roikkuen seinällä, neliöt näyttävät aakkostoharkkojen rosoiselta seinältä. Kirjaimet eivät muodosta sanoja. Pylväät ovat epätasaisia. Tämä kaavio – kemian ikoni-tunnetaan alkuaineiden Jaksollisena järjestelmänä. Pietarissa työskentelevä venäläinen tiedemies Dmitri Mendelejev (MEN-duh-LAY-ev) keksi varhaisen version. Siitä on 150 vuotta. Vielä nykyäänkin tämä kaavio auttaa tiedemiehiä ymmärtämään, mitkä atomit ja molekyylit muodostavat universumimme.
alkuaineet ovat kaiken aineen rakennuspalikoita. Niiden atomit yhdistyvät muodostaen kirjaimellisesti kaiken-meidät, ilman, jota hengitämme, eliöt, jotka jakavat maailmamme, ja kaikki muut kaasumolekyylit tai massamolekyylit, joita on kaikkialla maailmankaikkeudessa.
jaksollisen järjestelmän rivit ja sarakkeet kartoittavat niin sanotun jaksollisen lain. Sen mukaan kemialliset alkuaineet toistuvatkin säännönmukaisesti alkuaineiden kasvaessa. Nämä kuviot yhdistävät alkuaineet samankaltaiseen kemialliseen käyttäytymiseen ja auttavat kertomaan kemisteille, miten atomit reagoivat muodostaen molekyylejä. Miten rivit ja sarakkeet tämän taulukon riviin osoittaa yhteisiä piirteitä ryhmien välillä liittyviä elementtejä. Näiden suhteiden ymmärtäminen auttaa kemistejä luomaan uusia yhdisteitä. Se auttaa heitä myös ymmärtämään, miten elämä toimii. Se jopa auttaa heitä ennustamaan, miten uudet materiaalit käyttäytyvät.
mutta Mendelejevin tunnettu kaavio on kaukana ainoasta jaksollisesta järjestelmästä. Tiedemiehet ovat rakentaneet monia, joista osa on hyvin erimuotoisia. Kemistit suunnittelivat osan. Muiden alojen tutkijat ja opettajat kehittivät toisia.
”Vaihtoehtoiset muodot ovat hyödyllisiä, koska ne kuvaavat tieteen eri puolia”, toteaa Carmen Giunta. Hän on kemisti Le Moyne Collegessa Syracusessa, N. Y. nuo vähemmän perinteiset jaksolliset taulukot tarjoavat tapoja paitsi korostaa joitakin kemian oikkuja, hän sanoo, mutta myös tuoda ne paremmin esille.
kasvattajat ja vanhemmat, ilmoittautukaa Lunttilappuun
viikoittaiset päivitykset, joiden avulla voitte käyttää Tiedeuutisia opiskelijoille oppimisympäristössä
vuonna 2019 maailma juhlii jaksollista järjestelmää kaikissa muodoissaan ja sitä, miten se auttaa organisoimaan ja ymmärtämään universumimme rakennuspalikoita.
sen alkeiskoppi
heti alkuräjähdyksen jälkeen kaikkeus koostui vain vedystä ja heliumista — kahdesta kevyimmästä alkuaineesta. Gravitaatio yhdisti näitä atomeja yhä suuremmissa määrin. Lopulta tämä synnyttäisi tiheitä, tulisia kuumia uuneja, jotka tunnemme tähtinä. Näiden tähtien keskellä voimakkaat paineet fuusioivat atomiytimiä — atomien keskuksia-muodostaen suurempia ytimiä.
tämä takoi hitaasti suurempia ja raskaampia alkuaineita. Niihin kuului hiili, joka on välttämätön elämälle sellaisena kuin me sen tunnemme. Nuo tähtimuurat muodostivat myös hapen, jota tarvitsemme hengittääksemme.
rautaa suurempien alkuaineiden valmistaminen vaati vielä enemmän kosmista tulivoimaa. Raskaita atomiytimiä muodostui massiivisten, kuolevien tähtien räjähtäessä. Nämä supernovat iskivät voimakkaasti pienempiä alkuaineita yhteen.
vuoden 1869 jaksollista järjestelmäänsä varten Mendelejev järjesti alkuaineet nousevien messujen järjestykseen. Hän oli yksi varhaisista tiedemiehistä, jotka tajusivat, että kemiassa on toistuvia kuvioita. Kun elementit kasvavat, osa niiden ominaisuuksista lopulta toistuu. Tietyt elementit reagoivat mieluummin ja tulevat positiivisesti varatuiksi. Jotkut haluavat olla negatiivisesti varautuneita. Tällaiset kuviot antoivat tutkijoille mahdollisuuden ennakoida, yhdistyisivätkö erityyppiset alkuaineet todennäköisesti toisiinsa tai miten.
