2.5 Lotukerfið

Þegar fyrstu efnafræðingarnir unnu að því að hreinsa málmgrýti og uppgötvuðu fleiri frumefni, gerðu þeir sér grein fyrir því að hægt væri að flokka ýmis frumefni saman eftir svipaðri efnafræðilegri hegðun. Einn slíkur flokkur inniheldur litíum (Li), natríum (Na) og kalíum (K): Öll þessi frumefni eru glansandi, leiða vel hita og rafmagn og hafa svipaða efnafræðilega eiginleika. Annar flokkur inniheldur kalsíum (Ca), strontíum (Sr) og baríum (Ba), sem eru einnig glansandi, góðir hita- og rafleiðarar og eiga sameiginlega efnafræðilega eiginleika. Hins vegar eru sértækir eiginleikar þessara tveggja flokka verulega frábrugðnir hvor öðrum. Til dæmis: Li, Na og K eru mun hvarfgjarnari en Ca, Sr og Ba; Li, Na og K mynda efnasambönd með súrefni í hlutfallinu tvö atóm af þeim á móti einu súrefnisatómi, en Ca, Sr og Ba mynda efnasambönd með einu atómi af þeim á móti einu súrefnisatómi. Flúor (F), klór (Cl), bróm (Br) og joð (I) sýna einnig svipaða eiginleika sín á milli, en þessir eiginleikar eru gjörólíkir eiginleikum allra ofangreindra frumefna.

Dimitri Mendeleev í Rússlandi (1869) og Lothar Meyer í Þýskalandi (1870) gerðu sér óháð hvor öðrum grein fyrir því að reglubundið samband væri á milli eiginleika þeirra frumefna sem þekkt voru á þeim tíma. Báðir gáfu út töflur þar sem frumefnunum var raðað eftir vaxandi atómmassa. En Mendeleev gekk skrefi lengra en Meyer: Hann notaði töfluna sína til að spá fyrir um tilvist frumefna sem hefðu svipaða eiginleika og ál og kísill, en voru enn óþekkt. Uppgötvanir gallíums (1875) og germaníums (1886) veittu mikinn stuðning við vinnu Mendeleevs. Þrátt fyrir að Mendeleev og Meyer hafi lengi deilt um hvor þeirra hefði verið á undan, er framlag Mendeleevs til þróunar lotukerfisins nú víðar viðurkennt (Mynd 2.25).

Figure A shows a photograph of Dimitri Mendeleev. Figure B shows the first periodic table developed by Mendeleev, which had eight groups and twelve periods. In the first group (—, R superscript plus sign 0) is the following information: H = 1, L i = 7, N a = 23, K = 39, (C u = 63), R b = 85, (A g = 108), C a = 183, (—),—, (A u = 199) —. Note that each of these entries corresponds to one of the twelve periods respectively. The second group (—, R 0) contains the following information: (not entry for period 1) B o = 9, 4, M g = 24, C a = 40, Z n = 65, S r = 87, C d = 112, B a = 187, —, —, H g = 200, —. Note the ach of these entries corresponds to one of the twelve periods respectively. Group three (—, R superscript one 0 superscript nine) contains the information: (no entry for period 1), B = 11, A l = 27, 8. — = 44, — = 68, ? Y t = 88, I n = 113, ? D I = 138, —, ? E r = 178, T l = 204, —. Note that each of these entries corresponds to one of the twelve periods respectively. Group four (RH superscript four, R0 superscript eight) contains the following information: (no entry for period 1), C = 12, B i = 28, T i = 48, — = 72, Z r = 90, S n = 118, ? C o = 140, ? L a = 180, P b = 207, T h = 231. Note that each of these entries corresponds to one of the twelve periods respectively. Group five (R H superscript two, R superscript two 0 superscript five) contains the following information: (no entry for period 1), N = 14, P = 31, V = 51, A s = 75, N b = 94, S b = 122, —, —, T a = 182, B l = 208, —. Note that each of these entries corresponds to one of the twelve periods respectively. Group six (R H superscript two, R 0 superscript three) contains the following information: (no entry for period 1), O = 16, S = 32, C r = 52, S o = 78, M o = 96, T o = 125, —, —, W = 184, —, U = 240. Note that each of these entries corresponds to one of the twelve periods respectively. Group seven (R H , R superscript plus sing, 0 superscript 7) contains the following information: (no entry for period 1), F = 19, C l = 35, 5, M n = 55, B r = 80, — = 100, J = 127, —, —, —, —, —. Note that each of these entries corresponds to one of the twelve periods respectively. Group 8 (—, R 0 superscript four) contains the following information: (no entry for periods 1, 2, 3), in period 4: F o = 56, C o = 59, N i = 59, C u = 63, no entry for period five, in period 6: R u = 104, R h = 104, P d = 106, A g = 108, no entries for periods 7, 8 , or 9, in period 10: O s = 195, I r = 197, P t = 198, A u = 199, no entries for periods 11 or 12. — Mynd 2.25 (a) Dimitri Mendeleev er almennt talinn hafa skapað (b) fyrsta lotukerfi frumefnanna. (mynd a: breytt útgáfa af verki eftir Serge Lachinov; mynd b: breytt útgáfa af verki eftir „Den fjättrade ankan“/Wikimedia Commons)

