Leraren scheikunde moesten onlangs hun inrichting in de klas bijwerken met de aankondiging dat wetenschappers de ontdekking van vier nieuwe elementen op het periodiek systeem hebben bevestigd. De nog niet nader genoemde elementen 113, 115, 117 en 118 vulden de resterende gaten aan de onderkant van de beroemde kaart - een routekaart van bouwstenen van de materie die chemici al bijna anderhalve eeuw heeft geleid.
gerelateerde inhoud
- De vier nieuwste elementen hebben nu namen
- Vier nieuwe elementen worden toegevoegd aan het periodiek systeem
- Vissperma is misschien het geheim van het recyclen van zeldzame aardelementen
De officiële bevestiging, verleend door de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), was jaren in de maak, omdat deze superzware elementen zeer onstabiel en moeilijk te maken zijn. Maar wetenschappers hadden een sterke reden om te geloven dat ze bestonden, deels omdat het periodiek systeem tot nu toe opmerkelijk consistent was. Pogingen om elementen 119 en 120 op te roepen, die een nieuwe rij zouden beginnen, zijn al aan de gang.
Maar hoeveel meer elementen er precies zijn, blijft een van de meest hardnekkige mysteries van de chemie, vooral omdat ons moderne begrip van fysica anomalieën heeft onthuld, zelfs bij de gevestigde spelers.
"Er beginnen barsten te verschijnen in het periodiek systeem", zegt Walter Loveland, een chemicus aan de Oregon State University.
De moderne incarnatie van het periodiek systeem organiseert elementen door rijen op basis van atoomnummer - het aantal protonen in de kern van een atoom - en door kolommen op basis van de banen van hun buitenste elektronen, die op hun beurt meestal hun persoonlijkheden dicteren. Zachte metalen die de neiging hebben sterk te reageren met anderen, zoals lithium en kalium, leven in één kolom. Niet-metalen reactieve elementen, zoals fluor en jodium, bewonen een ander.
De Franse geoloog Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois was de eerste persoon die inzag dat elementen in terugkerende patronen konden worden gegroepeerd. Hij toonde de elementen bekend in 1862, geordend op hun gewicht, als een spiraal gewikkeld rond een cilinder ( zie onderstaande illustratie ). Elementen verticaal in lijn met elkaar op deze cilinder hadden vergelijkbare kenmerken.
Maar het was het organisatorische schema van Dmitri Mendeleev, een opvliegende Rus die beweerde groepen elementen in een droom te hebben gezien, die de tand des tijds doorstaan. Zijn periodiek systeem uit 1871 was niet perfect; het voorspelde acht elementen die niet bestaan, bijvoorbeeld. Het voorspelde echter ook correct gallium (nu gebruikt in lasers), germanium (nu gebruikt in transistoren) en andere steeds zwaardere elementen.
Het periodiek systeem van Mendelejev aanvaardde gemakkelijk een gloednieuwe kolom voor de edelgassen, zoals helium, die tot het einde van de 19e eeuw aan detectie was onttrokken vanwege hun neiging om niet te reageren met andere elementen.
Het moderne periodiek systeem is min of meer consistent met de kwantumfysica, geïntroduceerd in de 20e eeuw om het gedrag van subatomaire deeltjes zoals protonen en elektronen te verklaren. Bovendien hebben de groeperingen vooral standgehouden omdat zwaardere elementen zijn bevestigd. Bohrium, de naam die aan element 107 werd gegeven na zijn ontdekking in 1981, past zo netjes bij de andere zogenaamde overgangsmetalen eromheen, een van de onderzoekers die ontdekte dat het 'bohrium is saai' verkondigde.
Maar interessante tijden kunnen in het verschiet liggen.
Een open vraag betreft lanthaan en actinium, die minder gemeen hebben met de andere leden van hun respectieve groepen dan lutetium en lawrencium. IUPAC heeft onlangs een task force aangesteld om deze kwestie te onderzoeken. Zelfs helium, element 2, is niet eenvoudig - er bestaat een alternatieve versie van het periodiek systeem dat helium plaatst met beryllium en magnesium in plaats van zijn edelgasburen, gebaseerd op de rangschikkingen van al zijn elektronen in plaats van alleen de buitenste.
"Er zijn problemen aan het begin, midden en einde van het periodiek systeem", zegt Eric Scerri, een historicus op de afdeling scheikunde aan de Universiteit van Californië, Los Angeles.
De speciale relativiteitstheorie van Einstein, die tientallen jaren na de tafel van Mendelejev werd gepubliceerd, introduceerde ook enkele kieren in het systeem. Relativiteit dicteert dat de massa van een deeltje toeneemt met zijn snelheid. Dat kan ertoe leiden dat de negatief geladen elektronen die rond de positief geladen kern van een atoom draaien zich vreemd gedragen, waardoor de eigenschappen van een element worden beïnvloed.
Overweeg goud: de kern zit vol met 79 positieve protonen, dus om te voorkomen dat ze naar binnen vallen, moeten de elektronen van goud ronddraaien met meer dan de helft van de snelheid van het licht. Dat maakt ze massiever en trekt ze in een strakkere baan met minder energie. In deze configuratie absorberen de elektronen blauw licht in plaats van het te reflecteren, waardoor trouwringen hun onderscheidende glans krijgen.