tutkimusjulkaisussaan Mendelejev kirjoitti, että idea tähän taulukkoon tuli hänelle unessa. Hän aloitti riidan. Mutta kun Kemialliset ominaisuudet toistuivat, hän aloitti uuden riidan. Hän rivitti samanlaisia elementtejä sarakkeisiin. Hän jätti aukkoja. Hän päätteli, että nuo reiät merkitsivät alkuaineita, joita todennäköisesti oli olemassa mutta joita ei ollut vielä löydetty.
julkaistessaan kyseisen taulukon Mendelejev ennusti neljän uuden alkuaineen ominaisuudet ja massat. Lopulta kaikki neljä löydettiin — kolme vain 10 vuoden kuluessa.
Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois oli ranskalainen geologi. Seitsemän vuotta ennen Mendelejevin kuuluisaa pöytää hän loi spiraalimaisen ” pöydän.”Hän järjesti alkuaineet atomipainojärjestykseen. Siinä näkyi toistuvat kuukautiset. Siinä ei kuitenkaan näkynyt taukoja rivien välissä. Sen sijaan hän kietoi pitkän, ohuen karttansa sylinterin ympärille. Näin jokainen rivi virtasi seuraavaan. Ja samanlaisia elementtejä rivissä toistensa yläpuolella siisteissä sarakkeissa.
muut tutkijat laativat samanlaisia kaavioita. Ennen pitkää, pyrkimyksiä järjestää kaikki tunnetut elementit lumipallo. Kun kaikki nämä kaaviot kehittyivät, yksi nousi dominoimaan. Se on nähty tänä päivänä luokkahuoneissa ja oppikirjoissa kautta maailman.
jokaisella 118 tunnetulla alkuaineella on oma kemiallinen symbolinsa — yksi tai kaksi kirjainta, jotka ylpeästi kuvaavat alkuaineen nimeä sen jaksollisessa järjestelmässä olevasta laatikosta. Jotkin näistä lyhenteistä ovat ilmeisiä, kuten H vedylle tai C hiilelle. Toiset ovat peräisin muinaisilta ajoilta. Esimerkiksi natriumin tunnus on Na. Miksi? Latinaksi natriumin nimi on natrium.
jokaisella pöydällä olevalla laatikolla on kokonaisluku, tyypillisesti sen vasemmassa yläkulmassa. Järjestysluvuksi kutsutaan sitä, kuinka monta protonia eli positiivisesti varautunutta hiukkasta on pakkautunut alkuaineen ytimeen. Ydin sisältää myös neutroneja (hiukkasia, joilla on massa mutta ei varausta). Ydintä ympäröi pilvi, jossa on paljon pienempiä, negatiivisesti varautuneita elektroneja.
kaavion neliöluvun alin numero jokaisen alkuaineen kohdalla sisältää desimaalipilkun jälkeen numeroita. Tämä arvo on alkuaineen atomimassa. Se edustaa kyseisen alkuaineen atomin keskimassaa.
Jaksollinen järjestelmä on yksinkertainen, voimakas ja tuottaa edelleen uusia kokeita, sanoo Eric Scerri. Hän opettaa kemiaa Kalifornian yliopistossa Los Angelesissa. Hän kirjoittaa myös jaksollisesta järjestelmästä kertovia kirjoja. Hän kuvailee jaksollisen järjestelmän taustalla olevia järjestymisperiaatteita ” ehdottoman merkittäväksi löydöksi.”
kaksoistornit tulivat hallitsemaan
nykypäivän yleisintä jaksollista järjestelmää kutsutaan joskus ”kaksoistorneiksi”. Vety (H) kruunaa korkean tornin vasemmalla. Helium (He) ylittää oikean tornin.
atomien kasvaessa ne monimutkaistuvat. Näissä kaavioissa jaksollisessa järjestelmässä oleva ajanjakso tarkoittaa alkuaineiden riviä, jossa esiintyy jokin toistuva sykli. Taulukon sisällä Rivin leveys — jota kutsutaan myös jaksoksi-määritetään siten, että sarakkeen sisällä olevien elementtien käyttäytymismalli säilyy. Kuvio toistuu ensin kahtena elementtinä niin, että rivi on kahden elementin levyinen. Sitten kuvio toistuu kahdeksana elementtinä. Ja kun elementit kasvavat, scerri toteaa, ”jaksot pitenevät ja pitenevät” – lopulta 18 elementtiä ja sitten 32.
