Układ okresowy pierwiastków chemicznych

1. Historia klasyfikacji pierwiastków chemicznych: 

• • Johann Wolfgang Döberreiner

Johann Wolfgang Döberreiner był pierwszą osobą, która podjęła się próby klasyfikacji pierwiastków chemicznych. W roku 1817 niemiecki chemik przedstawił swoją teorię światu. Udało mu się posegregować pierwiastki na grupy. W skład każdej z nich wchodziły trzy pierwiastki charakteryzujące się stosunkowo podobnymi właściwościami fizyko – chemicznymi. Dodatkowo masy atomowe tych pierwiastków wzrastały w sposób cykliczny. Jego hipotez nie była logicznie uzasadniona, ponieważ w owych czasach nie znano budowy wewnętrznej atomów.

• Antoine Beguyer de Chancourtois

Antoine Beguyer de Chancourtois był z wykształcenia geologiem, mimo to w roku 1863 stworzył rysunek tzw. „bębna pierwiastków”. Przedstawiał on schemat wszystkich, ówcześnie znanych, pierwiastków, uporządkowanych według rosnących mas atomowych. Jednocześnie spis pierwiastków był spiralnie zwinięty. Okres tej spirali wynosił 8 pierwiastków. Ze schematu francuskiego naukowca,  można było odczytać pionowe kolumny pierwiastków, które charakteryzowały się podobnymi właściwościami chemicznymi. Niestety, w tamtych czasach, jego projekt nie spotkał się z akceptacją naukowców i został odrzucony. Być może niesłusznie, gdyż blisko mu było do obecnie nam znanego układu okresowego.

• John Newlands

W przeciwieństwie do pomysłu Antoine Beguyer de Chancourtois, pomysł Johna Newlandsa spotkał się z większym zainteresowaniem grona chemików. W roku 1864 John Newlands opublikował nazwane przez siebie prawo oktawy. Zgodnie z jego teorią pierwiastki chemiczne należy uporządkować od wodoru do wapnia według rosnących mas atomowych. W efekcie otrzymuje się grupy pierwiastków chemicznych o podobnych właściwościach chemicznych, powtarzające się co osiem pierwiastków. Nazwa jego teorii: prawo oktawy, zostało zaczerpnięte przez niego z muzyki.

Dziś patrząc na pomysły Antoine Beguyer de Chancourtoisa, Johna Newlandsa i Johann Wolfgang Döberreiner widzimy pewne analogie między współczesnym układem okresowym, a ich teoriami. Niestety w wieku XIX nie dostrzegano sensu w ich pracach. Nieraz porównywano je do zabawy w numerologię lub zbędne doszukiwanie się pewnych podobieństw między pierwiastkami.

• Dimitrij Mendelejew

Rosyjski uczony – Dimitrij Mendelejew nie bał się krytyki ówczesnych profesorów i w zaciszu własnego domu zaciekle próbował sklasyfikować pierwiastki. Podążał tropem swoich poprzedników i za punkt wyjścia swoich rozważań przyjął uporządkowanie pierwiastków chemicznych zgodnie z ich rosnącymi masami atomowymi. Kilka lat zajęło mu właściwe ich ułożenie. W końcu jednak osiągnął zamierzony cel. W roku 1869 zdecydował się na publikacje swojego dzieła – pierwszego układu okresowego pierwiastków chemicznych. W pierwszej wersji zawartych było ponad 90 odkrytych dotąd pierwiastków.

Ważną cechą jego tablicy, były pozostawione puste miejsca. Podejrzewał on, iż muszą istnieć w przyrodzie inne pierwiastki, jeszcze nie odkryte, które uzupełniłyby brakujące luki.  To posunięcie było genialne. Dzięki niemu możliwe było uporządkowanie pierwiastków według zrastających mas atomowych, ale jednocześnie według podobnych właściwości. Na podstawie jego teorii możliwe było szybkie odkrycie nieznanych dotąd pierwiastków: selenu w roku 1877, galu w 1875 i germanu w 1886. Pierwiastki te wykazywały właściwości przewidziane przez Mendelejewa.

 Zdołał on także zauważyć pewne nieprawidłowości w ich ułożeniu. Mianowicie masa atomowa telluru jest wyższa od masy atomowej jodu, mimo to w układzie okresowym pierwszy jest tellur, a nie jod. Mendelejew celowo zdecydował się na zamianę tych pierwiastków, gdyż tylko w ten sposób pierwiastki te pasowałyby swoimi  właściwościami chemicznymi do pozostałych pierwiastków w danej grupie.