De beruchte bongo-spelende fysicus Richard Feynman zou relativiteit hebben ingeroepen om het einde van het periodiek systeem bij element 137 te voorspellen. Zijn berekeningen toonden aan dat elektronen in elementen voorbij 137 sneller zouden moeten bewegen dan de snelheid van het licht, en dus de relativiteitsregels overtreden, om te voorkomen dat ze in de kern zouden crashen.
Recentere berekeningen hebben die limiet sindsdien vernietigd. Feynman behandelde de kern als een enkel punt. Laat het een bal van deeltjes zijn, en de elementen kunnen doorgaan tot ongeveer 173. Dan breekt de hel los. Atomen voorbij deze limiet kunnen bestaan, maar alleen als vreemde wezens die in staat zijn elektronen uit de lege ruimte op te roepen.
Relativiteit is niet het enige probleem. Positief geladen protonen stoten elkaar af, dus hoe meer je in een kern verpakt, hoe minder stabiel deze meestal is. Uranium, met een atoomnummer van 92, is het laatste element dat stabiel genoeg is om van nature op aarde te voorkomen. Elk element daarachter heeft een kern die snel uit elkaar valt, en hun halfwaardetijd - de tijd die de helft van het materiaal nodig heeft om te rotten - kan minuten, seconden of zelfs gesplitste seconden zijn.
Zwaardere, onstabiele elementen kunnen elders in het universum bestaan, zoals in dichte neutronensterren, maar wetenschappers kunnen ze hier alleen bestuderen door lichtere atomen samen te breken om zwaardere te maken en vervolgens door de vervalketen te zeven.
"We weten echt niet wat het zwaarste element is dat kan bestaan", zegt kernfysicus Witold Nazarewicz van Michigan State University.
Theorie voorspelt dat er een punt zal komen waarop onze in het laboratorium gemaakte kernen niet lang genoeg zullen leven om een goed atoom te vormen. Een radioactieve kern die in minder dan tien triljoenste van een seconde uiteenvalt, zou geen tijd hebben om elektronen om zich heen te verzamelen en een nieuw element te maken.
Toch verwachten veel wetenschappers dat eilanden van stabiliteit verder op de weg zullen bestaan, waar superzware elementen relatief langlevende kernen hebben. Het laden van bepaalde superzware atomen met veel extra neutronen kan stabiliteit verlenen door te voorkomen dat de protonenrijke kernen vervormen. Van element 114 wordt bijvoorbeeld verwacht dat het een magisch stabiel aantal neutronen heeft op 184. Van elementen 120 en 126 is ook voorspeld dat ze het potentieel hebben om duurzamer te zijn.
Maar sommige claims van superkrachtige stabiliteit zijn al uit elkaar gevallen. In de late jaren zestig stelde chemicus Edward Anders voor dat xenon in een meteoriet die op Mexicaanse grond viel, afkomstig was van de afbraak van een mysterie-element tussen 112 en 119 dat stabiel genoeg zou zijn om in de natuur te voorkomen. Nadat hij zijn zoektocht jaren had versmald, trok hij uiteindelijk zijn hypothese terug in de jaren tachtig.
Het voorspellen van de potentiële stabiliteit van zware elementen is niet eenvoudig. De berekeningen, die enorme rekenkracht vereisen, zijn niet gedaan voor veel van de bekende spelers. En zelfs wanneer dit het geval is, is dit een heel nieuw terrein voor de nucleaire fysica, waar zelfs kleine veranderingen in de ingangen grote gevolgen kunnen hebben voor de verwachte resultaten.
Eén ding is zeker: het maken van elk nieuw element wordt moeilijker, niet alleen omdat kortere atomen moeilijker te detecteren zijn, maar omdat het maken van superheavings mogelijk bundels van atomen vereist die zelf radioactief zijn. Of er nu een einde komt aan het periodiek systeem, er kan een einde komen aan ons vermogen om nieuwe te maken.
"Ik denk dat we nog ver verwijderd zijn van het einde van het periodiek systeem", zegt Scerri. "De beperkende factor lijkt nu menselijke vindingrijkheid."
Noot van de redactie: de aansluiting van Witold Nazarewicz is gecorrigeerd.
Periodiek systeem Aanbevolen leeslijst
Een verhaal van zeven elementen
KopenEen gezaghebbend verslag van de vroege geschiedenis van het periodiek systeem is te vinden in Eric Scerri's A Tale of Seven Elements, dat een diepe duik neemt in de controverses rond de ontdekkingen van zeven elementen.
Het periodiek systeem
KopenLezers met interesse in de Holocaust moeten een exemplaar ophalen van Primo Levi's bewegende memoires, The Periodic Table. Zie voor een meeslepende autobiografie die het periodiek systeem gebruikt om het leven van een van 's werelds meest geliefde neurologen te kaderen, de New York Times van Oliver Sacks op "My Periodic Table ".
The Disappearing Spoon: And Other True Tales of Madness, Love, and the History of the World from the Periodic Table of the Elements
KopenSam Kean neemt zijn lezers mee op een levendige en chaotische ravage door de elementen in The Disappearing Spoon.
The Lost Elements: The Shadow Side van het periodiek systeem
KopenWetenschapsenthousiasten die geïnteresseerd zijn in insider honkbal achter elementen die nooit in het periodiek systeem zijn gekomen, kunnen de goed onderzochte The Lost Elements van Marco Fontani, Mariagrazia Costa en Mary Virginia Orna bekijken.
