2019 - A Periódusos Rendszer Nemzetközi Éve

Az ENSZ közgyűlése 2017. december 20-án, 74. plenáris ülésén a 2019-es évet a Periódusos Rendszer Nemzetközi Évének nyilvánította.
Ennek célja, hogy felhívják a figyelmet a kémia fontosságára a fenntartható fejlődés előmozdításában, valamint az energiaipar, az oktatás, a mezőgazdaság és az egészségügy globális kihívásainak megoldásában.

A periódusos rendszert 1869-ben hozta nyilvánosságra Dimitrij Ivanovics Mengyelejev orosz kémikus és az idén ünnepli 150. születésnapját. Azóta is folyamatosan gyarapodott és tovább bővítette ismereteinket a kémiai elemekről.

"Ős periódusos rendszer" három évvel Mengyelejev publikációja után

Mivel a kémia az egyik fő témaköröm, az évek során - mint korábban a Föld éve vagy a kémia éve kapcsán is - "kötelességemnek" érzem, hogy én is készítsek egy összeállítást periódusos rendszerről. Kicsit szeretném körüljárni az előzményeket és a keletkezése óta eltel 150 évben végbement fejlődést. Mindenképpen meg kell emlékezni az alkotóról Mengyelejevről is. Az összeállítást egy kezdeti állapotában már feltettem és év közben még tovább bővítem majd.

Az összeállításban felhasználtam az Élet és Tudomány 2019/1 számában a témáról írtakat.

 


A rendszer, Az alkotó, Az előzmények, Amit azóta megismertünk,

 

A rendszer

A periódusos rendszer az egyik legjelentősebb mérföldkő a tudományban, mivel egységet teremt a csillagászat, a kémia, a fizika, a biológia és más természettudományok között.

Ha valaki tanult valaha kémiát , biztosan maradt valami "emlékképe" a periódusos rendszerről, még akkor is, ha nem szerette a kémiát. A fentebb látható megjelenési forma időről-időre változott, változik, nehéz két egyforma változatot találni, de a mögötte rejlő törvényszerűségek változatlanok. Nem egy egyszerű táblázatról van szó, egy természeti törvényt, a periodicitás törvényét jeleníti meg, aminek az okát csak az elektronok sokoldalúságának megismerésével sikerült megfejteni.

A periódusos rendszer a csillagok magjában fúzióval és a szupernóva robbanásokban létrejött elemeket tartalmazza. Ekkor alakult ki a periodicitás, hiszen az atomtömeg monoton változik a rendszám függvényében.

Bizonyos periodicitást már Mengyelejev előtt is észrevettek (Döbereiner - triádok, Newlands-törvénye).
Mengyelejev jött rá arra, hogy az atomtömeg mellett a vegyülési arány, a vegyérték is fontos, néha fontosabb. Például az ón és az ólom a szénhez hasonló oxidjaik (vagyis a vegyértékeik) miatt kerültek ugyanabba az oszlopba.
Később jött rá Moseley, hogy a rendszerezés elvénél nem az atomtömeg, hanem az "atomszám", vagyis az elektronok számát meghatározó protonok száma, a rendszám fontos.

Mengyelejev rendszerezése tulajdonképpen a kor szintézise. Kifejezi, hogy a vegyülési törvények az összes elemre érvényesek. Ezt az űrkémia, a meteoritok, az üstökösök, a holdkőzetek összetételei, a különböző csillagászati eszközökkel végzett spektroszkópiai vizsgálatok igazolták.

A periódusos rendszer Mengyelejev nyomán táblázatból törvénnyé emelkedett. Ez a törvény határozta meg a legősibb vegyületek kialakulását, amikből az ásványok, kőzetek, égitestek kialakultak.

A periodicitás törvényének az atommodellek fejlődésében is lényeges szerepe volt. (Lásd lentebb az "Amit azóta megismertünk" részben.

