Σάββατο, 13 Ιουλίου 2013

«Ατίθασα» υπερβαρέα χημικά στοιχεία



Ο περιοδικός πίνακας οργανώνει τα στοιχεία με βάση επαναλαμβανόμενα μοτίβα στις χημικές τους ιδιότητες. Αυτές οι ιδιότητες καθορίζονται από τις τροχιές των ηλεκτρονίων των ατόμων γύρω από τον πυρήνα, τα «τροχιακά» και ιδιαίτερα τα εξωτερικά. Ανεβαίνοντας από τους μικρούς ατομικούς αριθμούς προς τους μεγαλύτερους, οι δομές των εξωτερικών τροχιακών αλλάζουν με έναν επαναλαμβανόμενο, περιοδικό τρόπο. Ετσι, τα στοιχεία 5 ως 10 έχουν εξωτερικά τροχιακά τύπου p και αυτά επαναλαμβάνονται πάλι για τα στοιχεία 13 ως 18, γι' αυτό όλα ανήκουν στο ίδιο p-block.


Πλήρης για πρώτη φορά στην ιστορία ο περιοδικός πίνακας


Το 2010 Ρώσοι ερευνητές ανακοίνωσαν τη σύνθεση ενός νέου χημικού στοιχείου, με ατομικό αριθμό 117 (αριθμός πρωτονίων στον πυρήνα). Ολα τα στοιχεία μέχρι το 116, αλλά και το 118 είχαν ανακαλυφθεί νωρίτερα και έτσι το στοιχείο 117 γέμισε το εναπομένον κενό στην κάτω σειρά του περιοδικού πίνακα των στοιχείων (μέχρι να γίνει νέα επέκτασή του όταν συντεθεί ένα ακόμα βαρύτερο στοιχείο, σε κάποιο εργαστήριο φυσικής). Τότε θα χρειαστεί να προστεθεί νέα σειρά και θα δημιουργηθούν νέα κενά. Ο περιοδικός πίνακας, που συντάχθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1860 από τον Ρώσο χημικό Ντμίτρι Μεντελέγιεφ, ήταν η πρώτη επιτυχής κατάταξη των χημικών στοιχείων που ήταν γνωστά εκείνη την εποχή. Γι' αυτό ο πίνακας είχε αρκετά κενά, που ο Μεντελέγιεφ θαρραλέα πρόβλεψε ότι θα γεμίσουν με τα νέα στοιχεία που θα ανακαλυφθούν κάποια μέρα. Αμέτρητες αναθεωρήσεις του πίνακα έγιναν από τότε, αλλά όλες είχαν κενά, μέχρι τώρα. Με το στοιχείο 117 ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων είναι πλήρης για πρώτη φορά.

Προβλέψεις που δικαιώθηκαν

Ο Μεντελέγιεφ δεν επιβεβαιώθηκε μόνο ως προς την πρόβλεψη της συμπλήρωσης του πίνακα στο μέλλον. Επιβεβαιώθηκε και ως προς την ακόμα πιο θαρραλέα και επιστημονικά σωστή πρόβλεψη ότι και τα νέα στοιχεία που θα ανακαλυφθούν θα έχουν χημικές ιδιότητες ανάλογες με εκείνα που βρίσκονται ψηλότερα απ' αυτά στην ίδια στήλη. Αυτό είναι οριστικά αποδεδειγμένο και ισχύει για τα στοιχεία ως το ουράνιο, εκείνα δηλαδή που υπάρχουν στη φύση (με ελάχιστες εξαιρέσεις), εκείνα με τα οποία έρχεται σε επαφή η συντριπτική πλειοψηφία των χημικών, αλλά και των ανθρώπων γενικότερα.
Επιβεβαιώνοντας μια από τις αρχές του διαλεκτικού υλισμού, την αρχή που αφορά το πέρασμα της ποσότητας σε νέα ποιότητα, τα υπερβαρέα στοιχεία, όπως το στοιχείο 117, επιδεικνύουν χημικά χαρακτηριστικά ποιοτικά διαφορετικά από τα ελαφρύτερα στοιχεία, θέτοντας σε αμφισβήτηση τον κανόνα της περιοδικότητας που ανακάλυψε ο Μεντελέγιεφ. Οι χημικές αλληλεπιδράσεις τους, οι τύποι δεσμών που σχηματίζουν με άλλα είδη ατόμων, δε μοιάζουν με εκείνους άλλων στοιχείων της ίδιας στήλης (ομάδας) του περιοδικού πίνακα. Ο λόγος είναι ότι μερικά από τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τους βαρύτερους πυρήνες κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες (ταχύτητες που είναι σημαντικό κλάσμα της ταχύτητας του φωτός). Ετσι τα άτομα συμπεριφέρονται διαφορετικά απ' ό,τι προβλέπει η θέση τους στον πίνακα. Επιπλέον, γίνεται πολύ δύσκολη η πρόβλεψη της χημικής συμπεριφοράς τους.

