Eric R Scerri(Ewolucja ukladu okresowego), Ebooki, Swiat Nauki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Ewolucja
uk¸adu okresowego
Pierwsze prby jego stworzenia przypadaj
na koniec XVIII wieku Ð dziæ bez tablicy pierwiastkw
nie wyobraýamy sobie nowoczesnej chemii
Eric R. Scerri
U
k¸ad okresowy pierwiastkw to
jeden z najpot«ýniejszych sym-
boli nauk æcis¸ych Ð tablica obej-
mujca znaczn cz«æ naszej wiedzy che-
micznej wisi na æcianie niemal kaýdej
pracowni chemicznej lub sali wyk¸ado-
wej na æwiecie. ûadna inna dziedzina
nauki nie dysponuje podobnym narz«-
dziem. Pocztki uk¸adu okresowego ja-
ko metody klasyfikacji pierwiastkw si«-
gaj ponad 200 lat wstecz. W czasie
swojej d¸ugiej historii Ð w miar« rozwo-
ju nauki i odkrywania nowych pier-
wiastkw Ð by¸ modyfikowany, udosko-
nalany, a czasem nawet podawano w
wtpliwoæ jego podstawy [patrz: Peter
Armbruster i Fritz Peter Hessberger,
ãTworzenie nowych pierwiastkwÓ;
strona 56
].
Jednak mimo ogromnych zmian, ja-
kie zasz¸y w nauce w naszym stuleciu Ð
rozwoju teorii wzgl«dnoæci i mechaniki
kwantowej Ð w samej istocie uk¸adu
okresowego nie nastpi¸ ýaden zasadni-
czy przewrt. Kilka razy nowe odkry-
cia wydawa¸y si« z pocztku kwestio-
nowa podstawy teoretyczne uk¸adu
okresowego, ale zawsze naukowcom
udawa¸o si« w koÄcu dopasowa nowe
wyniki do podstawowej struktury tabli-
cy. Notabene temu w¸aænie uk¸ad okre-
sowy zawdzi«cza zarwno sw d¸ug
tradycj«, jak i przydatnoæ we wsp¸cze-
snej nauce.
Poj«cie ãokresowyÓ odzwierciedla fakt,
ýe we w¸aæciwoæciach chemicznych pier-
wiastkw pojawiaj si« w regularnych
odst«pach pewne prawid¸owoæci. Gdyby
nie uproszczenie, ktre wprowadza ta-
blica, uczcy si« chemii musieliby zapa-
mi«ta w¸aæciwoæci wszystkich 112 pier-
wiastkw. Na szcz«æcie dzi«ki uk¸adowi
okresowemu chemikom wystarczy opa-
nowanie typowych dla ca¸ej grupy w¸a-
æciwoæci kilku jedynie pierwiastkw (we
62 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
wsp¸czesnej wersji uk¸adu okresowego
grupy tworz kolumny).
Uk¸ad okresowy pierwiastkw u¸oýo-
no w wyniku na¸oýenia si« kilku osi-
gni« naukowych; nie by¸ on przeb¸y-
skiem geniuszu jednostki. Mimo to za
dat« formalnych narodzin wsp¸czesnej
tablicy okresowej historycy uznaj naj-
cz«æciej 17 lutego 1869 roku Ð wtedy ro-
syjski profesor chemii Dmitrij Iwanowicz
Mendelejew ukoÄczy¸ pierwszy ze swo-
ich licznych uk¸adw okresowych. Ta-
blica zawiera¸a 63 znane wwczas pier-
wiastki uporzdkowane zgodnie ze
wzrastajc mas atomow; Mendele-
jew pozostawi¸ rwnieý miejsca na pier-
wiastki jeszcze nie odkryte, ktrych ma-
sy atomowe przewidzia¸.
Systemy porzdkujce pierwiastki
usi¸owano opracowa rwnieý przed
Mendelejewem. Na przyk¸ad w roku
1787 francuski chemik Antoine Lavoi-
sier, wsp¸pracujcy z Antoinem Four-
croyem, Louis-Bernardem Guyton de
Morveau i Claudem-Louis Bertholletem,
przedstawi¸ spis 33 znanych naonczas
pierwiastkw. Spisy te by¸y tylko jed-
nowymiarowe. Si¸a wsp¸czesnej ta-
blicy okresowoæci leýy w dwu-, a nawet
trjwymiarowym przedstawieniu wszy-
stkich znanych pierwiastkw (rwnieý
tych, ktrych jeszcze nie odkryto) w
uk¸adzie precyzyjnie i logicznie rozmie-
szczonych rz«dw i kolumn.
Niemiecki chemik Johann Dbereiner
we wczesnej prbie uporzdkowania
pierwiastkw w sensown tablic« wy-
kaza¸, ýe wiele znanych pierwiastkw
moýna po¸czy ze wzgl«du na ich po-
dobieÄstwo w trzyelementowe grupy,
ktre nazwa¸ triadami. Wydzieli¸ on tria-
d« litu, sodu i potasu oraz chloru, bromu
i jodu. Dostrzeg¸ teý, ýe jeæli pierwiast-
ki w triadzie uporzdkuje si« zgodnie
ze wzrastajc mas atomu, ærodkowy
b«dzie mia¸ w¸aæciwoæci poærednie po-
mi«dzy w¸aæciwoæciami pierwszego
i trzeciego. Na przyk¸ad lit, sd i potas
¸atwo reaguj z wod. Lit, najlýejszy
z triady, reaguje jednak mniej gwa¸-
townie niý dwa pozosta¸e, najci«ýszy
natomiast potas wybucha raptownie.
Dbereiner spostrzeg¸ takýe, ýe masa
atomowa ærodkowego pierwiastka jest
mniej wi«cej æredni arytmetyczn mas
pierwszego i trzeciego.
Praca Dbereinera zach«ci¸a innych
do poszukiwaÄ zwizkw mi«dzy che-
micznymi w¸aæciwoæciami pierwiast-
kw a ich masami atomowymi. W XIX
wieku kontynuowa¸ podejæcie triadowe
m.in. Peter Kremers z Kolonii, ktry za-
sugerowa¸, ýe niektre pierwiastki mo-
g naleýe do dwch triad umieszczo-
nych prostopadle do siebie. Kremers
zapocztkowa¸ zatem nowy kierunek Ð
porwnywanie pierwiastkw w dwch
wymiarach Ð ktry okaza¸ si« pniej
istot systemu Mendelejewa.