 

Az alkotó

Dimitrij Ivanovics Mengyelejev (1834 - 1907) orosz vegyész, természettudós
Tobolszkban született, a helyi gimnázium igazgatójának tizenhetedik (és tizenharmadik életben maradt) gyermekeként.
Anyja üveggyárában is dolgozott itt, s első kémialeckéit egy száműzött politikai fogolytól kapta.
Gyáruk leégése után az elszegényedett család Moszkvába költözött.
Moszkvában nem sikerült egyetemre bejutnia, végül Pétervárott végezte el a tanárképző főiskolát.
Diplomájának megszerzése után tüdőbajt fedeztek fel nála, ezért az orvosok tanácsára a Krím-félszigeten helyezkedett el.
1856-ban gyógyultan tért vissza Moszkvába, ahol fizikai kémiai értekezésével magiszteri címet szerzett, majd egy év múlva egyetemi oktató lett.
1859-ben állami ösztöndíjjal két évre Heidelbergbe küldték, ahol Bunsennel dolgozott, a molekulák kohézióját és a spektroszkópot tanulmányozta.
Hazatérve 1864-ben a műegyetem kémia professzora Szentpéterváron.
Később a Szentpétervári Egyetem általános kémiai tanszékének vezetője lett, s az intézményt nemzetközileg is elismert tudományos központtá alakította.
1868-70 között írta klasszikus művét, A kémia alapjait - ez a legjobb és legszokatlanabb orosz nyelvű kémiakönyv.
Egy használható osztályozás kidolgozására törekedve kezdte vizsgálni a kémiai elemek atomsúlyai közötti kapcsolatokat és szabályszerűséget vett észre (A törvényszerűséget a német Lothar Meyer is észrevette, de a felfedezést Mengyelejev publikálta előbb.)
1869-ben publikálta a nevét világhírűvé tevő periódusos rendszert
Mengyelejev a rendszer logikája alapján meg merte változtatni az egyes elemek sorrendjét, s az akkor ismert 63 elem mellett üres helyeket is hagyott. Sőt, megjósolta az oda illő új elemek létét és tulajdonságait is, amihez nem kevés tudományos bátorságra volt szükség.
A rendszer helyessége 1875-ben bizonyosodott be, amikor felfedezték a Mengyelejev által ekaaluminiumnak nevezett anyagot, a galliumot, amely fizikai tulajdonságaival pontosan beleillett az üresen hagyott rubrikába, majd néhány év múlva a germániumot és szkandiumot.
Mengyelejev hirtelen a világ legismertebb és legelismertebb vegyésze lett, csak úgy záporoztak rá a tudományos elismerések.
1867-ben Párizsban szerzett ismereteket az orosz szódagyártás fejlesztéséhez.
1876-ban az Egyesült Államokban a kőolaj-bányászatot tanulmányozta a kaukázusi kőolaj-kitermelés megszervezése érdekében.
Nagy szerepe volt a donyecki kőszénmezők feltárásában és kiaknázásában is, s ő dolgozta ki az ásványi szenek fűtőértékét meghatározó eljárást.
A fizikai kémia terén végzett vizsgálatai közöl kiemelkedik a kritikus hőmérséklet létezésének megállapítása1860-ban, amely felett a gázok nem cseppfolyósíthatóak.
Felismerte az általános gáztörvényt: a nyomás, hőmérséklet és térfogat kapcsolatát.
Kutatta az oldatok kémiáját, s a vegyészet mezőgazdasági hasznosítását.
Feltalált egy füst nélküli lőport.
Nagy érdemeket szerzett az állami mérésügy vezetőjeként.
Foglalkozott a hőtani jelenségekkel, a különféle halmazállapotú testek kiterjedésével, fizikai, kémiai átalakulásaival.
Léghajóval is kísérletezett, 1887-ben teljesen egyedül emelkedett a magasba, hogy lefényképezzen egy napfogyatkozást, s bár a jármű kezeléséről semmit sem tudott, biztonságban ért földet.
Liberális nézetei, a diákság elnyomását bíráló nyilatkozatai miatt többször került összeütközésbe a cári rendszerrel.
1880-ban nem választották meg az akadémia rendes tagjává.
1890-ben a diákság egy petíciójának támogatása miatt nyugdíjazták, s többé nem kapott tudományos beosztást.
Mengyelejev az egyszerű emberekkel rokonszenvezett, még világhírű tudósként is a vonat harmadik osztályán utazott, hogy társaságukban lehessen.
Lánglelkű hazafi is volt, így a rendszerrel szemben táplált fenntartásai ellenére az orosz-japán háború 1904-es kitörése után támogatta a háborús erőfeszítéseket.
1906-ban, néhány hónappal halála előtt felmerült a neve a Nobel-díj kapcsán, de a kitüntetést végül a francia Henri Moissan kapta.
Szentpétervárott halt meg.
Nevét a periódusos rendszer 101-es rendszámú,1955-ben felfedezett, eleme a mendelévium (Md) őrzi.