Á tuttugustu öld varð ljóst að reglubundna sambandið snerist um sætistölur frekar en atómmassa. Nútímaleg framsetning þessa sambands, lotulögmálið (e. periodic law), er sem hér segir: eiginleikar frumefnanna eru lotubundin föll af sætistölum þeirra. Nútíma lotukerfi (e. periodic table) raðar frumefnunum í vaxandi röð eftir sætistölum þeirra og flokkar atóm með svipaða eiginleika í sama lóðrétta dálk (Mynd 2.26). Hver reitur táknar frumefni og inniheldur sætistölu þess, tákn, meðalatómmassa og (stundum) nafn. Frumefnunum er raðað í sjö láréttar raðir, sem kallast lotur (e. periods) eða raðir (e. series), og 18 lóðrétta dálka, sem kallast flokkar (e. groups). Flokkar eru merktir efst í hverjum dálki. Í Bandaríkjunum voru merkingarnar venjulega tölustafir með hástöfum. Hins vegar mælir IUPAC með því að nota tölurnar 1 til 18 og þær merkingar eru algengari. Til að taflan passi á eina síðu eru hlutar tveggja raða, alls 14 dálkar, yfirleitt skrifaðir fyrir neðan meginhluta töflunnar.

Mynd 2.26 Frumefnum í lotukerfinu er raðað eftir eiginleikum þeirra.

Jafnvel eftir að lotubundið eðli frumefna og taflan sjálf voru almennt viðurkennd, voru enn eyður. Mendeleev hafði spáð fyrir um, og aðrir, þar á meðal Henry Moseley, höfðu síðar staðfest, að það ættu að vera frumefni fyrir neðan mangan í flokki 7. Þýsku efnafræðingarnir Ida Tacke og Walter Noddack lögðu upp með að finna frumefnin, en það var leit sem vísindamenn um allan heim stunduðu. Aðferð þeirra var einstök að því leyti að þau skoðuðu ekki aðeins eiginleika mangans, heldur einnig frumefnin sem lágu lárétt við hliðina á þeim frumefnum sem vantaði, 43 og 75, í töflunni. Þannig gátu þau, með því að rannsaka málmgrýti sem innihélt steindir rúteníums (Ru), wolframs (W), osmíums (Os) og svo framvegis, greint náttúruleg frumefni sem hjálpuðu til við að fullkomna töfluna. Reníum, ein af uppgötvunum þeirra, var eitt af síðustu náttúrulegu frumefnunum sem uppgötvaðist og er síðasta stöðuga frumefnið sem uppgötvaðist. (Fransíum, síðasta náttúrulega frumefnið sem uppgötvaðist, var greint af Marguerite Perey árið 1939.)

Mörg frumefni eru verulega ólík í efna- og eðlisfræðilegum eiginleikum sínum, en sum frumefni eru svipuð í hegðun sinni. Til dæmis eru mörg frumefni glansandi, sveigjanleg (hægt að afmynda án þess að brotna) og þjál (hægt að draga í víra) og leiða vel hita og rafmagn. Önnur frumefni eru ekki glansandi, sveigjanleg eða þjál og eru lélegir hita- og rafleiðarar. Við getum flokkað frumefnin í stóra flokka með sameiginlega eiginleika: málma (e. metals) (frumefni sem eru glansandi, sveigjanleg, góðir hita- og rafleiðarar — skyggð gul); málmleysingja (e. nonmetals) (frumefni sem virðast dauf, lélegir hita- og rafleiðarar — skyggð græn); og hálfmálma (e. metalloids) (frumefni sem leiða hita og rafmagn í meðallagi vel og hafa suma eiginleika málma og suma eiginleika málmleysingja — skyggð fjólublá).