Χορός τροχιακών

Οπως κατάλαβαν οι επιστήμονες στο πρώτο μισό του 20ού αιώνα, η περιοδικότητα των στοιχείων οφείλεται στην κβαντομηχανική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων τους και ιδιαίτερα στον αριθμό των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στοιβάδας και τη μορφή των τροχιακών τους. Τα τροχιακά (κατανομές πιθανοτήτων για το πού βρίσκεται κάθε στιγμή το ηλεκτρόνιο) έχουν διάφορα σχήματα και μεγέθη. Ατομα με μεγαλύτερο ατομικό αριθμό έχουν τα ίδια τροχιακά, όπως εκείνα με χαμηλότερο, συν κάποιους επιπλέον τύπους τροχιακών. Ετσι, τα στοιχεία της πρώτης περιόδου (σειράς) του περιοδικού πίνακα έχουν μόνο ένα είδος τροχιακού, τύπου s, που μπορεί να περιέχει μέχρι δύο ηλεκτρόνια. Τα στοιχεία της δεύτερης και τρίτης περιόδου έχουν ένα επιπλέον τροχιακό s, συν τρία τροχιακά τύπου p. Τα 4 επιπλέον τροχιακά δέχονται από δύο ηλεκτρόνια το καθένα, άρα συνολικά 8 ηλεκτρόνια μέχρι να συμπληρωθούν πλήρως, απ' όπου προκύπτει και η περιοδικότητα κατά οκτάδες στοιχείων. Η τέταρτη και η πέμπτη περίοδος προσθέτουν και ένα τρίτο είδος τροχιακού, το d, με 10 θέσεις για ηλεκτρόνια, απ' όπου προέρχεται η περιοδικότητα κατά δεκαοκτάδες (8+10). Οι τελευταίες δύο περίοδοι έχουν και τροχιακά τύπου f, που επιδέχονται 14 ηλεκτρόνια και γι' αυτό παρουσιάζουν περιοδικότητα ανά 32 στοιχεία (18+14).
Αν συντεθούν στο εργαστήριο νέα στοιχεία (με σύγκρουση πυρήνων ελαφρύτερων στοιχείων), τότε αυτά θα καταλάβουν τις θέσεις 119 και 120, αλλά από το 121 και πάνω θα χρειαστεί νέα σειρά στον πίνακα και τα στοιχεία που θα τοποθετηθούν σε αυτή θα έχουν ένα νέο τροχιακό, το g. Τα νέα τροχιακά προσθέτουν νέες δυνατότητες για τα ηλεκτρόνια και διευρύνουν την περιοδικότητα, αυξάνοντας τον αριθμό των στηλών. Η νέα περίοδος προβλέπεται ότι θα έχει 50 στοιχεία.