 

Előzmények

Mi vezetett a periódusos rendszer felismeréséhez, kik járultak hozzá.

Bár közvetlenül nincs köze a periódusos rendszerhez, mindenképpen meg kell említeni Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) francia kémikust, a modern kémia megteremtőjét.
A kémiában ő kezd el először mérni, ő vezeti be a mérleget, mint elengedhetetlen segédeszközt.
A levegő és a víz összetett voltának a felfedezése, az oxigén, a nitrogén és a hidrogén megismerése kapcsán a mai felfogáshoz hasonlóan minősítette az egyes anyagokat elemmé. Szerinte az elemeket kémiai módszerekkel nem lehet tovább bontani.
Mérés nélkül a vegyületekben az elemek tömegarányainak megismerése nem lenne lehetséges és nehezen jutottunk volna el a periodicitás törvényéhez.

Fontos lépés volt a periódusos rendszerhez, Johann Wolfgang Döbereiner (1780 - 1849) német vegyész felismerése.
1829-ben felhívta a figyelmet a triádokra (pl. klór, bróm, jód).
Megállapította, hogy az elemeket atomtömegük szerint sorrendbe állítva, bizonyos tulajdonságaikban ismétlődés (periodicitás) fedezhető fel.

John Alexander Reina Newlands (1837 - 1898) angol vegyész állította össze a kémiai elemek első periódusos rendszerét az atomtömegeik alapján sorba rendezve.
1865-ben publikálta az oktáv törvényt, ezzel ő is hozzájárult a periódusos rendszer kialakításához

Julius Lothar Meyer (1830 - 1895) német vegyész 1864-ben megjelent A kémia korszerű elmélete című művében közölt egy 28 elemből álló táblázatot, a vegyértékeik alapján csoportosítva.
1868-ban már egy 57 elemből álló rendszert készített, de azt csak Mengyelejev periódusos rendszerének megjelenése után tette közzé.
Megállapította, hogy az atomsúllyal szabályosan változik a kémiai elemek atomtérfogata.

 

Amit azóta megismertünk

Milyen ismeretekkel gazdagodtunk azóta. Kik járultak hozzá a kémiai elemkel kapcsolatos ismereteink bővítéséhez. Mi kellett még a jobb megértéshez.

Henry Gwyn-Jeffreys Moseley (1887 - 1915) angol fizikus, kémikus az elemek röntgenszínképét vizsgálta.
1913-ban felfedezte a róla elnevezett törvényt, amelyben egyszerű összefüggést mutatott ki a röntgenszínképvonalak frekvenciája és a kibocsátó elem rendszáma között.
Ezzel bebizonyosodott, hogy az elemek periódusos rendszerben elfoglalt helyét a rendszám (az atommagban lévő töltések - a protonok - száma) határozza meg.
Felfedezése hozzájárult az atomszerkezet felfedezéséhez.

Friedrich Hund német fizikus.
A róla elnevezett Hund-szabályok az atomok spektrumát értelmezik. Egy sok elektronos atomban, két azonos n és l kvantumszámú elektron legalacsonyabb energiaszintű konfigurációjának meghatározására használatos.

Az oktett viselkedés megértéséhez szükség volt az elektronok hullámtermészetének és mágneses viselkedésének megértésére. Ehhez járult hozzá ő is.

