Chemistry’ s ever-useful periodic table celebrates a big birthday

wiszące na ścianie kwadraty wyglądają jak poszarpana ściana bloków alfabetu. Litery nie tworzą słów. Kolumny są nierówne. Ten wykres-ikona chemii-jest znany jako układ okresowy pierwiastków. Wczesną wersję wymyślił Dmitrij Mendelejew (MEN-duh-LAY-ev), rosyjski naukowiec pracujący w Petersburgu. To było 150 lat temu. Jednak nawet dzisiaj, ten wykres pomaga naukowcom zrozumieć atomy i cząsteczki, które tworzą nasz wszechświat.

elementy są budulcem wszelkiej materii. Ich Atomy łączą się, tworząc dosłownie wszystko-nas, powietrze, którym oddychamy, organizmy, które dzielą nasz świat i każdą inną cząsteczkę gazu lub kawałka masy znalezioną w całym naszym wszechświecie.

rzędy i kolumny na mapie układu okresowego tzw. prawo okresowe. Utrzymuje, że wspólne cechy między pierwiastkami chemicznymi powtarzają się w regularnych wzorach, gdy pierwiastki stają się większe. Wzory te łączą elementy o podobnych zachowaniach chemicznych i pomagają chemikom powiedzieć, jak atomy reagują na tworzenie cząsteczek. Sposób ułożenia wierszy i kolumn w tej tabeli wskazuje na wspólne cechy między grupami powiązanych elementów. Zrozumienie tych relacji pomaga chemikom tworzyć nowe związki. Pomaga im również zrozumieć, jak działa życie. Pomaga im nawet przewidzieć, jak zachowają się nowe materiały.

ale dobrze znany Wykres Mendelejewa jest daleki od jedynego układu okresowego. Naukowcy zbudowali wiele, niektóre o bardzo Różnych Kształtach. Chemicy zaprojektowali kilka. Naukowcy i nauczyciele innych dziedzin opracowali inne.

„alternatywne formy są przydatne ze względu na różne aspekty nauki, które ilustrują”, zauważa Carmen Giunta. Jest chemikiem w Le Moyne College w Syracuse w stanie Nowy Jork. te mniej tradycyjne tabele okresowe dostarczają sposobów nie tylko na podkreślenie niektórych dziwactw chemii, ale także na lepsze ich skupienie.

w 2019 roku świat świętuje układ okresowy we wszystkich jego formach i w jaki sposób pomaga organizować i rozumieć bloki konstrukcyjne naszego wszechświata.

to elementarne

tuż po Wielkim Wybuchu wszechświat składał się tylko z wodoru i helu — dwóch najlżejszych pierwiastków. Grawitacja połączyła te atomy w coraz większych ilościach. Ostatecznie stworzyłoby to gęste, ogniste piece, które znamy jako Gwiazdy. W centrum tych gwiazd intensywne ciśnienie skondensowało jądra atomowe — centra atomów — tworząc większe jądra.

to powoli kute większe i cięższe elementy. Zawierały węgiel, pierwiastek niezbędny do życia, jakie znamy. Te Gwiezdne kuźnie również tworzyły tlen, którego potrzebujemy do oddychania.

Robienie elementów większych od żelaza wymagało jeszcze większej kosmicznej siły ognia. Ciężkie jądra atomowe powstały jako masywne, umierające Gwiazdy eksplodowały. Te supernowe mocno zatrzasnęły mniejsze elementy razem.

w swoim układzie okresowym z 1869 Mendelejew uporządkował pierwiastki w kolejności rosnącej masy. Był jednym z pierwszych naukowców, którzy zdali sobie sprawę, że chemia ma powtarzające się wzorce. Gdy elementy stają się większe, niektóre z ich właściwości w końcu się powtarzają. Niektóre elementy wolą reagować, stając się dodatnio naładowane. Niektórzy wolą być Ujemnie naładowany. Takie wzorce pozwoliły naukowcom przewidzieć, czy i w jaki sposób różne rodzaje elementów prawdopodobnie się połączą.