«Δάκτυλος» του Αϊνστάιν

Οταν ανεβαίνει ο ατομικός αριθμός, το φορτίο του πυρήνα αυξάνεται, λόγω των παραπάνω πρωτονίων. Οσο αυξάνεται το φορτίο αυξάνεται και η ταχύτητα των ηλεκτρονίων στα εσωτερικά τροχιακά, μέχρι του σημείου που η ειδική σχετικότητα να αρχίζει να παίζει μεγαλύτερο ρόλο στην ερμηνεία της χημικής συμπεριφοράς των ατόμων. Η μεγαλύτερη έλξη του πυρήνα συρρικνώνει και κάνει πιο σταθερά τα εσωτερικά τροχιακά s και p, με αντανάκλαση και στα πιο μακρινά, που επίσης συρρικνώνονται, επίδραση που φτάνει ως τα εξωτερικά τροχιακά, τα τροχιακά σθένους, εκείνα που καθορίζουν τις χημικές ιδιότητες. Τα πράγματα γίνονται πιο περίπλοκα από το γεγονός ότι ένα έμμεσο σχετικιστικό φαινόμενο αποσταθεροποιεί τα τροχιακά d και f, καθώς το αρνητικό φορτίο των τροχιακών s και p αντισταθμίζει το θετικό του πυρήνα και έτσι για τα ηλεκτρόνια που κινούνται μακριά από τον πυρήνα αυτός φαίνεται να έχει λιγότερα αντί περισσότερα πρωτόνια.
Σχετικιστικό φαινόμενο που είναι ορατό στην καθημερινή ζωή είναι το χρώμα του χρυσού, που στον περιοδικό πίνακα βρίσκεται κάτω από τον άργυρο, άρα θα έπρεπε να είχε το ίδιο χρώμα μ' αυτόν. Οταν από ένα άτομο του d-block (βλ. εικόνα) απορροφηθεί ένα φωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο του τροχιακού d ανεβαίνει στο τροχιακό s, που βρίσκεται ακριβώς από πάνω του. Στον άργυρο το ενεργειακό άλμα είναι μεγάλο, γι' αυτό χρειάζεται το φωτόνιο να είναι υψηλής ενέργειας (υπεριώδες) για να γίνει η μετάβαση. Ετσι τα φωτόνια του ορατού φάσματος ανακλώνται κάνοντας τον άργυρο να συμπεριφέρεται σαν καθρέφτης. Στον χρυσό, όμως, η σχετικιστική συρρίκνωση μειώνει την ενέργεια του εξωτερικού τροχιακού s, έτσι που να αρκεί ένα φωτόνιο που αντιστοιχεί στο μπλε χρώμα για να μεταπηδήσει το ηλεκτρόνιο. Λευκό φως μείον μπλε χρώμα (που απορροφά ο χρυσός) δίνει τη χαρακτηριστική κίτρινη απόχρωση. Τα σχετικιστικά φαινόμενα εξηγούν και πολλές άλλες παράξενες χημικές ιδιότητες του κατά βάση αδρανούς χρυσού, που ωστόσο δίνει ενώσεις με το ευγενές αέριο ξένο (!), τριπλούς δεσμούς με τον άνθρακα και σχηματισμούς με μορφή φουλερένιων με το βολφράμιο!
Η μελέτη των χημικών ιδιοτήτων των υπερβαρέων στοιχείων είναι πολύ δύσκολη, καθώς συντίθενται μέσα σε επιταχυντές λίγα άτομα κάθε φορά και ο χρόνος μέχρι να διασπαστούν αυθόρμητα σε άτομα άλλων ελαφρύτερων στοιχείων είναι συνήθως πολύ μικρός. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν βρει κάποιες μεθόδους για διερεύνηση των χημικών ιδιοτήτων άτομο το άτομο. Παρότι δεν υπάρχει γενική συμφωνία στην ερμηνεία των πειραμάτων, υπάρχουν σοβαρές ενδείξεις ότι τα στοιχεία 106 (σιιμπόργκιο) και 107 (μπόριο) συμπεριφέρονται όπως πρόβλεψε ο Μεντελέγιεφ, αλλά δε φαίνεται να συμβαίνει το ίδιο για τα στοιχεία 112 (κοπερνίκιο) και 114 (φλερόβιο), λόγω ακριβώς των σχετικιστικών φαινομένων.

                               Επιμέλεια:
                Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
                Πηγή: «Scientific American»

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου