wiemy, że jądro (wasze nerki i wątroba) ma ładunek dodatni, to elektrony (wasza bluzka i kurtka) będą mocno przyciągane przez dodatnie centrum. Gdy jednak do atomu dodamy więcej elektronów, istnieje większe prawdopodobieństwo wystąpienia odpychania pomiędzy elektronami. Innymi słowy, twoja bluzka będzie odpychała twoją kurtkę. Zatem jądro nie będzie trzymało się kurczowo swojego jedynego lub dwóch elektronów walencyjnych, ale zamiast tego wewnętrzna powłoka odpycha elektrony walencyjne w atomie (twoja bluzka odpycha kurtkę od ciała).
Z tego powodu większość pierwiastków o dwóch elektronach także jest dość reaktywna. Są odrobinę bardziej statyczne od pierwiastków z jednym elektronem, ale co do zasady pierwiastki w grupie drugiej bez problemu oddają swoje elektrony. Beryl, magnez, wapń i stront to świetne przykłady pierwiastków o dwóch elektronach walencyjnych, w których elektrony odpychają się tak samo jak w pierwiastkach z grupy pierwszej.
Węgiel i krzem znajdują się w czwartej kolumnie, zatem mają po cztery elektrony walencyjne. Czyli możemy się spodziewać, że węgiel i krzem zachowają się bardzo podobnie w zbliżonych warunkach. Chemicy wiedzą już, że zarówno węgiel, jak i krzem są dość statyczne, możemy więc się domyślać, że podobnie jest z każdym innym pierwiastkiem z grupy czwartej - tak jak dzieje się z geranium, cyną i ołowiem.
Mendelejew trafnie przewidział, że chemicy w przyszłości będą chcieli odkryć, w jaki sposób pierwiastki będą na siebie oddziaływały. Właśnie dlatego uporządkował układ okresowy pierwiastków chemicznych, z którego korzystamy do dziś, według elektronów oraz masy atomowej. (Także z tego powodu tablica Mendelejewa ma kształt kielicha, a nie prostokąta. Obszerne luki na szczycie układu okresowego pozwalają uszeregować pierwiastki według ich fizycznych i chemicznych właściwości).
Gdy przesuwamy palcem w dół kolumny układu okresowego pierwiastków, atomy robią się coraz większe. Ogólnie rzecz ujmując, największe atomy znajdują się w lewym dolnym rogu tablicy Mendelejewa, a najmniejsze plasują się w prawym górnym rogu.
Każdy rząd - lub okres (stąd nazwa układu okresowego) - oznacza dodatkową "warstwę" elektronów w danym atomie. Wędrując w poprzek okresu w układzie okresowym (z lewej strony do prawej), natrafiamy na coraz mniejsze atomy. Wydaje się, że jest na odwrót, prawda? Jak to możliwe, że hel jest mniejszy od wodoru?
W każdym kolejnym okresie każdy pierwiastek zyskuje po jednym dodatkowym protonie i elektronie. Znaczy to, że dodatni ładunek jądra wzrasta za każdym razem, gdy rośnie liczba atomowa. Im większy ładunek dodatni, tym bardziej elektrony walencyjne przyciągane są do środka atomu (czyli do jądra).
Przykładowo ładunek jądra wodoru wynosi +1. Wodór pochodzi z pierwszej grupy, więc możemy założyć, że ma także jeden elektron walencyjny. Oznacza to, że ładunek jądra +1 jest przyciągany przez ładunek -1 w elektronie.
Ale porównajmy tę zależność do przyciągania w atomie helu. Hel leży w drugiej grupie, sądzimy więc, że ma dwa protony i dwa elektrony. Przyciąganie ładunku +2 w jądrze przez ładunek -2 elektronu walencyjnego jest znacznie większe niż przyciąganie między ładunkami +1 i -1 w wodorze. Znaczy to, że elektrony walencyjne są zasysane w kierunku jądra o wiele silniej, niż przyciągane są elektrony walencyjne wodoru. Zatem hel ma mniejszy promień atomowy od wodoru.
Jeśli zestawimy odpychanie pomiędzy elektronami oraz przyciąganie między protonami i elektronami, zaczniemy zauważać kilka trendów obowiązujących w układzie okresowym pierwiastków. Najłatwiej zapamiętać zasadę rządzącą grupami i okresami, powtarzając: "gruby frans". Frans, jeden z największych atomów w układzie okresowym pierwiastków chemicznych, znajduje się w lewym dolnym rogu i ma liczbę atomową 87. Ma 87 protonów, 87 elektronów i średnio 136 neutronów. Gdyby frans był osobą, nosiłby na sobie SPORO ubrań.
Jest jeszcze jeden wniosek, który można wysnuć po samym zerknięciu na układ okresowy, a mianowicie to, jak bardzo dany atom jest podatny na zmianę. Pamiętajcie, atomy potrafią dość łatwo tracić i zyskiwać elektrony - to dla nich jak ściągnięcie kurtki, a dla większych atomów, takich jak frans, jak zdjęcie z siebie warstwy ubrań.
