hängande på väggen ser rutorna ut som en ojämn vägg av alfabetblock. Bokstäverna bildar inte ord. Kolumnerna är ojämna. Detta diagram – en ikon för kemi-är känd som det periodiska systemet för elementen. Dmitri Mendeleev (MEN-duh-LAY-ev), en rysk forskare som arbetar i St Petersburg, kom med en tidig version. Det var 150 år sedan. Men även idag hjälper detta diagram forskare att förstå de atomer och molekyler som utgör vårt universum.
element är byggstenarna i all materia. Deras atomer stickas samman för att bilda bokstavligen allt-oss, luften vi andas, organismerna som delar vår värld och alla andra molekyler av gas eller massa som finns i hela vårt universum.
raderna och kolumnerna i det periodiska systemet kartlägger den så kallade periodiska lagen. Det hävdar att delade egenskaper bland kemiska element upprepas i vanliga mönster när element blir större. Dessa mönster länkar element med liknande kemiska beteenden och hjälper till att berätta för kemister hur atomer reagerar för att bilda molekyler. Hur raderna och kolumnerna i den här tabellen radas upp pekar på delade egenskaper mellan grupper av relaterade element. Att förstå dessa relationer hjälper kemister att skapa nya föreningar. Det hjälper dem också att förstå hur livet fungerar. Det hjälper till och med dem att förutsäga hur nya material kommer att bete sig.
men Mendeleevs välkända diagram är långt ifrån det enda periodiska bordet. Forskare har byggt många, några med mycket varierande former. Kemister utformade några. Forskare och lärare inom andra områden utvecklade andra.
”alternativa former är användbara på grund av de olika aspekterna av vetenskapen som de illustrerar”, konstaterar Carmen Giunta. Han är kemist vid Le Moyne College i Syracuse, NY de mindre traditionella periodiska tabellerna ger sätt att inte bara lyfta fram några av kemiens quirks, säger han, men också för att få dem till bättre fokus.
lärare och föräldrar, registrera dig för Fusklappen
Veckovisa uppdateringar för att hjälpa dig att använda vetenskapliga nyheter för studenter i inlärningsmiljön
i 2019 firar världen det periodiska systemet i alla dess former och hur det hjälper till att organisera och förstå byggstenarna i vårt universum.
det är elementärt
strax efter Big Bang bestod universum av endast väte och helium — de två lättaste elementen. Gravity förde dessa atomer samman i allt större mängder. Så småningom skulle detta skapa täta, eldiga heta ugnar som vi känner till som stjärnor. I mitten av dessa stjärnor smälte intensiva tryck atomkärnor — atomernas centrum — vilket skapade större kärnor.
denna långsamt smidda större och tyngre element. De inkluderade kol, ett element som är viktigt för allt liv som vi känner det. De stjärnformade smedjorna bildade också syret som vi behöver andas.
att göra element större än järn krävde ännu mer kosmisk eldkraft. Tunga atomkärnor bildade som massiva, döende stjärnor exploderade. Dessa supernovor slog kraftigt samman mindre element.
för hans periodiska tabell 1869 arrangerade Mendeleev elementen i stigande massordning. Han var en av de tidiga forskarna som insåg att kemi har upprepande mönster. När elementen blir större upprepas några av deras egenskaper så småningom. Vissa element föredrar att reagera och blir positivt laddade. Vissa föredrar att vara negativt laddade. Sådana mönster gjorde det möjligt för forskare att förutse huruvida eller hur olika typer av element sannolikt skulle kombinera.
i sin forskningstidskrift skrev Mendeleev att tanken på denna tabell kom till honom i en dröm. Han började med en rad. Men när de kemiska egenskaperna upprepades började han en ny rad. Han ställde upp element med liknande beteenden i kolumner. Han lämnade luckor. Dessa hål, resonerade han, markerade element som sannolikt fanns men ännu inte hade upptäckts.
när han publicerade den tabellen förutspådde Mendeleev egenskaperna och massorna av fyra nya element. Så småningom upptäcktes alla fyra-tre inom bara 10 år.