w swoim czasopiśmie naukowym Mendelejew napisał, że pomysł na ten stół przyszedł mu we śnie. Zaczął od kłótni. Ale gdy właściwości chemiczne powtórzyły się, rozpoczął nowy rząd. Układał elementy o podobnych zachowaniach w kolumny. Zostawił luki. Te dziury, jak rozumował, oznaczały elementy, które prawdopodobnie istniały, ale nie zostały jeszcze odkryte.

kiedy opublikował tę tabelę, Mendelejew przewidział właściwości i masy czterech nowych pierwiastków. Ostatecznie wszystkie cztery zostały odkryte-trzy w ciągu zaledwie 10 lat.

Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois był francuskim geologiem. Siedem lat przed słynnym stołem Mendelejewa stworzył spiralny ” stół.”Układał elementy w kolejności masy atomowej. Pokazywał powtarzające się okresy. Nie wykazywał jednak przerw między rzędami. Zamiast tego nawijał swój długi, cienki Wykres wokół cylindra. W ten sposób każdy rząd płynął do następnego. I podobne elementy ustawione nad sobą w schludnych kolumnach.

inni naukowcy stworzyli podobne wykresy. Wkrótce wysiłki w celu zorganizowania wszystkich znanych elementów snowballed. Jak wszystkie te wykresy ewoluowały, jeden wzrosła dominować. To jest to, co widać dzisiaj w klasach i podręcznikach na całym świecie.

każdy ze 118 znanych pierwiastków ma swój własny symbol chemiczny-jedną lub dwie litery, które dumnie reprezentują nazwę pierwiastka z jego pola w układzie okresowym. Niektóre z tych skrótów są oczywiste, takie jak H dla wodoru lub C dla węgla. Inne pochodzą z czasów starożytnych. Na przykład symbolem sodu jest Na. Dlaczego? Po łacinie nazwa sodu to natrium.

każde pole na stole ma liczbę całkowitą, zazwyczaj w lewym górnym rogu. Nazywa się liczbą atomową, wymienia ile protonów lub dodatnio naładowanych cząstek jest upakowanych w jądrze pierwiastka. W jądrze tym znajdują się również neutrony (cząstki o masie, ale bez ładunku). Wokół jądra znajduje się chmura znacznie mniejszych, ujemnie naładowanych elektronów.

dolna liczba w kwadracie wykresu dla każdego elementu zawiera cyfry po przecinku. Wartość ta jest masą atomową pierwiastka. Reprezentuje średnią masę atomu tego pierwiastka.

układ okresowy jest prosty, potężny i nadal daje nowe eksperymenty, mówi Eric Scerri. Wykłada chemię na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. Pisze także książki o układzie okresowym. Opisuje zasady organizacji układu okresowego jako ” absolutnie ważne odkrycie.”

Podwójne wieże zdominowały

dzisiejszy najczęstszy układ okresowy jest czasami znany jako wersja” bliźniaczych wież”. Wodór (H) wieńczy wysoką wieżę po lewej stronie. Hel (He) góruje nad prawą wieżą.

gdy atomy stają się większe, stają się bardziej złożone. W tych wykresach okres w układzie okresowym odnosi się do rzędu elementów wykazujących pewien powtarzający się cykl. W tabeli szerokość wiersza — zwana również kropką-jest określana w taki sposób, że zachowany jest wzór zachowania elementów w kolumnie. Wzór najpierw powtarza się w dwóch elementach, tak że rząd ma dwa elementy szerokości. Następnie wzór powtarza się w ośmiu elementach. A gdy elementy stają się większe, Scerri zauważa, ” okresy stają się coraz dłuższe — – ostatecznie z 18 elementami, a następnie 32.