W roku 1857 francuski chemik Jean-
-Baptiste-Andr Dumas zrezygnowa¸
z koncepcji triad i skoncentrowa¸ si« na
stworzeniu uk¸adu rwnaÄ matema-
tycznych, ktre mog¸yby opisa wzrost
masy atomowej w kilku grupach podob-
nych pierwiastkw. ûadna jednak pr-
ba uporzdkowania pierwiastkw we-
d¸ug ich mas atomowych nie mog¸a si«
powieæ, poniewaý to nie masa atomo-
wa jest podstawow w¸aæciwoæci cha-
rakteryzujc pierwiastek, o czym wie
dziæ kaýdy chemik.
W¸aæciwoæci okresowe
Najwaýniejsz cech uk¸adu Men-
delejewa by¸o to, ýe ukazywa¸ on okre-
sowoæ, czyli powtarzanie si« w¸aæci-
woæci pierwiastkw w pewnych okre-
ælonych odst«pach. By¸o j wida takýe
we wczeæniejszym usystematyzowaniu
pierwiastkw wed¸ug mas atomowych,
zaproponowanym w 1862 roku przez
francuskiego geologa Alexandra-Emila
de Chancourtois. System ten opiera¸ si«
na doæ skomplikowanej konstrukcji
geometrycznej: de Chancourtois u¸oýy¸
pierwiastki zgodnie z ich wzrastajc
mas atomow na Ð nachylonej pod k-
tem 45¡ do podstawy walca Ð spirali bie-
gncej po jego powierzchni bocznej [
ilu-
stracja na nast«pnej stronie
].
Pierwszy pe¸ny skr«t spirali przypa-
da¸ na tlen, drugi Ð na siark«. Pierwiast-
ki znajdujce si« na tej samej pionowej li-
nii na powierzchni cylindra odznacza¸y
si« podobnymi w¸aæciwoæciami, w kon-
strukcji tej uda¸o si« zatem uchwyci
pewne cechy, ktre mia¸y si« sta pod-
staw pniejszej tablicy Mendeleje-
wa. Mimo to z wielu przyczyn uk¸ad de
Chancourtois nie wywar¸ wielkiego
wp¸ywu na wczesn nauk«: pierwszy
prezentujcy go artyku¸ nie zawiera¸ ry-
sunku tablicy, system by¸ doæ skompli-
kowany, a podobieÄstwa w¸aæciwoæci
chemicznych pierwiastkw nie zosta¸y
przedstawione zbyt przekonujco.
W latach szeædziesitych XIX wieku
swoje wersje uk¸adu okresowego zapro-
ponowa¸o kilku innych badaczy. Pos¸u-
gujc si« nowymi, standaryzowanymi
masami atomowymi, w roku 1864 an-
gielski chemik John Newlands zasuge-
rowa¸, ýe gdy u¸oýy wed¸ug nich pier-
wiastki, kaýdy wykaýe w¸aæciwoæci po-
dobne do wykazywanych przez pier-
wiastek znajdujcy si« osiem miejsc do
przodu lub do ty¸u. Cech« t« Newlands
nazwa¸ ãprawem oktawÓ.
TRîJWYMIAROWA TABLICA przekszta¸ca tradycyjny uk¸ad okresowy w wielowarstwo-
w struktur«. Dawne pionowe kolumny, odpowiadajce grupie pierwiastkw, biegn tu-
taj w d¸ rwnolegle do g¸wnej osi konstrukcji (np. H, Li, Na itd.), a takýe poprzez warstwy.
Pierwiastki umieszczone w warstwach jeden nad drugim, na przyk¸ad He, Ne, Ar, naleý
do tej samej grupy, maj zatem zbliýone w¸aæciwoæci chemiczne. Poziome rz«dy, czyli okre-
sy, tradycyjnej tablicy odpowiadaj wielu warstwom uk¸adu trjwymiarowego. Tablica
unaocznia symetri« uk¸adu okresowego, zw¸aszcza regularnie zwi«kszajcy si« okres, w¸a-
æciwoæ, ktrej na razie nie uda¸o si« w pe¸ni wyjaæni na gruncie mechaniki kwantowej.
å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
63
PIERWSZY UKüAD OKRESOWY opracowa¸ w lutym 1869 roku rosyjski
chemik Dmitrij Iwanowicz Mendelejew. Na tym szkicu pierwiastki s u¸oýo-
ne poziomo, a nie w znajomych kolumnach. Mendelejew sporzdzi¸ wiele ta-
blic obu typw.
JEDN z pierwszych wersji
systemu klasyfikujcego zna-
ne pierwiastki zaproponowa¸
w 1862 roku francuski geolog
Emile Bguyer de Chancour-
tois. Tzw. æruba telluryczna
jest najwczeæniejsz wersj
uk¸adu okresowego.
W swej pierwszej tablicy pozostawi¸
on miejsca na brakujce pierwiastki, ale
jej bardziej rozpowszechniona wersja
z roku 1866 juý ich nie zawiera¸a. Inni
chemicy natychmiast zakwestionowali
tablic«, poniewaý nie dawa¸a moýliwo-
æci w¸czenia do niej nowych pierwiast-
kw, ktre ewentualnie zosta¸yby od-
kryte. Cz«æ naukowcw nawet otwarcie
kpi¸a z pomys¸u Newlandsa. Na spotka-
niu Chemical Society w Londynie w ro-
ku 1866 George Carey Foster z Universi-
ty College London spyta¸ go, czy nie
rozwaýa¸ przypadkiem u¸oýenia pier-
64 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
wiastkw alfabetycznie, bo przecieý kaý-
de uporzdkowanie moýe prowadzi
do przypadkowych zbieýnoæci. W re-
zultacie Chemical Society odmwi¸a pu-
blikacji artyku¸u Newlandsa.
Mimo niech«tnego przyj«cia jego pra-
ca jest pierwszym przypadkiem uýycia
sekwencji liczb naturalnych (opartej na
masach atomowych) do klasyfikacji pier-
wiastkw. Pod tym wzgl«dem New-
lands ubieg¸ autorw wsp¸czesnego
uk¸adu okresowego, ktrzy pos¸uýyli si«
sekwencj tzw. liczb atomowych. (Poj«-
cie liczby atomowej, oznaczajcej liczb«
dodatnio na¸adowanych czstek, czyli
protonw w jdrze atomowym, powsta-
¸o dopiero na pocztku XX wieku.)
Wsp¸czesny uk¸ad okresowy
Julius Lothar Meyer, niemiecki che-
mik z Breslau Universitt, podczas uzu-
pe¸niania w 1868 roku swojego pod-
r«cznika chemii przedstawi¸ uk¸ad okre-
sowy, ktry okaza¸ si« zdumiewajco po-
dobny do s¸ynnej wersji Mendelejewa
z roku 1869, cho Meyer nie wszystkie
pierwiastki sklasyfikowa¸ poprawnie.