Alexandre-Otubermile B. Otuberguyer de Chancourtois var en fransk geolog. Sju år före Mendeleevs berömda bord skapade han ett spiral ”bord.”Han ordnade element i ordning med atomvikt. Det visade de upprepande perioderna. Det visade dock inte raster mellan raderna. Istället lindade han sitt långa, tunna diagram runt en cylinder. På detta sätt flödade varje rad in i nästa. Och liknande element uppradade ovanför varandra i snygga kolumner.
andra forskare skapade liknande diagram. Inom kort, ansträngningar att organisera alla kända element snöbollades. När alla dessa diagram utvecklades steg en för att dominera. Det är den som ses idag i klassrum och läroböcker världen över.
var och en av de 118 kända elementen har sin egen kemiska symbol — en eller två bokstäver som stolt representerar elementets namn från rutan i det periodiska systemet. Några av dessa förkortningar är uppenbara, såsom H för väte eller C för kol. Andra går tillbaka till antiken. Till exempel är natriums symbol Na. Varför? På Latin är natriums namn natrium.
varje ruta på bordet har ett heltal, vanligtvis i sitt övre vänstra hörn. Kallas atomnumret, det listar hur många protoner, eller positivt laddade partiklar, packas in i elementets kärna. Den kärnan innehåller också neutroner (partiklar med massa men utan laddning). Omgivande kärnan är ett moln av mycket mindre, negativt laddade elektroner.
det nedre numret i diagrammets kvadrat för varje element innehåller siffror efter en decimal. Detta värde är elementets atommassa. Det representerar den genomsnittliga massan av en atom av det elementet.
det periodiska systemet är enkelt, kraftfullt och fortsätter att ge nya experiment, säger Eric Scerri. Han undervisar i kemi vid University of California, Los Angeles. Han skriver också böcker om det periodiska systemet. Han beskriver de organiserande principerna bakom det periodiska systemet som ” en absolut stor upptäckt.”
dubbla torn kom att dominera
dagens vanligaste periodiska systemet ibland kallas ”twin towers” version. Väte (H) kronar det höga tornet till vänster. Helium (He) toppar det högra tornet.
när atomer blir större blir de mer komplexa. I dessa diagram hänvisar en period inom det periodiska systemet till en rad element som uppvisar någon upprepande cykel. Inom tabellen bestäms bredden på en rad — även kallad en period — så att mönstret för beteendet hos element i en kolumn bibehålls. Mönstret upprepar sig först i två element, så att raden är två element bred. Sedan upprepas mönstret i åtta element. Och när elementen blir större, noterar Scerri,” perioderna blir längre och längre ” — så småningom med 18 element och sedan 32.
de längre, större perioderna kan göra den tunga elementbasen i denna tabell obehagligt bred. För att komma runt detta drar twin tower-diagrammet vanligtvis ut en del av de två nedre raderna. Det placerar dessa element längst ner på sidan, nästan som fotnoter. Dessa nedre rader innehåller grupper av element som kallas lantanider (LAN-tha-nydes) och aktinider (ak-tih-nydes).
aktinider inkluderar de nyaste och största elementen. Många är radioaktiva och förekommer inte naturligt. Fysiker gör dem istället i laboratorier genom att bombardera mindre element i varandra. Dessa radioaktiva, supertunga element är också super instabila. Det betyder att de faller ihop i mindre element inom bråkdelar av en sekund.
hur de är användbara
ett periodiskt bord kan fungera som en slags receptbok. Diagrammet visar hur element relaterar till varandra. Så där ett element sitter på bordet berättar en kemist hur det kan eller inte kan interagera med andra ingredienser. Ofta inkluderar dessa användbara egenskaper dess massa, kokpunkt och andra viktiga data.
tabellens arrangemang hjälper kemister att lösa problem. Till exempel kanske kemister vill göra en ny förening med egenskaper som liknar en befintlig — bara bättre. Så de kan leta efter en ersättare med liknande funktioner, börjar med ett annat element från samma kolumn på bordet.
den verkliga gåvan av dessa tabeller, säger Brigitte Van Tiggelen, är ” att ha all information på ett ställe och undervisning och dela den.”En historiker, hon arbetar som europeisk chef för Science History Institute i Philadelphia, Pa.
twin tower-diagrammet har många fördelar, säger Mark Leach. Han är kemist i England vid Manchester Metropolitan University. Inget annat bord lyckas visa de upprepande mönstren så bra, argumenterar han, hela tiden inklusive andra funktioner.
till exempel är alla metaller på vänster sida. Icke-metaller hänger på höger sida. Detta diagram visar också hur en atoms storlek förändras och hur lätt det sannolikt kommer att ge upp en elektron. Sådana egenskaper är viktiga för att förstå hur atomer kommer att agera, reagera och gifta sig med andra för att bilda molekyler.
men twin towers-diagrammet är inte perfekt.
kemister argumenterar ofta över var man ska placera väte och helium, till exempel. Och ett platt, tvådimensionellt bord visar inte riktigt hur raderna ansluter till varandra. När du kommer till slutet av en rad, Scerri säger, ”du får en känsla av att du slags falla av.”