• Lothar Meyer

Przy okazji przedstawiania historii tworzenia układu okresowego warto wspomnieć o mało komu znanym naukowcu niemieckim Lothar Meyer.  Ułożył on tablice pierwiastków niemal równocześnie z Dimitrijem Mendelejewem. Pierwszy zarys jego układu okresowego powstał w roku 1864. Była to jednak wersja mało czytelna i opublikowana jedynie dla studentów w wydawnictwie uniwersyteckim. Przez kilka następnych lat Meyer pracował rozbudową pierwotnej wersji. Przygotowania ukończył w roku 1869, czyli w roku, w którym Mendelejew przedstawił światu swoją teorie. Tym samym Meyer nie mógł już opublikować swoich pomysłów. Wiadomo jednak, że wersja Meyera różniła się od wersji Mendelejewa. Nie zawierała m.in. pustych miejsc na nie odkryte pierwiastki, przez co w kolumnach nie zawsze znajdowały się pierwiastki o podobnych właściwościach.

Pozornie wydaje się, iż stworzony przez Dimitrija Mendelejewa układ okresowy pierwiastków musiał być przyjęty z entuzjazmem przez środowisko naukowe. Niestety, aż do początku XX wieku jego tablica nie wzbudzała emocji. Wprawdzie dostrzegano pewne prawidłowości, ale nie wierzono w prawo okresowości, którego w tamtych czasach nie można było logicznie wytłumaczyć. Taki stosunek do układu okresowego doprowadził do zwątpienia nawet samego Mendelejewa.

Koncepcja Mendelejewa znalazła akceptacje dopiera na początku XX wieku. Wtedy w świecie nauki dokonano wielu odkryć, m.in. udało się wyjaśnić strukturę elektronową atomów, która wyjaśniała wszystkie niejasności w tablicy Mendelejewa. Przyczyniły się do tego badania Rutherforda, który w roku 1911 odkrył istnienie jądra atomowego, prace Bohra oraz publikacja Moseleya dotycząca ilości protonów i elektronów pierwiastków chemicznych.

2.  Kilka słów o wielkim naukowcu – nota biograficzna Dimitrija Mendelejewa

Dimitrij Mendelejew urodził się w roku 1834 w Tobolsku na Syberii, jako piętnaste i najmłodsze dziecko. Z pochodzenia był Rosjaninem. Jego ojciec prowadził szkołę, niestety stracił wzrok i musiał zrezygnować z dotychczasowego zajęcia. Wtedy jego matka założyła wytwórnie szkła. Zakład stał się jedynym źródłem dochodu dla licznej rodziny. W wieku 15 lat stracił ojca. W parę lat później zmarła jego matka.

Dimitrij pragnął się uczyć, dlatego rozpoczął studia na uniwersytecie w Petersburgu w kierunku nauk ścisłych. W latach 1859 – 1861 odbywał staż naukowy. Przebywał w Heidelbergu, w którym mógł zająć się badaniami laboratoryjnymi w pracowni Bunsena.

Był zdolnym uczniem, szybko zdobył stopień naukowy profesora. W latach 1864 – 1866 pełnił funkcje profesora Instytutu Technologicznego. Przez następne dwa lata był profesorem na Uniwersytecie w Petersburgu, gdzie wykładał chemie techniczną i nieorganiczną. W latach 1892 – 1907 kierował Głównym Urzędem Miar i Wag.

Jednocześnie prowadził własne badania naukowe. Zajął się pomiarem mas atomowych różnych pierwiastków i porównywał ich właściwości w zależności od ciężaru. Na podstawie swoich doświadczeń w roku 1869 sformułował po raz pierwszy prawo okresowości. Zgodnie z tym prawem pierwiastki można uporządkować według rosnących mas atomowych i zapisać w taki sposób, by pierwiastki o podobnych właściwościach fizyko – chemicznych znajdowały się w jednej kolumnie. Zapis ten został nazwany tablicą Mendelejewa lub inaczej układem okresowym pierwiastków chemicznych. W swojej pracy uwzględnił wszystkie znane ówcześnie pierwiastki, było ich 63 oraz przewidział istnienie kilku jeszcze nieznanych. Początkowo jego teoria nie została przyjęta entuzjastycznie, jednak po odkryciu nowych, przewidzianych przez Mendelejewa pierwiastków zyskał sławę.