Z powodu opnieÄ wydawniczych jego
tablica ukaza¸a si« jednak drukiem do-
piero w roku 1870, co doprowadzi¸o do
ostrego sporu o pierwszeÄstwo mi«dzy
Meyerem a Mendelejewem.
Mniej wi«cej w tym samym czasie
Mendelejew, rwnieý piszc podr«cz-
nik chemii, przygotowa¸ swoj wersj«
tablicy. W przeciwieÄstwie do poprzed-
nikw uczony by¸ tak pewny swego
uk¸adu okresowego, ýe pos¸uýy¸ si« nim
do przewidzenia kilku nowych pier-
wiastkw, a takýe w¸aæciwoæci ich
zwizkw. Wprowadzi¸ rwnieý po-
prawki w masach atomowych paru juý
znanych pierwiastkw. Co ciekawe,
Mendelejew przyzna¸, ýe widzia¸ nie-
ktre wczeæniejsze tablice, na przyk¸ad
Newlandsa, twierdzi¸ jednak, ýe gdy
przygotowywa¸ swj uk¸ad, nie zna¸
pracy Meyera.
Chociaý praca rosyjskiego chemika
przewidywa¸a istnienie nie odkrytych
pierwiastkw, co by¸o z pewnoæci jej
wielk zalet, historycy zbyt pochopnie
uznaj ten fakt za decydujcy o akcep-
tacji uk¸adu Mendelejewa. W uzasad-
nieniu nadania Mendelejewowi w 1882
roku medalu DavyÕego przez Royal So-
ciety of London nie wspomniano o tych
przewidywaniach. Wydaje si«, ýe do
przyj«cia tablicy Mendelejewa w rw-
nej mierze co b¸yskotliwe prognozy
przyczyni¸a si« jego umiej«tnoæ klasyfi-
kacji znanych juý pierwiastkw. Mimo
iý bardzo wielu naukowcw przyczy-
ni¸o si« do opracowania uk¸adu okreso-
wego, zas¸ug« przypisuje si« Mendeleje-
UKüAD OKRESOWY PIERWIASTKîW w jego wsp¸czesnej postaci opracowali niemal
jednoczeænie chemicy Dmitrij Iwanowicz Mendelejew
(z lewej)
i Julius Lothar Meyer
(z prawej)
pod koniec lat szeædziesitych XIX wieku. Tablica Mendelejewa zosta¸a opu-
blikowana najpierw i to on zebra¸ laury za odkrycie chemicznej okresowoæci, po pierwsze,
dlatego ýe dzi«ki niej uda¸o mu si« przewidzie istnienie kilku pierwiastkw, a po drugie,
ýe bardzo energicznie broni¸ poprawnoæci swojej koncepcji.
wowi jako temu, ktry nada¸ owemu
odkryciu rang« prawa przyrody, a po-
nadto reszt« ýycia sp«dzi¸ na odwaý-
nym badaniu implikacji tego systemu
i obronie tezy o jego prawdziwoæci.
Obrona ta nie by¸a ¸atwym zadaniem
Ð w wyniku kolejnych odkry cz«sto
kwestionowano poprawnoæ uk¸adu
okresowego. Powaýnie zagroýony by¸
m.in. w roku 1894, kiedy William Ram-
say z University College London i lord
Rayleigh (John William Strutt) z Royal
Institution w Londynie odkryli argon.
W cigu nast«pnych kilku lat Ramsay
zidentyfikowa¸ cztery inne pierwiastki:
hel, neon, krypton i ksenon Ð znane ja-
ko gazy szlachetne. (Ostatni z nich, ra-
don, odkry¸ w roku 1900 niemiecki fi-
zyk Friedrich Ernst Dorn.)
Nazwa ãszlachetneÓ wzi«¸a si« std,
ýe wszystkie te gazy wydaj si« wyrý-
nia spoærd innych pierwiastkw,
rzadko wchodzc z nimi w reakcje pro-
wadzce do powstania zwizkw. W
rezultacie niektrzy chemicy sugero-
wali, iý gazy szlachetne wr«cz nie na-
leý do uk¸adu okresowego. Ich istnie-
nia nie przewidzia¸ ani Mendelejew,
ani nikt inny. Dopiero po szeæciu latach
intensywnych wysi¸kw chemikw i
fizykw uda¸o si« w¸czy je do uk¸a-
du. Nowa wersja tablicy zawiera¸a do-
datkow kolumn« pomi«dzy fluorow-
cami (grup gazowych pierwiastkw
z fluorem, chlorem, bromem, jodem i
astatem) a metalami alkalicznymi (li-
tem, sodem, potasem, rubidem, cezem
i fransem).
Kwesti kontrowersyjn by¸o tak-
ýe dok¸adne u¸oýenie pierwiastkw.
W oryginalnej tablicy Mendelejewa
pierwiastki rozmieszczone zosta¸y ze
wzgl«du na swoj mas« atomow, w ro-
ku 1913 jednak holenderski fizyk teo-
retyczny-amator Anton van den Broek
zasugerowa¸, ýe pierwiastki powin-
ny by u¸oýone wed¸ug wielkoæci ¸a-
dunku jdra atomu. Hipotez« t« spraw-
dzi¸ w tym samym roku fizyk Henry
Moseley z University of Manchester, na
krtko przed sw æmierci podczas
I wojny æwiatowej.
Moseley rozpocz¸ prac« od sfoto-
grafowania widm rentgenowskich 12
pierwiastkw, z ktrych 10 zajmowa¸o
kolejne pozycje w uk¸adzie okresowym.
Odkry¸ on, ýe cz«stoæci, przy ktrych
pojawia si« w widmach rýnych pier-
wiastkw tzw. linia K, s wprost pro-
porcjonalne do kwadratu liczby ca¸ko-
witej okreælajcej miejsce kaýdego z
pierwiastkw w uk¸adzie okresowym.
Jak sformu¸owa¸ to Moseley, by¸ to do-
wd, ýe ãatomy charakteryzuje pod-
stawowa wielkoæ, ktra zwi«ksza
si« w regularny sposb przy przejæciu
od jednego pierwiastka do drugiegoÓ.
W 1920 roku Ernest Rutherford, ww-
czas z University of Cambridge, okre-
æli¸ j po raz pierwszy jako liczb« ato-
mow; obecnie jest interpretowana jako
liczba protonw w jdrze.