dłuższe, większe okresy mogą sprawić, że ciężka podstawa tego stołu będzie niezręcznie szeroka. Aby obejść ten problem, twin tower chart Zwykle wyciąga część dwóch dolnych rzędów. Umieszcza te elementy na dole strony, prawie jak Przypisy. Te dolne rzędy zawierają grupy pierwiastków znanych jako lantanowce (LAN-tha-nydes) i aktynowce (AK-tih-nydes).

aktynowce zawierają najnowsze i największe pierwiastki. Wiele z nich jest radioaktywnych i nie występuje naturalnie. Fizycy zamiast tego robią je w laboratoriach, bombardując mniejsze elementy w siebie. Te radioaktywne, super ciężkie pierwiastki są również bardzo niestabilne. Oznacza to, że rozpadają się na mniejsze elementy w ułamkach sekundy.

jak są przydatne

układ okresowy może służyć jako swego rodzaju książka kucharska. Wykres pokazuje, jak elementy odnoszą się do siebie. Więc gdy element siedzi na stole mówi chemikowi, jak może, ale nie musi, wchodzić w interakcje z innymi składnikami. Często te przydatne cechy obejmują jego masę, temperaturę wrzenia i inne ważne dane.

układ stołu pomaga chemikom rozwiązywać problemy. Na przykład chemicy mogą chcieć stworzyć nowy związek o cechach podobnych do istniejącego-po prostu lepiej. Mogą więc szukać substytutu o podobnych cechach, zaczynając od innego elementu z tej samej kolumny na stole.

prawdziwym darem tych tabel, mówi Brigitte Van Tiggelen, jest ” posiadanie wszystkich informacji w jednym miejscu, nauczanie i dzielenie się nimi.”Historyk, pracuje jako dyrektor Europejski w Instytucie Historii Nauki w Filadelfii, Pa.

Twin tower chart ma wiele zalet, mówi Mark Leach. Jest chemikiem w Anglii na Manchester Metropolitan University. Żadna inna tabela nie potrafi tak dobrze pokazać powtarzających się wzorców, twierdzi, cały czas włączając w to inne funkcje.

na przykład Wszystkie metale są po lewej stronie. Niemetale wiszą po prawej stronie. Ten wykres pokazuje również, jak zmienia się rozmiar atomu i jak łatwo prawdopodobnie zrezygnuje z elektronu. Takie cechy są ważne w zrozumieniu, jak atomy będą działać, reagować i żenić się z innymi, tworząc cząsteczki.

ale Wykres twin towers nie jest doskonały.

chemicy często spierają się o to, gdzie umieścić np. wodór i hel. Płaska, dwuwymiarowa tabela tak naprawdę nie pokazuje, jak wiersze łączą się ze sobą. Gdy zbliżasz się do końca jednego rzędu, Scerri mówi: „masz wrażenie, że odpadasz.”

Roy Alexander pracował jako budowniczy wystaw. Nie podobał mu się sposób, w jaki nagle kończyły się rzędy stołu z bliźniaczą wieżą. W 1965 r. przeciął tradycyjny układ okresowy na paski. Następnie połączył je z powrotem, tworząc wersję 3D.

wiele lat później dowiedział się, że fizyk George Gamow skonstruował niemal identyczny stół w latach 40. Wspomina Alexander: „to było niesamowite, jak identycznie wyglądało to do mojego rysunku patentowego.”

biorąc pod uwagę coraz większe okresy

kiedy Béguyer de Chancourtois po raz pierwszy stworzył swój układ okresowy, wiele największych pierwiastków nie zostało jeszcze odkrytych. Gdy elementy stają się większe, wspólne cechy powtarzają się rzadziej. Ostatecznie dłuższe rzędy z elementami lantanowymi i aktynowymi sprawiły, że tradycyjny Wykres był niezręcznie szeroki.

Tabela 3-D może zawierać te dłuższe wiersze, po prostu rozszerzając spiralę. Kanadyjski chemik Fernando Dufour zaprojektował ElemenTree, aby to zilustrować (patrz zdjęcie). Stworzył każdy okres jako sześciokątną warstwę, która zawierała wszystkie elementy, które zwykle pojawiają się w jednym rzędzie na planie bliźniaczym. Podobne elementy wciąż ustawiają się pionowo.

ale stół w kształcie drzewa nie jest jedyną odpowiedzią 3D. W latach pięćdziesiątych Nauczycielka chemii Jennie Clauson oparła się na cylindrze do swojego stołu. Ale zamiast wybrzuszać dodatkowe elementy, schowała niektóre z nich w kierunku środka.

kolejny problem ze stolikiem twin tower to gdzie umieścić wodór i hel. Wodór czasami działa bardziej jak metal, na przykład. Zrzuci swój elektron i przyciągnie ujemnie naładowane jony. Innym razem działa jak niemetal i chwyta dodatkowy elektron i staje się ujemnie naładowany. Wtedy to działa bardziej jak fluor lub chlor i gąbki jonów dodatnich.

aby to wyjaśnić, Chemik Theodor Benfey stworzył płaski stół spiralny w latach 60. XX wieku.umieścił on wodór i hel w środku dużego niebieskiego koła. Każda z trzech zewnętrznych szprych w okręgu reprezentuje grupę podobnych elementów. Aby uwzględnić większe pierwiastki i rosnące cykle okresowe, dodał tarasy, które wybrzuszają się z okręgu. Należą do nich metale przejściowe, lantanowce i aktynowce.

płaski stół, taki jak twin towers, jest wygodny do powieszenia na ścianie lub wydrukowania w książce. Leach dodaje jednak: „nie ma powodu, dla którego układ okresowy nie jest trójwymiarowy.”

zabawa i gry?

jeden z najnowszych dodatków do rosnącej biblioteki tablic okresowych pochodzi od Europejskiego Towarzystwa Chemicznego, czyli ECS. ECS z siedzibą w Brukseli w Belgii ma na celu zwrócenie uwagi na względny niedobór wielu ważnych elementów. Zauważa, że 30 elementów wchodzi w skład typowego telefonu komórkowego. Wiele z tych elementów nie jest powszechnie dostępnych.

„musimy uważnie przyjrzeć się naszym tendencjom do marnotrawstwa i niewłaściwego recyklingu takich produktów”, twierdzi ECS. „Jeśli nie zapewnimy rozwiązań, ryzykujemy, że wiele naturalnych elementów, które tworzą otaczający nas świat, wyczerpie się-czy to z powodu ograniczonych dostaw, ich lokalizacji na obszarach konfliktu, czy naszej niezdolności do pełnego recyklingu.”

ECS przyznaje, że ta nowa tabela jest „prowokująca do myślenia.”I to nie przypadek. Chce, aby ludzie zrozumieli wartość nie marnowania ” zagrożonych elementów.”Każdy, jak mówi, musi zadać sobie pytanie, czy aktualizacje naszych telefonów i innych urządzeń elektronicznych są naprawdę konieczne.”A kiedy nasza Elektronika umiera, mówi,” Musimy się upewnić, że poddajemy recyklingowi, aby stosunkowo rzadkie elementy nie trafiły na wysypiska ani nie zanieczyszczały środowiska.”

aby zbadać, w jaki sposób ludzie używają elementów, ECS opracowało darmową grę wideo online: Elementary Escapades.

jest dużo miejsca na kolejne nowe tablice okresowe-mówi Leach z Manchesteru. W rzeczywistości zrobił hobby zbierania nowych i umieszczania ich w Internecie. Zawsze szuka też starych. „Prawdopodobnie otrzymuję Nowy co tydzień”, mówi.

Scerri też miał nowych uczniów. „Każdy z nich,” mówi, „ma trochę własnej cnoty.”