Wolfgang Pauli (1890-1958) osztrák-svájci Nobel-díjas (1945) elméleti fizikus.
1925-ben megfogalmazta az atomfizika róla elnevezett kizárási elvét (Pauli-elv).

Az oktett viselkedés megértéséhez szükség volt az elektronok hullámtermészetének és mágneses viselkedésének megértésére. Ehhez járult hozzá ő is.

Frederick Soddy (1877-1956) angol Nobel-díjas (1921) kémikus.
1902-ben a radioaktív anyagok vizsgálata során Rutherforddal arra a következtetésre jutnak, hogy a sugárzás atomátalakulással jár. Bevezetik a felezési idő fogalmát.
1911-ben bevezeti az izotóp kifejezést az azonos kémiai sajátosságot mutató, de különböző tömegszámú elemekre. (iszosz, gör.= azonos; toposz, gör.= hely) Soddy az izotópok létezését a radioaktivitással kapcsolatban vezette be. Nyitott maradt az a kérdés, hogy nem radioaktív elemeknél is fordulnak - e elő ilyenek?

Niels (Henrik David) Bohr (1885-1962) Nobel-díjas dán fizikus.
Nagyban előmozdította az atomszerkezet-elmélet fejlődését, amikor a hidrogén színképét egy atommodell és a kvantumtérelmélet segítségével értelmezte (1913).

Sikerült megjelenítenie az atomi építkezés logikáját, a szerkezet és a tulajdonság közötti ok-okozati összefüggést. A tulajdonságok periodikus ismétlődése az elektronburok héjszerkezetében tükröződik. A legkülső vegyértékelektronok azonos száma hasonló (atomi) tulajdonságokat kölcsönöz. Egy-egy héjhoz maximálisan annyi elektront rendelt, ahány elem alkotja az adott periódust.
Bohr atommodellje volt az első, ami a kémikusok számára is alkalmazhatóvá vált, mert megmagyarázhatóvá tette az ionos vegyületek képződési arányát.

A kevés elektronnal és kis elektronvonzó képességgel rendelkező fémek elektronátadással, míg a nagy magvonzású nemfémes elemek elektronátvétellel egészülnek ki a nemesgázokra jellemző oktett szerkezetté. A cserélt elektronok szükségszerű egyenértékűségéről Faraday második törvénye gondoskodik: Ugyanannyi töltés (vagyis elektron) áthaladása során a reakciópartnerek egymással egyenértékűek, amely nem csak az elektrolízisre, hanem a redoxireakciókra is érvényes. A redoxiegyenletek rendezése során alkalmazott matematikai fogalom, a legkisebb közös többszörös a cserélt elektronok egyenértékűségén keresztül a kémiai egyenértékűséget, a reakciópartnerek egyenértékűségét fejezi ki.
A különböző oszlopokban lévő elemek különböző számú vegyértékelektronnal rendelkeznek, ennek ellenére az egyenértékűség törvényének betartásával az elektronokkal "szabadon kereskedhetnek".
A vegyjelek azonban nem fejezik ki, hogy a hidrogén, az oxigén, a nitrogén kétatomos molekulákat alkot. Annak ellenére, hogy a molekulák (képletek) közvetlenül nem jelennek meg a periódusos rendszerben, a hidrogénmolekulának fontos szerepe volt az elemek sorbaállításában. A molekula fogalma Avogadro nevéhez fűződik.

Amedeo Avogadro (1776-1856) olasz tudós.
1811-ben megalkotta a róla elnevezett Avogadro-tételt, amely szerint egyező hőmérsékletű és nyomású tökéletes gázok egyenlő térfogatai egyenlő számú molekulát tartalmaznak.


Tekintélyes kortársai nem csak életében, hanem halála után még sokáig nem fogadták el felfedezését, pedig az a vegyülő gázok térfogati törvényének értelmezéséből szükségszerűen következett. A molekulák tagadásának az lett a következménye, hogy a viszonyítási alapul, tömegegységnek választott hidrogént változatlanul atomos állapotúnak kezelték és a tömegét 1-nek vették.
Az elemek sorbaállítása szempontjából viszont nélkülözhetetlen volt a relatív atomtömeg minél pontosabb értéke.