å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
65
Praca Moseleya dostarczy¸a metod«,
ktra pozwala¸a dok¸adnie ustali, ile
wolnych miejsc pozosta¸o w uk¸adzie
okresowym. Po tym odkryciu chemicy
zacz«li uýywa liczby, a nie masy ato-
mowej, jako podstawowej wielkoæci
okreælajcej porzdek w uk¸adzie okre-
sowym. Rozwiza¸o to wiele proble-
mw z u¸oýeniem pierwiastkw. Na
przyk¸ad gdyby jod i tellur zosta¸y upo-
rzdkowane zgodnie z ich mas atomo-
w (jod by¸by pierwszy), ze wzgl«du na
swoje w¸aæciwoæci chemiczne wydawa-
¸yby si« u¸oýone nieprawid¸owo. Gdy
jednak u¸oýy si« je zgodnie z ich liczb
atomow (tellur pierwszy), znajd si«
na w¸aæciwych pozycjach.
wntrz g¸wnej struktury atomu, a nie
okrýaj jdro, jak uwaýa si« dzisiaj,
pierwszy zaj¸ si« w swym modelu roz-
mieszczeniem elektronw w atomie Ð
zagadnieniem podstawowym dla ca¸ej
wsp¸czesnej chemii.
DuÄski fizyk Niels Bohr, ktry po raz
pierwszy zastosowa¸ teori« kwantow
w zwizku z budow atomu, rwnieý
inspirowa¸ si« u¸oýeniem pierwiastkw
w uk¸adzie okresowym Mendelejewa.
W jego modelu atomu, opracowanym
w 1913 roku, elektrony zajmowa¸y cig
koncentrycznych pow¸ok okalajcych
jdro. Bohr rozumowa¸, ýe pierwiastki
z tej samej grupy uk¸adu okresowego
maj prawdopodobnie identyczne kon-
figuracje elektronowe najbardziej ze-
wn«trznej pow¸oki i ýe ich w¸aæciwoæci
chemiczne s w znacznej mierze zale-
ýne od u¸oýenia elektronw w tej w¸a-
ænie pow¸oce.
Model atomu Bohra pos¸uýy¸ rwnieý
do wyjaænienia, dlaczego gazy szlachet-
ne s nieaktywne chemicznie. Poniewaý
maj one ca¸kowicie zape¸nione elektro-
nami pow¸oki zewn«trzne, s niezwy-
kle trwa¸e, a zatem niech«tnie tworz
zwizki. W istocie Ð wi«kszoæ innych
pierwiastkw wchodzi w reakcje, aby
w pe¸ni obsadzi elektronami pow¸oki
zewn«trzne. Niedawno przeæledzono
drog« rozumowania, ktra pozwoli¸a
Bohrowi dojæ do konfiguracji elektrono-
wych. Okaza¸o si«, ýe wbrew temu, co
sdzono, rozumowa¸ on raczej jak che-
mik. Nie wyprowadzi¸ konfiguracji elek-
tronowych z teorii kwantowej, lecz do-
szed¸ do nich na podstawie znanych
chemicznych i spektroskopowych w¸a-
æciwoæci pierwiastkw.
W 1924 roku inny fizyk, pochodzcy
z Austrii Wolfgang Pauli, zabra¸ si« do
wyjaænienia d¸ugoæci rz«du, czyli okre-
su, w uk¸adzie okresowym. Rezulta-
tem by¸ tzw. zakaz Pauliego, zgodnie
z ktrym dwa elektrony nie mog jed-
noczeænie istnie w tym samym stanie
kwantowym, opisanym przez parame-
try zwane liczbami kwantowymi. D¸u-
goæci nast«pujcych po sobie okresw
wynikaj z doæwiadczalnych dowodw
dotyczcych kolejnoæci zape¸niania po-
w¸ok elektronowych oraz z kwantowo-
-mechanicznych ograniczeÄ dotycz-
cych czterech liczb kwantowych, kt-
re okreælaj stan elektronu.
Modyfikacje teorii kwantowej doko-
nane przez Wernera Heisenberga i Erwi-
na Schrdingera w po¸owie lat dwudzie-
stych nada¸y mechanice kwantowej jej
obecn posta. Wp¸yw tych zmian na
uk¸ad okresowy by¸ jednak raczej mini-
malny. Mimo wysi¸kw wielu fizykw
i chemikw mechanika kwantowa nie
potrafi dok¸adniej wyjaæni podstaw
uk¸adu okresowego. Jej prawa nie t¸u-
macz na przyk¸ad kolejnoæci, w jakiej
elektrony zape¸niaj rýne pow¸oki elek-
tronowe. Wykorzystujc mechanik«
kwantow, nie moýemy bezpoærednio
otrzyma konfiguracji elektronowej ato-
mw, na ktrej jest oparta wsp¸czesna
koncepcja uk¸adu okresowego. Po pier-
wsze, dlatego ýe nie daje si« uzyska
dok¸adnego rozwizania podstawowe-
Zrozumienie atomu
Uk¸ad okresowy inspirowa¸ nie tyl-
ko chemikw, ale rwnieý fizykw d-
ýcych do zrozumienia struktury ato-
mu. W 1904 roku pracujcy w Cam-
bridge Joseph J. Thomson (ktry by¸ po-
nadto odkrywc elektronu) opracowa¸
model atomu, zwracajc szczegln
uwag« na okresowoæ pierwiastkw.
Wysun¸ on hipotez«, ýe atom danego
pierwiastka zawiera okreælon liczb«
elektronw rozmieszczonych na kon-
centrycznych pieræcieniach. Twierdzi¸
teý, ýe pierwiastki o zbliýonych konfi-
guracjach elektronowych powinny mie
podobne w¸aæciwoæci. Thomson opra-
cowa¸ zatem wyjaænienie okresowoæci
pierwiastkw. Chociaý wyobraýa¸ so-
bie, ýe pieræcienie elektronw leý we-
1
POPULARNA WERSJA UKüADU OKRESOWEGO Ð znana ja-
ko forma d¸uga Ð znajduje si« w kaýdej niemal pracowni che-
micznej lub sali wyk¸adowej na æwiecie. Zalet tej tablicy jest
klarowne przedstawienie w postaci kolumn grup pierwiastkw
o podobnych w¸aæciwoæciach chemicznych, nie ukazuje ona na-
tomiast symetrii uk¸adu. (Kolorami oznaczono pierwiastki o tym
samym typie zewn«trznej pow¸oki elektronowej.)