pidemmät, suuremmat jaksot saattoivat tehdä tämän taulukon raskaselementtisen pohjan kiusallisen leveäksi. Tämän kiertämiseksi kaksoistornikartta vetää yleensä osan alimmasta kahdesta rivistä. Se sijoittaa nämä elementit sivun alalaitaan, melkein kuin alaviitteet. Näillä alariveillä on alkuaineryhmiä, jotka tunnetaan nimillä lantanidit (LAN-tha-nydes) ja aktinidit (AK-tih-nydes).
aktinidit sisältävät uusimmat ja suurimmat alkuaineet. Monet niistä ovat radioaktiivisia, eivätkä ne esiinny luonnossa. Fyysikot sen sijaan tekevät niitä laboratorioissa pommittamalla pienempiä alkuaineita toisiinsa. Nämä radioaktiiviset, superraskaat alkuaineet ovat myös superepästabiileja. Se tarkoittaa, että ne hajoavat pienemmiksi elementeiksi sekunnin murto-osissa.
niiden käyttökelpoisuus
Jaksollinen järjestelmä voi toimia eräänlaisena reseptikirjana. Kaavio näyttää, miten elementit liittyvät toisiinsa. Kun alkuaine on pöydällä, se kertoo kemistille, miten se voi olla vuorovaikutuksessa muiden ainesosien kanssa. Usein näitä hyödyllisiä ominaisuuksia ovat sen massa, kiehumispiste ja muut tärkeät tiedot.
taulukon asetelma auttaa kemistejä ratkaisemaan ongelmia. Esimerkiksi kemistit saattavat haluta tehdä uuden yhdisteen, jonka ominaisuudet ovat samanlaisia kuin olemassa olevan — vain parempia. Niinpä he saattavat etsiä korviketta samanlaisilla ominaisuuksilla, aloittaen toisesta elementistä samasta taulukon sarakkeesta.
näiden pöytien todellinen lahja on Brigitte Van Tiggelen mukaan ” kaiken tiedon saaminen yhteen paikkaan ja sen opettaminen ja jakaminen.”Historioitsijana hän työskentelee Philadelphiassa sijaitsevan Tiedehistorian instituutin Euroopan johtajana, Pa.
kaksoistornin kaaviossa on monia etuja, Mark Leach sanoo. Hän on kemisti Englannissa Manchesterin Metropolitan-yliopistossa. Mikään muu taulukko ei onnistu näyttämään toistuvia kuvioita niin hyvin, hän väittää, koko ajan mukaan lukien muita ominaisuuksia.
esimerkiksi Kaikki metallit ovat vasemmalla puolella. Epämetallit roikkuvat oikealla. Tämä kaavio osoittaa myös, miten atomin koko muuttuu ja kuinka helposti se todennäköisesti luovuttaa elektronin. Tällaiset ominaisuudet ovat tärkeitä sen ymmärtämisessä, miten atomit toimivat, reagoivat ja liittoutuvat toisten kanssa muodostaen molekyylejä.
kaksoistornien kaavio ei kuitenkaan ole täydellinen.
kemistit kiistelevät usein siitä, mihin esimerkiksi vety ja helium sijoitetaan. Tasainen, kaksiulotteinen taulukko ei oikein näytä, miten rivit liittyvät toisiinsa. Kun tulee yhden rivin päähän, Scerri sanoo: ”tulee tunne, että tavallaan putoaa kyydistä.”
Roy Alexander työskenteli näyttelynrakentajana. Hän ei pitänyt tavasta, jolla kaksoistornin pöydän rivit päättyivät äkillisesti. Niinpä hän leikkasi vuonna 1965 perinteisen jaksollisen järjestelmän taulukon suikaleiksi. Sitten hän yhdisti ne ja loi 3D-version.
vuotta myöhemmin hän sai tietää, että fyysikko George Gamow rakensi lähes identtisen taulukon 1940-luvulla. Alexander muistelee: ”oli hämmästyttävää, miten identtiseltä se näytti patenttipiirustukseni kanssa.”
kun béguyer de Chancourtois loi jaksollisen järjestelmänsä, monia suurimmista alkuaineista ei ollut vielä löydetty. Kun elementit kasvavat, yhteiset piirteet toistuvat harvemmin. Lopulta pidemmät rivit, joissa oli lantanidi-ja aktinidi-elementtejä, tekivät perinteisestä taulukosta kiusallisen leveän.