Stanislao Canizzaro (1826-1910) olasz kémikus.
1811-ben Avogadro elméletét vizsgálva megállapította a különbséget az atomok és a molekulák között. Ennek alapján bevezette az atomtömeget és molekulatömeget a kémia számítások alapjaként.


Canizzaro Avogadro elmélete alapján belátta, hogy ha a hidrogént kétatomos molekulaként kezelik, vagyis a tömegét 2-nek veszik, akkor megszűnik a probléma. Az atomtömegek körüli zűrzavar tisztázása érdekében 1860-ban konferenciát hívtak össze Karlsruhéban. Canizzaro megpróbálta elfogadtatni Avogadro cikkét, de érdektelenség fogadta. A kevesek között az érdekelt, a periódusos rendszerén dolgozó Meyer döbbent rá az igazságra.

A Bohr-modell teljesítőképességét 1916-ban Lewis terjesztette ki a molekulákra.

Gilbert Newton Lewis (1875-1946) Amerikai fizikai-kémikus.

Legismertebb munkáját az I. világháború alatt adták ki. Ebben kidolgozta az atomok közötti kötések és a közös elektronok (kovalens kötések) leírását, s ezzel alapvető hatást gyakorolt a kémia fejlődésére.
1923-ban újradefiniálta a sav fogalmát, bármely atomra, amely elektront képes felvenni (Lewis-sav), hogy a nyolcas stabil héjat kialakítsa.
Ennek nyilván ellenkezője a bázis, amely elektron donor (Lewis-bázis).

Lewis már nem jutott Avogadro sorsára. A megoldásra annyira szükség volt, hogy senki sem gondolkodott el azon a zavarba ejtő kérdésen, hogy a (kötő és nem kötő) párokat alkotó elektronok miért nem taszítják egymást. A nemesgázszerkezetre történő törekvés egyszerűen vitathatatlan törvénnyé vált.

A háttérben lévő okok feltárásához azonban már kevés volt Bohr törvényszerű atommodellje. A megértés érdekében az elektron további tulajdonságait kellett megismerni.

Stern és Gerlach felfedezi, hogy az elektronok nemcsak elektromos töltéssel, hanem saját mágnességgel is rendelkeznek.

Otto Stern (1888 - 1969) német származású fizikus
1922-ben Walter Gerlachhal felfedezik a róluk elnevezett Stern-Gerlach effektust, ami a mágneses mező kvantáltságát igazolta.

Walter Gerlach (1889 - 1979) német fizikus
1922-ben Otto Sternnel felfedezik a róluk elnevezett Stern-Gerlach effektust, ami a mágneses mező kvantáltságát igazolta.

Az új tulajdonsághoz fűződő következmények vetekednek az elektron de Broglie által felfedezett hullám sajátságával (kémiai alkalmazásra lefordítva: az elektron delokalizációs hajlamával).

Louis Victor Prince de Broglie (1892-1981) francia Nobel-díjas (1929) fizikus.
Híres doktori értekezését 1924-ben nyújtotta be a hullám-részecske dualitásról, amelyben az anyaghullám modellt javasolta. Ebben a munkájában összeegyeztette a fény hullám és korpuszkuláris elvét, és fontos a kvantumelméletben.

Mert, amíg két elektron azonos mágneses beállítással kétszeresen is taszítja egymást, két ellentétes mágnesezettségű elektron párt alkothat.

Az oktett viselkedés megértéséhez szükség volt az elektronok hullámtermészetének és mágneses viselkedésének megértésére is. A Hund-szabályok és a Pauli-elv határozza meg a héjak és alhéjak kialakulását. Az oktett tulajdonképpen négy elektronpárból álló, négy állóhullám állapot, egy gömbszimmetrikus (2s) és három, egymástól független irányba álló, egy csomósíkkal rendelkező állapot (2px, 2py, 2pz).