2
H
He
3
4
5
6
7
8
9
10
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
11
12
13
14
15
16
17
18
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
55
56
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
Cs
Ba
Lu
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
87
88
103
104
105
106
107
108
109
110*
111*
112*
113
114
115
116
117
118
Fr
Ra
Lr
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
* Pierwiastki odkryte,
ale jeszcze oficjalnie
nie nazwane
Pierwiastki jeszcze
nie odkryte
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Td
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
66 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl upanicza.keep.pl
Ewolucja
uk¸adu okresowego
Pierwsze prby jego stworzenia przypadaj
na koniec XVIII wieku Ð dziæ bez tablicy pierwiastkw
nie wyobraýamy sobie nowoczesnej chemii
Eric R. Scerri
U
k¸ad okresowy pierwiastkw to
jeden z najpot«ýniejszych sym-
boli nauk æcis¸ych Ð tablica obej-
mujca znaczn cz«æ naszej wiedzy che-
micznej wisi na æcianie niemal kaýdej
pracowni chemicznej lub sali wyk¸ado-
wej na æwiecie. ûadna inna dziedzina
nauki nie dysponuje podobnym narz«-
dziem. Pocztki uk¸adu okresowego ja-
ko metody klasyfikacji pierwiastkw si«-
gaj ponad 200 lat wstecz. W czasie
swojej d¸ugiej historii Ð w miar« rozwo-
ju nauki i odkrywania nowych pier-
wiastkw Ð by¸ modyfikowany, udosko-
nalany, a czasem nawet podawano w
wtpliwoæ jego podstawy [patrz: Peter
Armbruster i Fritz Peter Hessberger,
ãTworzenie nowych pierwiastkwÓ;
strona 56
].
Jednak mimo ogromnych zmian, ja-
kie zasz¸y w nauce w naszym stuleciu Ð
rozwoju teorii wzgl«dnoæci i mechaniki
kwantowej Ð w samej istocie uk¸adu
okresowego nie nastpi¸ ýaden zasadni-
czy przewrt. Kilka razy nowe odkry-
cia wydawa¸y si« z pocztku kwestio-
nowa podstawy teoretyczne uk¸adu
okresowego, ale zawsze naukowcom
udawa¸o si« w koÄcu dopasowa nowe
wyniki do podstawowej struktury tabli-
cy. Notabene temu w¸aænie uk¸ad okre-
sowy zawdzi«cza zarwno sw d¸ug
tradycj«, jak i przydatnoæ we wsp¸cze-
snej nauce.
Poj«cie ãokresowyÓ odzwierciedla fakt,
ýe we w¸aæciwoæciach chemicznych pier-
wiastkw pojawiaj si« w regularnych
odst«pach pewne prawid¸owoæci. Gdyby
nie uproszczenie, ktre wprowadza ta-
blica, uczcy si« chemii musieliby zapa-
mi«ta w¸aæciwoæci wszystkich 112 pier-
wiastkw. Na szcz«æcie dzi«ki uk¸adowi
okresowemu chemikom wystarczy opa-
nowanie typowych dla ca¸ej grupy w¸a-
æciwoæci kilku jedynie pierwiastkw (we
62 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
wsp¸czesnej wersji uk¸adu okresowego
grupy tworz kolumny).
Uk¸ad okresowy pierwiastkw u¸oýo-
no w wyniku na¸oýenia si« kilku osi-
gni« naukowych; nie by¸ on przeb¸y-
skiem geniuszu jednostki. Mimo to za
dat« formalnych narodzin wsp¸czesnej
tablicy okresowej historycy uznaj naj-
cz«æciej 17 lutego 1869 roku Ð wtedy ro-
syjski profesor chemii Dmitrij Iwanowicz
Mendelejew ukoÄczy¸ pierwszy ze swo-
ich licznych uk¸adw okresowych. Ta-
blica zawiera¸a 63 znane wwczas pier-
wiastki uporzdkowane zgodnie ze
wzrastajc mas atomow; Mendele-
jew pozostawi¸ rwnieý miejsca na pier-
wiastki jeszcze nie odkryte, ktrych ma-
sy atomowe przewidzia¸.
Systemy porzdkujce pierwiastki
usi¸owano opracowa rwnieý przed
Mendelejewem. Na przyk¸ad w roku
1787 francuski chemik Antoine Lavoi-
sier, wsp¸pracujcy z Antoinem Four-
croyem, Louis-Bernardem Guyton de
Morveau i Claudem-Louis Bertholletem,
przedstawi¸ spis 33 znanych naonczas
pierwiastkw. Spisy te by¸y tylko jed-
nowymiarowe. Si¸a wsp¸czesnej ta-
blicy okresowoæci leýy w dwu-, a nawet
trjwymiarowym przedstawieniu wszy-
stkich znanych pierwiastkw (rwnieý
tych, ktrych jeszcze nie odkryto) w
uk¸adzie precyzyjnie i logicznie rozmie-
szczonych rz«dw i kolumn.
Niemiecki chemik Johann Dbereiner
we wczesnej prbie uporzdkowania
pierwiastkw w sensown tablic« wy-
kaza¸, ýe wiele znanych pierwiastkw
moýna po¸czy ze wzgl«du na ich po-
dobieÄstwo w trzyelementowe grupy,
ktre nazwa¸ triadami. Wydzieli¸ on tria-
d« litu, sodu i potasu oraz chloru, bromu
i jodu. Dostrzeg¸ teý, ýe jeæli pierwiast-
ki w triadzie uporzdkuje si« zgodnie
ze wzrastajc mas atomu, ærodkowy
b«dzie mia¸ w¸aæciwoæci poærednie po-
mi«dzy w¸aæciwoæciami pierwszego
i trzeciego. Na przyk¸ad lit, sd i potas
¸atwo reaguj z wod. Lit, najlýejszy
z triady, reaguje jednak mniej gwa¸-
townie niý dwa pozosta¸e, najci«ýszy
natomiast potas wybucha raptownie.
Dbereiner spostrzeg¸ takýe, ýe masa
atomowa ærodkowego pierwiastka jest
mniej wi«cej æredni arytmetyczn mas
pierwszego i trzeciego.
Praca Dbereinera zach«ci¸a innych
do poszukiwaÄ zwizkw mi«dzy che-
micznymi w¸aæciwoæciami pierwiast-
kw a ich masami atomowymi. W XIX
wieku kontynuowa¸ podejæcie triadowe
m.in. Peter Kremers z Kolonii, ktry za-
sugerowa¸, ýe niektre pierwiastki mo-
g naleýe do dwch triad umieszczo-
nych prostopadle do siebie. Kremers
zapocztkowa¸ zatem nowy kierunek Ð
porwnywanie pierwiastkw w dwch
wymiarach Ð ktry okaza¸ si« pniej
istot systemu Mendelejewa.
W roku 1857 francuski chemik Jean-
-Baptiste-Andr Dumas zrezygnowa¸
z koncepcji triad i skoncentrowa¸ si« na
stworzeniu uk¸adu rwnaÄ matema-
tycznych, ktre mog¸yby opisa wzrost
masy atomowej w kilku grupach podob-
nych pierwiastkw. ûadna jednak pr-
ba uporzdkowania pierwiastkw we-
d¸ug ich mas atomowych nie mog¸a si«
powieæ, poniewaý to nie masa atomo-
wa jest podstawow w¸aæciwoæci cha-
rakteryzujc pierwiastek, o czym wie
dziæ kaýdy chemik.
W¸aæciwoæci okresowe
Najwaýniejsz cech uk¸adu Men-
delejewa by¸o to, ýe ukazywa¸ on okre-
sowoæ, czyli powtarzanie si« w¸aæci-
woæci pierwiastkw w pewnych okre-
ælonych odst«pach. By¸o j wida takýe
we wczeæniejszym usystematyzowaniu
pierwiastkw wed¸ug mas atomowych,
zaproponowanym w 1862 roku przez
francuskiego geologa Alexandra-Emila
de Chancourtois. System ten opiera¸ si«
na doæ skomplikowanej konstrukcji
geometrycznej: de Chancourtois u¸oýy¸
pierwiastki zgodnie z ich wzrastajc
mas atomow na Ð nachylonej pod k-
tem 45¡ do podstawy walca Ð spirali bie-
gncej po jego powierzchni bocznej [
ilu-
stracja na nast«pnej stronie
].
Pierwszy pe¸ny skr«t spirali przypa-
da¸ na tlen, drugi Ð na siark«. Pierwiast-
ki znajdujce si« na tej samej pionowej li-
nii na powierzchni cylindra odznacza¸y
si« podobnymi w¸aæciwoæciami, w kon-
strukcji tej uda¸o si« zatem uchwyci
pewne cechy, ktre mia¸y si« sta pod-
staw pniejszej tablicy Mendeleje-
wa. Mimo to z wielu przyczyn uk¸ad de
Chancourtois nie wywar¸ wielkiego
wp¸ywu na wczesn nauk«: pierwszy
prezentujcy go artyku¸ nie zawiera¸ ry-
sunku tablicy, system by¸ doæ skompli-
kowany, a podobieÄstwa w¸aæciwoæci
chemicznych pierwiastkw nie zosta¸y
przedstawione zbyt przekonujco.
W latach szeædziesitych XIX wieku
swoje wersje uk¸adu okresowego zapro-
ponowa¸o kilku innych badaczy. Pos¸u-
gujc si« nowymi, standaryzowanymi
masami atomowymi, w roku 1864 an-
gielski chemik John Newlands zasuge-
rowa¸, ýe gdy u¸oýy wed¸ug nich pier-
wiastki, kaýdy wykaýe w¸aæciwoæci po-
dobne do wykazywanych przez pier-
wiastek znajdujcy si« osiem miejsc do
przodu lub do ty¸u. Cech« t« Newlands
nazwa¸ ãprawem oktawÓ.
TRîJWYMIAROWA TABLICA przekszta¸ca tradycyjny uk¸ad okresowy w wielowarstwo-
w struktur«. Dawne pionowe kolumny, odpowiadajce grupie pierwiastkw, biegn tu-
taj w d¸ rwnolegle do g¸wnej osi konstrukcji (np. H, Li, Na itd.), a takýe poprzez warstwy.
Pierwiastki umieszczone w warstwach jeden nad drugim, na przyk¸ad He, Ne, Ar, naleý
do tej samej grupy, maj zatem zbliýone w¸aæciwoæci chemiczne. Poziome rz«dy, czyli okre-
sy, tradycyjnej tablicy odpowiadaj wielu warstwom uk¸adu trjwymiarowego. Tablica
unaocznia symetri« uk¸adu okresowego, zw¸aszcza regularnie zwi«kszajcy si« okres, w¸a-
æciwoæ, ktrej na razie nie uda¸o si« w pe¸ni wyjaæni na gruncie mechaniki kwantowej.
å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
63
PIERWSZY UKüAD OKRESOWY opracowa¸ w lutym 1869 roku rosyjski
chemik Dmitrij Iwanowicz Mendelejew. Na tym szkicu pierwiastki s u¸oýo-
ne poziomo, a nie w znajomych kolumnach. Mendelejew sporzdzi¸ wiele ta-
blic obu typw.
JEDN z pierwszych wersji
systemu klasyfikujcego zna-
ne pierwiastki zaproponowa¸
w 1862 roku francuski geolog
Emile Bguyer de Chancour-
tois. Tzw. æruba telluryczna
jest najwczeæniejsz wersj
uk¸adu okresowego.
W swej pierwszej tablicy pozostawi¸
on miejsca na brakujce pierwiastki, ale
jej bardziej rozpowszechniona wersja
z roku 1866 juý ich nie zawiera¸a. Inni
chemicy natychmiast zakwestionowali
tablic«, poniewaý nie dawa¸a moýliwo-
æci w¸czenia do niej nowych pierwiast-
kw, ktre ewentualnie zosta¸yby od-
kryte. Cz«æ naukowcw nawet otwarcie
kpi¸a z pomys¸u Newlandsa. Na spotka-
niu Chemical Society w Londynie w ro-
ku 1866 George Carey Foster z Universi-
ty College London spyta¸ go, czy nie
rozwaýa¸ przypadkiem u¸oýenia pier-
64 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
wiastkw alfabetycznie, bo przecieý kaý-
de uporzdkowanie moýe prowadzi
do przypadkowych zbieýnoæci. W re-
zultacie Chemical Society odmwi¸a pu-
blikacji artyku¸u Newlandsa.
Mimo niech«tnego przyj«cia jego pra-
ca jest pierwszym przypadkiem uýycia
sekwencji liczb naturalnych (opartej na
masach atomowych) do klasyfikacji pier-
wiastkw. Pod tym wzgl«dem New-
lands ubieg¸ autorw wsp¸czesnego
uk¸adu okresowego, ktrzy pos¸uýyli si«
sekwencj tzw. liczb atomowych. (Poj«-
cie liczby atomowej, oznaczajcej liczb«
dodatnio na¸adowanych czstek, czyli
protonw w jdrze atomowym, powsta-
¸o dopiero na pocztku XX wieku.)
Wsp¸czesny uk¸ad okresowy
Julius Lothar Meyer, niemiecki che-
mik z Breslau Universitt, podczas uzu-
pe¸niania w 1868 roku swojego pod-
r«cznika chemii przedstawi¸ uk¸ad okre-
sowy, ktry okaza¸ si« zdumiewajco po-
dobny do s¸ynnej wersji Mendelejewa
z roku 1869, cho Meyer nie wszystkie
pierwiastki sklasyfikowa¸ poprawnie.
Z powodu opnieÄ wydawniczych jego
tablica ukaza¸a si« jednak drukiem do-
piero w roku 1870, co doprowadzi¸o do
ostrego sporu o pierwszeÄstwo mi«dzy
Meyerem a Mendelejewem.
Mniej wi«cej w tym samym czasie
Mendelejew, rwnieý piszc podr«cz-
nik chemii, przygotowa¸ swoj wersj«
tablicy. W przeciwieÄstwie do poprzed-
nikw uczony by¸ tak pewny swego
uk¸adu okresowego, ýe pos¸uýy¸ si« nim
do przewidzenia kilku nowych pier-
wiastkw, a takýe w¸aæciwoæci ich
zwizkw. Wprowadzi¸ rwnieý po-
prawki w masach atomowych paru juý
znanych pierwiastkw. Co ciekawe,
Mendelejew przyzna¸, ýe widzia¸ nie-
ktre wczeæniejsze tablice, na przyk¸ad
Newlandsa, twierdzi¸ jednak, ýe gdy
przygotowywa¸ swj uk¸ad, nie zna¸
pracy Meyera.
Chociaý praca rosyjskiego chemika
przewidywa¸a istnienie nie odkrytych
pierwiastkw, co by¸o z pewnoæci jej
wielk zalet, historycy zbyt pochopnie
uznaj ten fakt za decydujcy o akcep-
tacji uk¸adu Mendelejewa. W uzasad-
nieniu nadania Mendelejewowi w 1882
roku medalu DavyÕego przez Royal So-
ciety of London nie wspomniano o tych
przewidywaniach. Wydaje si«, ýe do
przyj«cia tablicy Mendelejewa w rw-
nej mierze co b¸yskotliwe prognozy
przyczyni¸a si« jego umiej«tnoæ klasyfi-
kacji znanych juý pierwiastkw. Mimo
iý bardzo wielu naukowcw przyczy-
ni¸o si« do opracowania uk¸adu okreso-
wego, zas¸ug« przypisuje si« Mendeleje-
UKüAD OKRESOWY PIERWIASTKîW w jego wsp¸czesnej postaci opracowali niemal
jednoczeænie chemicy Dmitrij Iwanowicz Mendelejew
(z lewej)
i Julius Lothar Meyer
(z prawej)
pod koniec lat szeædziesitych XIX wieku. Tablica Mendelejewa zosta¸a opu-
blikowana najpierw i to on zebra¸ laury za odkrycie chemicznej okresowoæci, po pierwsze,
dlatego ýe dzi«ki niej uda¸o mu si« przewidzie istnienie kilku pierwiastkw, a po drugie,
ýe bardzo energicznie broni¸ poprawnoæci swojej koncepcji.
wowi jako temu, ktry nada¸ owemu
odkryciu rang« prawa przyrody, a po-
nadto reszt« ýycia sp«dzi¸ na odwaý-
nym badaniu implikacji tego systemu
i obronie tezy o jego prawdziwoæci.
Obrona ta nie by¸a ¸atwym zadaniem
Ð w wyniku kolejnych odkry cz«sto
kwestionowano poprawnoæ uk¸adu
okresowego. Powaýnie zagroýony by¸
m.in. w roku 1894, kiedy William Ram-
say z University College London i lord
Rayleigh (John William Strutt) z Royal
Institution w Londynie odkryli argon.
W cigu nast«pnych kilku lat Ramsay
zidentyfikowa¸ cztery inne pierwiastki:
hel, neon, krypton i ksenon Ð znane ja-
ko gazy szlachetne. (Ostatni z nich, ra-
don, odkry¸ w roku 1900 niemiecki fi-
zyk Friedrich Ernst Dorn.)
Nazwa ãszlachetneÓ wzi«¸a si« std,
ýe wszystkie te gazy wydaj si« wyrý-
nia spoærd innych pierwiastkw,
rzadko wchodzc z nimi w reakcje pro-
wadzce do powstania zwizkw. W
rezultacie niektrzy chemicy sugero-
wali, iý gazy szlachetne wr«cz nie na-
leý do uk¸adu okresowego. Ich istnie-
nia nie przewidzia¸ ani Mendelejew,
ani nikt inny. Dopiero po szeæciu latach
intensywnych wysi¸kw chemikw i
fizykw uda¸o si« w¸czy je do uk¸a-
du. Nowa wersja tablicy zawiera¸a do-
datkow kolumn« pomi«dzy fluorow-
cami (grup gazowych pierwiastkw
z fluorem, chlorem, bromem, jodem i
astatem) a metalami alkalicznymi (li-
tem, sodem, potasem, rubidem, cezem
i fransem).
Kwesti kontrowersyjn by¸o tak-
ýe dok¸adne u¸oýenie pierwiastkw.
W oryginalnej tablicy Mendelejewa
pierwiastki rozmieszczone zosta¸y ze
wzgl«du na swoj mas« atomow, w ro-
ku 1913 jednak holenderski fizyk teo-
retyczny-amator Anton van den Broek
zasugerowa¸, ýe pierwiastki powin-
ny by u¸oýone wed¸ug wielkoæci ¸a-
dunku jdra atomu. Hipotez« t« spraw-
dzi¸ w tym samym roku fizyk Henry
Moseley z University of Manchester, na
krtko przed sw æmierci podczas
I wojny æwiatowej.
Moseley rozpocz¸ prac« od sfoto-
grafowania widm rentgenowskich 12
pierwiastkw, z ktrych 10 zajmowa¸o
kolejne pozycje w uk¸adzie okresowym.
Odkry¸ on, ýe cz«stoæci, przy ktrych
pojawia si« w widmach rýnych pier-
wiastkw tzw. linia K, s wprost pro-
porcjonalne do kwadratu liczby ca¸ko-
witej okreælajcej miejsce kaýdego z
pierwiastkw w uk¸adzie okresowym.
Jak sformu¸owa¸ to Moseley, by¸ to do-
wd, ýe ãatomy charakteryzuje pod-
stawowa wielkoæ, ktra zwi«ksza
si« w regularny sposb przy przejæciu
od jednego pierwiastka do drugiegoÓ.
W 1920 roku Ernest Rutherford, ww-
czas z University of Cambridge, okre-
æli¸ j po raz pierwszy jako liczb« ato-
mow; obecnie jest interpretowana jako
liczba protonw w jdrze.