Roy Alexander arbetade som utställningsbyggare. Han tyckte inte om hur raderna på twin tower-bordet plötsligt slutade. Så 1965 klippte han ett traditionellt periodiskt tabelldiagram i remsor. Sedan satte han dem ihop igen och skapade en 3D-version.
år senare fick han veta att fysikern George Gamow konstruerade ett nästan identiskt bord på 1940-talet. Påminner Alexander, ” det var fantastiskt hur identiskt det såg ut på min patentritning.”
redogör för de allt större perioderna
När B Jacobguyer de Chancourtois först skapade sitt periodiska bord hade många av de största elementen ännu inte upptäckts. När elementen blir större upprepas de delade egenskaperna mindre ofta. Så småningom gjorde de längre raderna med lantanid-och aktinidelementen det traditionella diagrammet besvärligt brett.
en 3D-tabell kan införliva dessa längre rader genom att helt enkelt göra spiralen bredare. Kanadensisk kemist Fernando Dufour designade ElemenTree för att illustrera detta (se foto). Han gjorde varje period som ett sexkantigt lager som innehöll alla element som vanligtvis skulle dyka upp i en enda rad på twin-tower-diagrammet. Liknande element stämmer fortfarande vertikalt.
men ett trädformat bord är inte det enda 3D-svaret. På 1950-talet litade kemiläraren Jennie Clauson på en cylinder för sitt bord. Men i stället för utbuktande extra element ut, hon stoppade några av dem mot mitten.
ett annat problem med twin tower-bordet är Var man ska sätta väte och helium. Väte fungerar ibland mer som en metall, till exempel. Det kommer att kasta sin elektron och locka negativt laddade joner. Andra gånger fungerar det som en icke-metall och tar en extra elektron och blir negativt laddad. Då fungerar det mer som en fluor eller klor och svampar upp positiva joner.
för att redogöra för detta skapade kemisten Theodor Benfey ett platt spiralbord på 1960-talet. det satte väte och helium mitt i en stor blå cirkel. Var och en av tre yttre ekrar inom cirkeln representerar en grupp av liknande element. För att inkludera de större elementen och de växande periodiska cyklerna lade han till terrasser som buktar ut ur cirkeln. De inkluderar övergångsmetaller, lantanider och aktinider.
ett platt bord som twin towers är bekvämt för att hänga på en vägg eller skriva ut i en bok. Leach tillägger dock: ”det finns verkligen ingen anledning till att det periodiska systemet inte är tredimensionellt.”
kul och spel?
ett av de senaste tillskotten till det växande biblioteket med periodiska tabeller kommer från European Chemical Society, eller ECS. Baserat i Bryssel, Belgien, syftar ECS till att uppmärksamma den relativa bristen på många viktiga element. Det noterar att 30 element går till att göra en typisk mobiltelefon. Och många av dessa element är inte allmänt tillgängliga.
”e måste noggrant titta på våra tendenser att slösa bort och felaktigt återvinna sådana föremål,” hävdar ECS. ”Om inte lösningar tillhandahålls riskerar vi att se många av de naturliga elementen som utgör världen omkring oss ta slut — oavsett om de är begränsade leveranser, deras läge i konfliktområden eller vår oförmåga att helt återvinna dem.”
ECS erkänner att denna nya tabell är ”tankeväckande.”Och det är ingen slump. Det vill att människor ska förstå värdet i att inte slösa bort ” hotade element.”Alla, säger Det, behöver” att ifrågasätta om uppgraderingar till våra telefoner och andra elektroniska enheter verkligen är nödvändiga.”Och när vår elektronik dör, står det,” vi måste se till att vi återvinner ”så att relativt knappa element” inte hamnar på deponier eller förorenar miljön.”
för att utforska hur människor använder element har ECS utvecklat ett gratis online-videospel: Elementary Escapades.
det finns gott om plats för fler nya periodiska tabeller, säger Leach i Manchester. Faktiskt, han har gjort en hobby att samla in nya och publicera dem online. Han är alltid på jakt efter gamla också. ”Jag får nog en ny varje vecka”, säger han.
Scerri har fått eleverna att utveckla nya också. ”Var och en”, säger han, ” har en liten egen dygd.”