Az elektron sokoldalúságát figyelembe vevő kvantummechanikai atommodell egyszerre magyarázza meg, hogy miért nyolc elemből áll a második periódus, és mit jelent oktett elméletet ihlető, reakcióképtelen nemesgáz szerkezet. (A párosítatlan elektronok a gyökökben társat keresnek - reakcióképesek, az atomon belül párt alkotó elektronok már nem keresnek társat más részecskében.)
Az oktett elmélet lényege valójában nem is a nyolc, hanem a négyszer kettő, vagyis négy elektronpár.

A szélsőséges tulajdonságokkal rendelkező nátrium- és klóratomok egy-egy párosítatlan elektronnal rendelkeznek, ezért rendkívül reakcióképesek. A nátriumatom egy vegyértékelektronjának átadásával elveszíti párosítatlan elektronját, míg a klóratom párosítatlan elektronja "párra talál". A kialakuló négyszer kettes nemesgáz-elektronszerkezet egyúttal nemesgáz tulajdonságot kölcsönöz. Hiszen ezek az ionok szervezetünk élettani folyamataiban (például ingerületvezetés) megnyugtató megmaradással hordozzák egységnyi elektromos töltésüket, és nem lépnek reakcióba még a közeget képező vízmolekulákkal sem.

A Newlands által megsejtett oktáv törvényt 150 éve tökéletesítette Mengyelejev a periódusos rendszer mégis örökifjú, mert állandóan megújul. Részben az "átszabások", részben az újabb elemek felfedezése miatt.

Rutherford Nobel-díjjal jutalmazott elemátalakítása a vörös óriásokban lejátszódó fúzió egyik lehetséges lépését idézi fel:

14N + 4He = 17O + 1H

Ernest Rutherford (1871-1937) újzélandi születésű angol Nobel-díjas (1908) fizikus.
A Manchesteri Egyetemen 1911 végzett híres szóráskísérlete előtt úgy képzelték, hogy az atomok puha pozitív töltésű pacnik, amelyek magukba foglalják az elektronokat. De amikor Rutherford vékony aranyfóliát bombázott pozitív töltésű alfa-részecskékkel, azt tapasztalta, hogy a részecskék elég nagy hányada visszapattan.

A berillium alfa-részecskékkel történő besugárzása a neutron felfedezéséhez vezetett.

James Chadwick (1891-1947) angol Nobel-díjas (1935) fizikus.
1932-ben Chadwick alapvető felfedezést tett nukleáris tudomány területén, igazolta a neutronok létezését. Ezzel egy új hatékony, töltés nélküli részecske állt rendelkezésre a nehéz atommagok hasítására. Ezzel előkészítette az utat az urán 235 hasítása és az atombomba létrehozása felé.

A neutronbesugárzást követő neutronbefogás újabb lehetőséget jelentett az atommagok mesterséges átalakítására. Az első hidrogénbomba felrobbantása után a neutronsugárzás következtében két új elemet fedeztek fel, az einstenium (99ES) és a fermiumot (100Fm).

Az egyre nagyobb energiájú részecskegyorsítókban (a képen az LHC részlete), atommagütköztetőkben rövid időre megjelennek olyan atommagok (elemek) is, amelyeket rövid élettartamuk miatt a földkéreg már nem tartalmaz.
A 118-as rendszámú elem felfedezésével a periódusos rendszer lezártnak tűnik. A nagyenergiájú kísérletekben azonban további atommagok keletkezése is várható még.
A periódusos rendszer a törvények rejtőzködő szintézise. Az atomok alkotórészeinek megfelelően, a héj a kémia, az atommag az elemek sokféleségének határával vagy határtalanságával a nagyenergiájú fizika törvényeit hordozza. A szerveződési szinteken egyre lejjebb haladva, a halmaz szintű törvények okainak megismerése újabb törvények felfedezéséhez vezettek, melyek oka egyelőre éppúgy ismeretlen, mint a korábbiaké volt.


Felhasznált irodalom