Gotowość pierwiastka do zyskania lub utraty elektronów nazywamy powinowactwem elektronowym. Przykładowo większość pierwiastków z prawego górnego rogu układu okresowego, takich jak tlen i fluor, ma duże powinowactwo elektronowe, co znaczy, że rozpaczliwie pragną wzbogacić się o elektron. Pierwiastki z siódmej grupy (kolumny 17) owiane są złą sławą, ponieważ pragną ukraść elektron z sąsiadującego atomu, przy czym fluor cechuje się największą reaktywnością.
Jon - co to takiego?
Kiedy atom zyska (lub straci) elektron, nazywamy go jonem. Termin anion oznacza każdy atom, który zdobył przynajmniej jeden elektron, a kation - każdy atom, który stracił przynajmniej jeden elektron.
Najpierw przyjrzyjmy się anionom. Anion zawsze ma ładunek ujemny i więcej elektronów niż protonów. Będzie też większy od odpowiadającego mu neutralnego atomu. Gdyby mój mąż oddał mi swój duży puchaty płaszcz, wyglądałabym w nim na większą. Podobnie atom, który zyskał elektron (teraz zwany anionem), staje się większy. Świetnym przykładem jest fluor. Atomy fluoru zawsze dążą do zdobycia jednego elektronu, aby przemienić się w anion fluorkowy (F-). Kiedy fluor jest neutralny, pozostaje bezużyteczny dla ludzkiego ciała. Ale gdy tylko zyskuje elektron, staje się fluorkiem (anionem), a tym samym mikroskładnikiem odżywczym, który przeciwdziała próchnicy i wspiera zdrowy wzrost kości w ciele człowieka. Moim zdaniem to fascynujące, że jeden niewielki elektron powoduje tak ogromne zmiany we właściwościach chemicznych atomu.
Terminem kation nazywamy każdy atom, który stracił jeden lub więcej elektronów. W przykładzie z puchatym płaszczem mój mąż symbolizuje kation, gdy daje mi swoje okrycie wierzchnie - czyli elektron. Kationy zawsze mają pozytywny ładunek i więcej protonów niż elektronów. Wydają się też mniejsze od początkowego neutralnego atomu - tak samo jak mój małżonek wydawałby się mniejszy, kiedy przekazałby mi już swój płaszcz.
Atomy, które z największym prawdopodobieństwem staną się kationami - w przeciwieństwie do powszechnych anionów - znajdują się w lewym górnym rogu układu okresowego pierwiastków, tak jak lit czy beryl. Pierwiastki te mają jeden lub dwa elektrony walencyjne, które mogą bez trudu przekazać innemu atomowi. Właśnie dlatego akurat te pierwiastki z o wiele większym prawdopodobieństwem zostaną kationami niż anionami.
Zasada ta dotyczy szczególnie pierwiastków umiejscowionych w grupie pierwszej, zwłaszcza litu. Atom litu musi stracić tylko jeden elektron, aby przemienić się w kation litu (Li+). Kationy litu w postaci jonu można wykorzystać do leczenia zaburzenia afektywnego dwubiegunowego, ponieważ pomagają regulować wrażliwość mózgu na dopaminę, podczas gdy neutralny metal litu nie ma takiego wpływu na organizm człowieka. Ponownie widzimy, że dodanie lub usunięcie zaledwie jednego elektronu może radykalnie zmienić właściwości fizyczne atomu.
Ostatnią kategorią, którą powinniście poznać, jest grupa ósma (kolumna 18). Wszystkie znajdujące się tutaj pierwiastki nazywamy nieaktywnymi (obojętnymi). Pierwiastki te nie chcą zdobyć elektronu ani go stracić. Wyobrażam sobie pierwiastki z tej grupy, takie jak hel czy neon, jako ludzi, którzy w sobotni wieczór wolą zostać w domu i relaksować się na kanapie, zamiast wychodzić na miasto i bawić się na imprezie. Wszystkie pierwiastki z ósmej grupy (hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon) zwiemy gazami szlachetnymi, ponieważ tak rzadko dopuszczają się interakcji z innymi - niczym członkowie rodziny królewskiej.
Układ okresowy pierwiastków chemicznych to znacznie więcej niż zwykła ściągawka. Kiedy patrzymy na tablicę Mendelejewa, widzimy stulecia odkryć dokonanych przez tysiące - jeśli nie setki tysięcy - naukowców z całego świata. Korzystając z układu okresowego, potrafimy dokonać wspaniałych rzeczy, na przykład stworzyć obrazowanie wykrywające nowotwór czy wynaleźć półprzewodniki, które umożliwiają pracę paneli słonecznych. Nawet baterie litowo-jonowe w telefonie komórkowym czy laptopie to wynik powtarzających się wzorów w układzie okresowym - działają tylko dlatego, że elektrony poruszają się w atomach i pomiędzy atomami. Dzięki solidnej podstawie budowy atomu łatwiej nam raz po raz zaobserwować przejawy interakcji między elektronami i protonami na świecie.
Skoro już pojęliście podstawy atomu - protony, neutrony i elektrony - a także to, jak atomy tworzą pierwiastki, możemy przejść do tego, co się dzieje, kiedy spotykają się dwa atomy różnych pierwiastków. Tu właśnie chemia robi się naprawdę ekscytująca, ponieważ przyciąganie pomiędzy atomami jest jak chodzenie na randki lub zawieranie nowych przyjaźni.
Czy pojawi się przyciąganie?
Jak tych dwoje zareaguje?
Czy stworzą między sobą więź?
Ciąg dalszy w wersji pełnej.