Zmarł w roku 1907. Miał wtedy 72 lata.

3.  Tablica Mendelejewa, a Tablica Wernera…

Tablica Mendelejewa

O K R E S

1

H 1 Wodór

2  IIA

13  IIIA

14  IVA

15  VA

16  VIA

17  VIIA

He 2 Hel

2

Li 3 Lit

Be 4 Beryl

B 5 Bor

C 6 Węgiel

N 7 Azot

O 8 Tlen

F 9 Fluor

Ne 10 Neon

3

Na 11 Sód

Mg 12 Magnez

3  IIIB

4  IVB

5  VB

6  VIB

7  VIIB

8  VIII

9  VIII

10  VIII

11  IB

12  IIB

Al 13 Glin

Si 14 Krzem

P 15 Fosfor

S 16 Siarka

Cl 17 Chlor

Ar 18 Argon

4

K 19 Potas

Ca 20 Wapń

Sc 21 Skand

Ti 22 Tytan

V 23 Wanad

Cr 24 Chrom

Mn 25 Mangan

Fe 26 Żelazo

Co 27 Kobalt

Ni 28 Nikiel

Cu 29 Miedź

Zn 30 Cynk

Ga 31 Gal

Ge 32 German

As 33 Arsen

Se 34 Selen

Br 35 Brom

Kr 36 Krypton

5

Rb 37 Rubid

Sr 38 Stront

Y 39 Itr

Zr 40 Cyrkon

Nb 41 Niob

Mo 42 Molibden

Tc 43 Technet

Ru 44 Ruten

Rh 45 Rod

Pd 46 Pallad

Ag 47 Srebro

Cd 48 Kadm

In 49 Ind

Sn 50 Cyna

Sb 51 Antymon

Te 52 Tellur

I 53 Jod

Xe 54 Ksenon

6

Cs 55 Cez

Ba 56 Bar

*

Hf 72 Hafn

Ta 73 Tantal

W 74 Wolfram

Re 75 Ren

Os 76 Osm

Ir 77 Iryd

Pt 78 Platyna

Au 79 Złoto

Hg 80 Rtęć

Tl 81 Tal

Pb 82 Ołów

Bi 83 Bizmut

Po 84 Polon

At 85 Astat

Rn 86 Radon

7

Fr 87 Frans

Ra 88 Rad

**

Rf 104 Rutherford

Db 105 Dubn

Sg 106 Seaborg

Bh 107 Bohr

Hs 108 Hass

Mt 109 Meitner

Ds 110 Darmsztadt

Uuu 111

Uub 112

Uut 113

Uuq 114

Uup 115

Uuh 116

Uus 117

Uuo 118

6

*

La 57 Lantan

Ce 58 Cer

Pr 59 Prazeodym

Nd 60 Neodym

Pm 61 Promet

Sm 62 Samar

Eu 63 Europ

Gd 64 Gadolin

Tb 65 Terb

Dy 66 Dysproz

Ho 67 Holm

Er 68 Erb

Tm 69 Tul

Yb 70 Iterb

Lu 71 Lutet

7

**

Ac 89 Aktyn

Th 90 Tor

Pa 91 Protaktyn

U 92 Uran

Np 93 Neptun

Pu 94 Pluton

Am 95 Ameryk

Cm 96 Kiur

Bk 97 Berkel

Cf 98 Kaliforn

Es 99 Einstein

Fm 100 Ferm

Md 101 Mendelew

No 102 Nobel

Lr 103 Lorens

Tablica Wernera

Współcześnie znany i powszechnie używany układ okresowy pierwiastków to tzw. Tablica Wernera inaczej nazywana Tablicą długą. Różni się ona graficznie od pierwowzoru Mendelejewa, czyli tzw. Tablicy krótkiej. Idea obu tablic pozostaje jednak taka sama.

4. Współczesny układ okresowy

Obecnie układ okresowy to zestawienie pierwiastków według wzrastających liczb atomowych (nieznanych w XIX wieku!). Ich ułożenie odpowiada konfiguracjom elektronowym atomów kolejnych pierwiastków.

Z układu okresowego można uzyskać następujące informacje:

- na podstawie numeru okresu, w którym leży dany pierwiastek, wiemy ile posiada on powłok elektronowych

- na podstawie numeru grupy głównej, w którym leży dany pierwiastek, wiemy ile posiada on elektronów walencyjnych (uwaga!: wyjątek – hel posiada dwa elektrony, mimo iż leży w grupie VIIIA).