3D-taulukkoon voidaan sisällyttää nämä pidemmät rivit yksinkertaisesti tekemällä spiraali leveämmäksi. Kanadalainen kemisti Fernando Dufour suunnitteli Elementreen havainnollistamaan tätä (Katso kuva). Hän teki jokaisen jakson kuusikulmaisena kerroksena, johon mahtuivat kaikki elementit, jotka yleensä näkyivät kaksoistornin kaaviossa yhtenä rivinä. Samanlaisia elementtejä on edelleen rivissä pystysuunnassa.
mutta puun muotoinen pöytä ei ole ainoa 3D-vastaus. 1950-luvulla kemianopettaja Jennie Clauson luotti pöytänsä sylinteriin. Mutta sen sijaan, että hän olisi pullistellut ylimääräisiä elementtejä ulos, hän työnsi osan niistä kohti keskustaa.
toinen kaksoistornipöydän ongelma on, mihin vety ja helium laitetaan. Vety toimii joskus enemmän esimerkiksi metallin tavoin. Se luovuttaa elektroninsa ja vetää puoleensa negatiivisesti varautuneita ioneja. Toisinaan se toimii kuin Epämetalli ja nappaa ylimääräisen elektronin ja tulee negatiivisesti varautuneeksi. Sitten se toimii enemmän fluorin tai kloorin tavoin ja imee itseensä positiivisia ioneja.
selittääkseen tämän kemisti Theodor Benfey loi 1960-luvulla litteän spiraalipöydän, jossa vedyn ja heliumin keskellä oli iso sininen ympyrä. Kukin ympyrän kolmesta ulkonevasta pinnasta edustaa samankaltaisten alkuaineiden ryhmää. Hän lisäsi mukaan suurempia alkuaineita ja kasvavia jaksollisia kiertokulkuja, jotka pullistuvat ympyrästä. Niitä ovat siirtymämetallit, lantanidit ja aktinidit.
kaksoistornien kaltainen Tasainen pöytä on kätevä seinälle ripustettavaksi tai kirjaan painettavaksi. Leach kuitenkin lisää: ”ei ole oikeastaan mitään syytä, miksi Jaksollinen järjestelmä ei olisi kolmiulotteinen.”
hauskanpito ja leikit?
yksi viimeisimmistä lisäyksistä kasvavaan jaksollisten taulukoiden kirjastoon on peräisin Euroopan kemialliselta yhteiskunnalta eli ECS: ltä. Brysselissä Belgiassa toimiva ECS pyrkii kiinnittämään huomiota monien tärkeiden tekijöiden suhteelliseen niukkuuteen. Siinä todetaan, että tyypillisen kännykän tekemiseen menee 30 elementtiä. Ja monet näistä elementeistä eivät ole laajalti saatavilla.
”meidän on tarkasteltava huolellisesti taipumuksiamme tuhlata ja kierrättää näitä tavaroita väärin”, ECS perustelee. ”Ellei ratkaisuja tarjota, vaarana on, että monet luonnon elementit, jotka muodostavat ympärillämme olevan maailman, loppuvat — johtuivatpa ne sitten vähäisistä tarvikkeista, niiden sijainnista konfliktialueilla tai kyvyttömyydestämme kierrättää ne kokonaan.”
ECS myöntää, että tämä uusi taulukko on ”ajatuksia herättävä.”Eikä se ole sattumaa. Se haluaa ihmisten ymmärtävän, mitä arvoa on olla tuhlaamatta ”uhanalaisia aineksia.”Jokaisen, sen mukaan, täytyy” kyseenalaistaa, ovatko puhelimiemme ja muiden elektronisten laitteiden päivitykset todella tarpeellisia.”Ja kun elektroniikkamme kuolee, se sanoo,” meidän täytyy varmistaa, että kierrätämme ”jotta suhteellisen vähäiset elementit” eivät päädy kaatopaikoille tai saastuta ympäristöä.”
tutkiakseen, miten ihmiset käyttävät elementtejä, ECS on kehittänyt ilmaisen online-videopelin: Elementary Escapades.
on paljon tilaa uusille jaksollisille taulukoille, Manchesterin Leach sanoo. Harrastuksekseen hän onkin ottanut uusien keräilyn ja postaamisen nettiin. Hän etsii aina myös vanhoja. ”Saan varmaan joka viikko uuden”, hän sanoo.
Scerri on saanut oppilaat kehittämään myös uusia. Hän sanoo: ”jokaisella on oma pieni hyveensä.”