Einnig er hægt að flokka frumefnin í aðalflokkafrumefni (e. main-group elements) (eða dæmigerð frumefni (e. representative elements)) í dálkum 1, 2 og 13–18; hliðarmálma (e. transition metals) í dálkum 3–12 ¹; og innri hliðarmálma (e. inner transition metals) í tveimur röðum neðst í töflunni (frumefnin í efri röðinni eru kölluð lantaníðar (e. lanthanides) og frumefnin í neðri röðinni eru aktiníðar (e. actinides); Mynd 2.27). Frumefnin má skipta enn frekar niður eftir sértækari eiginleikum, svo sem samsetningu efnasambandanna sem þau mynda. Til dæmis mynda frumefnin í flokki 1 (fyrsti dálkurinn) efnasambönd sem samanstanda af einu atómi frumefnisins og einu atómi vetnis. Þessi frumefni (að undanskildu vetni) eru þekkt sem alkalímálmar (e. alkali metals) og þau hafa öll svipaða efnafræðilega eiginleika. Frumefnin í flokki 2 (annar dálkurinn) mynda efnasambönd sem samanstanda af einu atómi frumefnisins og tveimur atómum vetnis: Þau eru kölluð jarðalkalímálmar (e. alkaline earth metals) og hafa svipaða eiginleika innan flokksins. Aðrir flokkar með sérstök nöfn eru pniktógen (e. pnictogens) (flokkur 15), kalkógen (e. chalcogens) (flokkur 16), halógenar (e. halogens) (flokkur 17) og eðallofttegundir (e. noble gases) (flokkur 18, einnig þekktar sem hverfgös (e. inert gases)). Einnig er hægt að vísa til flokkanna með nafni fyrsta frumefnisins í flokknum: Til dæmis má kalla kalkógena súrefnisflokkinn eða súrefnisfjölskylduna. Vetni er einstakt frumefni, málmleysingi, með eiginleika sem líkjast bæði frumefnum í flokki 1 og flokki 17. Af þeirri ástæðu getur vetni verið sýnt efst í báðum flokkum eða eitt og sér.

This diagram combines the groups and periods of the periodic table based on their similar properties. Group 1 contains the alkali metals, group 2 contains the earth alkaline metals, group 15 contains the pnictogens, group 16 contains the chalcogens, group 17 contains the halogens and group 18 contains the noble gases. The main group elements consist of groups 1, 2, and 12 through 18. Therefore, most of the transition metals, which are contained in groups 3 through 11, are not main group elements. The lanthanides and actinides are called out at the bottom of the periodic table. — Mynd 2.27 Lotukerfið skipuleggur frumefni með svipaða eiginleika í flokka.

Eins og þú munt læra í frekara námi í efnafræði, hegða frumefni í flokkum sér oft á nokkuð svipaðan hátt. Þetta stafar að hluta til af fjölda rafeinda í ystu rafeindahvelum þeirra og svipuðum vilja þeirra til að mynda tengi. Þessir sameiginlegu eiginleikar geta haft víðtækar afleiðingar í náttúru, vísindum og læknisfræði. Til dæmis, þegar Gertrude Elion og George Hitchens rannsökuðu leiðir til að trufla frumu- og veiruafritun til að berjast gegn sjúkdómum, nýttu þau sér líkindin milli brennisteins og súrefnis (bæði í flokki 16) og getu þeirra til að tengjast á svipaðan hátt. Elion einbeitti sér að púrín-bösum, sem eru lykilþættir í DNA og innihalda súrefni. Hún komst að því að með því að nota brennisteinsbundin efnasambönd (kölluð púrín-hliðstæður) sem líkja eftir byggingu púrín-basa, myndu sameindir innan DNA tengjast hliðstæðunum í stað „venjulegra“ DNA púrín-basa. Með því að breyta venjulegum DNA-tengjum og byggingu tókst Elion að trufla frumuskiptingu. Í grunninn virkaði aðferðin vegna líkindanna milli brennisteins og súrefnis. Uppgötvun hennar leiddi beint til mikilvægra meðferða við hvítblæði. Á heildina litið leiddi vinna Elion með George Hitchens ekki aðeins til fleiri meðferða, heldur breytti hún einnig allri aðferðafræði lyfjaþróunar. Með því að nota ákveðin frumefni og efnasambönd til að miða á sérstaka þætti æxlisfrumna, veira og baktería, lögðu þau grunninn að mörgum af algengustu og mikilvægustu lyfjum nútímans, sem eru notuð til að hjálpa milljónum manna á hverju ári. Þau hlutu Nóbelsverðlaunin árið 1988.

Þegar þú skoðar lotukerfið gætir þú hafa tekið eftir einhverju varðandi atómmassa sumra frumefna. Frumefni 43 (teknetín), frumefni 61 (prómetín) og flest frumefni með sætistöluna 84 (pólón) og hærri hafa atómmassa sinn gefinn upp innan hornklofa. Þetta er gert fyrir frumefni sem samanstanda eingöngu af óstöðugum, geislavirkum samsætum (þú munt læra meira um geislavirkni í kaflanum um kjarnaefnafræði). Ekki er hægt að ákvarða meðalatómmassa fyrir þessi frumefni vegna þess að hlutfallslegt magn geislasamsæta þeirra getur verið mjög breytilegt, allt eftir uppruna, eða þær finnast jafnvel ekki í náttúrunni. Talan í hornklofunum er massatala (nálgaður atómmassi) stöðugustu samsætu þess frumefnis.

Neðanmálsgreinar

Samkvæmt skilgreiningu IUPAC eru frumefni í flokki 12 ekki hliðarmálmar, þótt oft sé vísað til þeirra sem slíkra. Nánari upplýsingar um frumefni þessa flokks er að finna í kafla um hliðarmálma og hnitsetningarefnafræði. ↩

Námsmarkmið