Când vom ajunge la sfârșitul tabelului periodic?

Profesorii de chimie au trebuit recent să își actualizeze decorul în clasă, cu anunțul că oamenii de știință au confirmat descoperirea a patru elemente noi pe tabelul periodic. Elementele 113, 115, 117 și 118 până acum nenumite au completat lacunele rămase din partea de jos a celebrului grafic - o foaie de parcurs a blocurilor de materie care i-a ghidat cu succes pe chimiști timp de aproape un secol și jumătate.

Continut Asemanator

• Cele mai noi patru elemente au acum nume
• Patru elemente noi sunt adăugate în tabelul periodic
• Sperma de pește ar putea fi secretul reciclării elementelor de pământuri rare

Confirmarea oficială, acordată de Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată (IUPAC), a fost de ani buni, întrucât aceste elemente supraeviale sunt extrem de instabile și greu de creat. Oamenii de știință au avut motive puternice să creadă că există, în parte, deoarece tabelul periodic a fost remarcabil de consistent până acum. Eforturile de a conjura elementele 119 și 120, care ar începe un nou rând, sunt deja în curs.

Dar exact cât mai multe elemente există, rămâne unul dintre cele mai persistente mistere ale chimiei, mai ales că înțelegerea noastră modernă a fizicii a dezvăluit anomalii chiar și la jucătorii consacrați.

„Fisurile încep să apară în tabelul periodic”, spune Walter Loveland, un chimist la Universitatea de Stat din Oregon.

Încarnarea modernă a tabelului periodic organizează elementele pe rânduri bazate pe numărul atomic - numărul protonilor din nucleul unui atom - și pe coloane bazate pe orbitele electronilor lor externi, care, la rândul lor, dictează personalitățile lor. Metalele moi care tind să reacționeze puternic cu altele, cum ar fi litiu și potasiu, trăiesc într-o coloană. Altele reactiv nemetalice, cum ar fi fluorul și iodul, locuiesc în altul.

Geologul francez Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois a fost prima persoană care a recunoscut că elementele pot fi grupate în tipare recurente. El a afișat elementele cunoscute în 1862, ordonate de greutățile lor, ca o spirală înfășurată în jurul unui cilindru (a se vedea ilustrația de mai jos ). Elementele în linie verticală unul pe celălalt pe acest cilindru aveau caracteristici similare.

Dar schema organizatorică creată de Dmitri Mendeleev, un rus cu temperament fierbinte care susținea că a văzut grupări de elemente într-un vis, care a fost testul timpului. Tabelul său periodic din 1871 nu a fost perfect; a prezis opt elemente care nu există, de exemplu. Cu toate acestea, prezice în mod corect galiu (folosit acum în lasere), germaniu (acum utilizat în tranzistoare) și alte elemente din ce în ce mai grele.

Tabelul periodic Mendeleev a acceptat cu ușurință o nouă coloană pentru gazele nobile, cum ar fi heliul, care a evitat detectarea până la sfârșitul secolului XIX din cauza proclivității lor de a nu reacționa cu alte elemente.

Tabelul periodic modern a fost mai mult sau mai puțin consecvent cu fizica cuantică, introdus în secolul XX pentru a explica comportamentul particulelor subatomice precum protonii și electronii. În plus, grupările au mai avut loc, deoarece au fost confirmate elemente mai grele. Bohrium, numele dat elementului 107 după descoperirea sa în 1981, se potrivește atât de bine cu celelalte așa-numite metale de tranziție care îl înconjoară, unul dintre cercetătorii care l-au descoperit proclamat „bohrium este plictisitor”.

Dar vremurile interesante ar putea să vină înainte.

O întrebare deschisă se referă la lantanum și actinium, care au mai puțin în comun cu ceilalți membri ai grupurilor lor decât lutetiu și lawrencium. IUPAC a numit recent un grup de lucru pentru a analiza această problemă. Chiar heliul, elementul 2, nu este simplu - există o versiune alternativă a tabelului periodic care plasează heliu cu beriliu și magneziu în locul vecinilor săi cu gaz nobil, bazat pe aranjamentele tuturor electronilor săi, în locul celor mai exterioare.

„La începutul, mijlocul și sfârșitul tabelului periodic există probleme”, spune Eric Scerri, istoric în departamentul de chimie de la Universitatea din California, Los Angeles.

Teoria specială a relativității a lui Einstein, publicată la zeci de ani după masa lui Mendeleev, a introdus și unele chink-uri în sistem. Relativitatea dictează că masa unei particule crește cu viteza ei. Acest lucru poate determina electronii încărcați negativ orbitând miezul încărcat pozitiv al unui atom să se comporte ciudat, afectând proprietățile unui element.

Luați în considerare aurul: nucleul este împachetat cu 79 de protoni pozitivi, așa că pentru a nu se prăbuși în interior, electronii aurului trebuie să zvâcnească cu mai mult de jumătate din viteza luminii. Acest lucru îi face mai masivi și îi atrage pe o orbită mai strânsă, cu energie mai mică. În această configurație, electronii absorb lumina albastră în loc să o reflecte, oferind benzilor de nuntă strălucirea lor distinctivă.

Se spune că despre renumitul fizician bongo, Richard Feynman, a invocat relativitatea pentru a prezice sfârșitul tabelului periodic la elementul 137. Pentru Feynman, 137 a fost un „număr magic” - nu a apărut fără niciun motiv evident în altă parte a fizicii. Calculele sale au arătat că electronii din elemente dincolo de 137 ar trebui să se miște mai repede decât viteza luminii și, astfel, să încalce regulile relativității, pentru a evita să se prăbușească în nucleu.

De atunci, calcule mai recente au răsturnat această limită. Feynman a tratat nucleul ca un singur punct. Permiteți-i să fie o bilă de particule, iar elementele pot continua până la 173. Apoi, tot iadul se dezleagă. Atomii dincolo de această limită pot exista, dar numai ca niște creaturi ciudate, capabile să convoace electroni din spațiul gol.

Relativitatea nu este singura problemă. Protonii încărcați pozitiv se resping unul pe celălalt, deci, cu cât vă împachetați mai mult într-un nucleu, cu atât este mai puțin stabil să fie. Uraniul, cu un număr atomic de 92, este ultimul element suficient de stabil pentru a apărea în mod natural pe Pământ. Fiecare element dincolo de el are un nucleu care se destramă rapid, iar timpul lor de înjumătățire - timpul necesar pentru ca jumătatea materialului să se descompună - poate fi de minute, secunde sau chiar secunde.

Elemente mai grele, instabile, pot exista în altă parte a universului, cum ar fi în interiorul stelelor cu neutroni densi, dar oamenii de știință le pot studia aici doar prin împletirea unor atomi mai ușori pentru a face cei mai grei și apoi trecerea prin lanțul de descompunere.

„Nu știm cu adevărat care este cel mai greu element care ar putea exista”, spune fizicianul nuclear Witold Nazarewicz, de la Universitatea de Stat din Michigan.

Teoria prezice că va exista un punct în care nucleele noastre de laborator nu vor trăi suficient de mult pentru a forma un atom adecvat. Un nucleu radioactiv care se desparte în mai puțin de zece trilioane de secundă nu ar avea timp să adune electroni în jurul său și să facă un element nou.

Cu toate acestea, mulți oameni de știință se așteaptă ca insulele de stabilitate să existe mai departe pe drum, unde elementele supraeficiente au nuclee cu o durată relativ lungă de viață. Încărcarea anumitor atomi supraeficienți cu o mulțime de neutroni în plus ar putea conferi stabilitate împiedicând deformarea nucleelor ​​bogate în protoni. Elementul 114, de exemplu, este de așteptat să aibă un număr magic stabil de neutroni la 184. Elementele 120 și 126 au fost de asemenea prezise că pot avea un potențial mai durabil.

Însă unele pretenții de stabilitate a suprafețelor s-au destrămat deja. La sfârșitul anilor '60, chimistul Edward Anders a propus că xenonul dintr-un meteorit care a căzut pe pământul mexican a venit din defalcarea unui element de mister între 112 și 119, care ar fi suficient de stabil pentru a apărea în natură. După ce a petrecut ani de zile restrângându-și căutarea, în cele din urmă, și-a retras ipoteza în anii '80.

Prezicerea stabilității potențiale a elementelor grele nu este ușoară. Calculele, care necesită o putere de calcul extraordinară, nu au fost făcute pentru mulți dintre jucătorii cunoscuți. Și chiar și atunci când au, acesta este un teritoriu foarte nou pentru fizica nucleară, unde chiar și mici modificări ale intrărilor pot avea impacturi profunde asupra rezultatelor așteptate.

Un lucru este sigur: Efectuarea fiecărui element nou va deveni mai greu, nu numai pentru că atomii cu o durată mai scurtă sunt mai greu de detectat, ci și pentru că realizarea supraeficientelor poate necesita fascicule de atomi radioactivi. Indiferent dacă există sau nu sfârșitul tabelului periodic, poate exista un sfârșit al capacității noastre de a crea altele noi.

„Cred că suntem departe de finalul tabelului periodic”, spune Scerri. „Factorul limitator pare a fi ingeniozitatea umană.”

Nota editorului: afilierea lui Witold Nazarewicz a fost corectată.

Lista periodică recomandată pentru tabel

O poveste de șapte elemente

O relatare autoritară a istoriei timpurii a tabelului periodic poate fi găsită în A Tale of Seven Elements, de Eric Scerri, care face o scufundare profundă în controversele din jurul descoperirilor a șapte elemente.

Tabelul periodic

Cititorii interesați de Holocaust ar trebui să ridice o copie a memoriei în mișcare a lui Primo Levi, The Periodic Table. De asemenea, pentru o autobiografie convingătoare care folosește tabelul periodic pentru a încadra viața unuia dintre cei mai îndrăgiți neurologi din lume, consultați New York Times de la Oliver Sacks, opțiunea „Tabelul meu periodic ”.

Lingura dispărută: și alte povești adevărate ale nebuniei, iubirii și istoriei lumii din tabelul periodic al elementelor

Sam Kean își duce cititorii pe o poveste plină de viață și haotică prin elementele din The Disappearing Spoon.

Elementele pierdute: latura de umbră a tabelului periodic

Pasionații de știință interesați de baseball-urile din spatele elementelor care nu au făcut-o niciodată în tabelul periodic pot consulta cele bine cercetate The Lost Elements de Marco Fontani, Mariagrazia Costa și Mary Virginia Orna.