å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
65
Praca Moseleya dostarczy¸a metod«,
ktra pozwala¸a dok¸adnie ustali, ile
wolnych miejsc pozosta¸o w uk¸adzie
okresowym. Po tym odkryciu chemicy
zacz«li uýywa liczby, a nie masy ato-
mowej, jako podstawowej wielkoæci
okreælajcej porzdek w uk¸adzie okre-
sowym. Rozwiza¸o to wiele proble-
mw z u¸oýeniem pierwiastkw. Na
przyk¸ad gdyby jod i tellur zosta¸y upo-
rzdkowane zgodnie z ich mas atomo-
w (jod by¸by pierwszy), ze wzgl«du na
swoje w¸aæciwoæci chemiczne wydawa-
¸yby si« u¸oýone nieprawid¸owo. Gdy
jednak u¸oýy si« je zgodnie z ich liczb
atomow (tellur pierwszy), znajd si«
na w¸aæciwych pozycjach.
wntrz g¸wnej struktury atomu, a nie
okrýaj jdro, jak uwaýa si« dzisiaj,
pierwszy zaj¸ si« w swym modelu roz-
mieszczeniem elektronw w atomie Ð
zagadnieniem podstawowym dla ca¸ej
wsp¸czesnej chemii.
DuÄski fizyk Niels Bohr, ktry po raz
pierwszy zastosowa¸ teori« kwantow
w zwizku z budow atomu, rwnieý
inspirowa¸ si« u¸oýeniem pierwiastkw
w uk¸adzie okresowym Mendelejewa.
W jego modelu atomu, opracowanym
w 1913 roku, elektrony zajmowa¸y cig
koncentrycznych pow¸ok okalajcych
jdro. Bohr rozumowa¸, ýe pierwiastki
z tej samej grupy uk¸adu okresowego
maj prawdopodobnie identyczne kon-
figuracje elektronowe najbardziej ze-
wn«trznej pow¸oki i ýe ich w¸aæciwoæci
chemiczne s w znacznej mierze zale-
ýne od u¸oýenia elektronw w tej w¸a-
ænie pow¸oce.
Model atomu Bohra pos¸uýy¸ rwnieý
do wyjaænienia, dlaczego gazy szlachet-
ne s nieaktywne chemicznie. Poniewaý
maj one ca¸kowicie zape¸nione elektro-
nami pow¸oki zewn«trzne, s niezwy-
kle trwa¸e, a zatem niech«tnie tworz
zwizki. W istocie Ð wi«kszoæ innych
pierwiastkw wchodzi w reakcje, aby
w pe¸ni obsadzi elektronami pow¸oki
zewn«trzne. Niedawno przeæledzono
drog« rozumowania, ktra pozwoli¸a
Bohrowi dojæ do konfiguracji elektrono-
wych. Okaza¸o si«, ýe wbrew temu, co
sdzono, rozumowa¸ on raczej jak che-
mik. Nie wyprowadzi¸ konfiguracji elek-
tronowych z teorii kwantowej, lecz do-
szed¸ do nich na podstawie znanych
chemicznych i spektroskopowych w¸a-
æciwoæci pierwiastkw.
W 1924 roku inny fizyk, pochodzcy
z Austrii Wolfgang Pauli, zabra¸ si« do
wyjaænienia d¸ugoæci rz«du, czyli okre-
su, w uk¸adzie okresowym. Rezulta-
tem by¸ tzw. zakaz Pauliego, zgodnie
z ktrym dwa elektrony nie mog jed-
noczeænie istnie w tym samym stanie
kwantowym, opisanym przez parame-
try zwane liczbami kwantowymi. D¸u-
goæci nast«pujcych po sobie okresw
wynikaj z doæwiadczalnych dowodw
dotyczcych kolejnoæci zape¸niania po-
w¸ok elektronowych oraz z kwantowo-
-mechanicznych ograniczeÄ dotycz-
cych czterech liczb kwantowych, kt-
re okreælaj stan elektronu.
Modyfikacje teorii kwantowej doko-
nane przez Wernera Heisenberga i Erwi-
na Schrdingera w po¸owie lat dwudzie-
stych nada¸y mechanice kwantowej jej
obecn posta. Wp¸yw tych zmian na
uk¸ad okresowy by¸ jednak raczej mini-
malny. Mimo wysi¸kw wielu fizykw
i chemikw mechanika kwantowa nie
potrafi dok¸adniej wyjaæni podstaw
uk¸adu okresowego. Jej prawa nie t¸u-
macz na przyk¸ad kolejnoæci, w jakiej
elektrony zape¸niaj rýne pow¸oki elek-
tronowe. Wykorzystujc mechanik«
kwantow, nie moýemy bezpoærednio
otrzyma konfiguracji elektronowej ato-
mw, na ktrej jest oparta wsp¸czesna
koncepcja uk¸adu okresowego. Po pier-
wsze, dlatego ýe nie daje si« uzyska
dok¸adnego rozwizania podstawowe-
Zrozumienie atomu
Uk¸ad okresowy inspirowa¸ nie tyl-
ko chemikw, ale rwnieý fizykw d-
ýcych do zrozumienia struktury ato-
mu. W 1904 roku pracujcy w Cam-
bridge Joseph J. Thomson (ktry by¸ po-
nadto odkrywc elektronu) opracowa¸
model atomu, zwracajc szczegln
uwag« na okresowoæ pierwiastkw.
Wysun¸ on hipotez«, ýe atom danego
pierwiastka zawiera okreælon liczb«
elektronw rozmieszczonych na kon-
centrycznych pieræcieniach. Twierdzi¸
teý, ýe pierwiastki o zbliýonych konfi-
guracjach elektronowych powinny mie
podobne w¸aæciwoæci. Thomson opra-
cowa¸ zatem wyjaænienie okresowoæci
pierwiastkw. Chociaý wyobraýa¸ so-
bie, ýe pieræcienie elektronw leý we-
1
POPULARNA WERSJA UKüADU OKRESOWEGO Ð znana ja-
ko forma d¸uga Ð znajduje si« w kaýdej niemal pracowni che-
micznej lub sali wyk¸adowej na æwiecie. Zalet tej tablicy jest
klarowne przedstawienie w postaci kolumn grup pierwiastkw
o podobnych w¸aæciwoæciach chemicznych, nie ukazuje ona na-
tomiast symetrii uk¸adu. (Kolorami oznaczono pierwiastki o tym
samym typie zewn«trznej pow¸oki elektronowej.)
2
H
He
3
4
5
6
7
8
9
10
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
11
12
13
14
15
16
17
18
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
55
56
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
Cs
Ba
Lu
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
87
88
103
104
105
106
107
108
109
110*
111*
112*
113
114
115
116
117
118
Fr
Ra
Lr
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
* Pierwiastki odkryte,
ale jeszcze oficjalnie
nie nazwane
Pierwiastki jeszcze
nie odkryte
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Td
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
66 å
WIAT
N
AUKI
Listopad 1998
[ Pobierz całość w formacie PDF ]