Venäläinen kemisti Dmitri Mendelejev julkaisi 150 vuotta sitten taulukon, josta tuli alkuaineiden luokittelun perustuslaki ja ehtymätön tieteellisen väittelyn kohde.
Aarre arkistoista -juttu on julkaistu Kemia-lehdessä 2/2019. Juhlavuonna 2019 lakia oltiin päivittämässä ja taulukkoa taivuttamassa uusiin käyttöihin.
Kalevi Rantanen
Kaikki alkoi alkuaineista.
Yksi ihmiskunnan suurista saavutuksista on sen selvittäminen, että aineellisia perusyksikköjä on noin sata.
Saavutus toi kuitenkin mukanaan uuden ongelman. Muutaman kymmenenkin aineen luettelo on epämukavan pitkä.
Jo parisataa vuotta on siksi haettu parasta tapaa ryhmitellä alkuaineet.
Saksalainen kemisti Johan Wolfgan Döbereiner tunnisti vuonna 1829 atomipainojen perusteella kolmen alkuaineen ryhmiä, triadeja.
Esimerkiksi strontiumin atomipaino on suunnilleen kalsiumin ja bariumin atomipainojen keskiarvo.
Saksan Karlsruhessa vuonna 1860 järjestetty maailmanlaajuinen konferenssi teki tunnetuksi italialaisen kemistin Stanislao Cannizzaron menetelmän alkuaineiden atomipainojen määrittämiseksi.
Näin mahdollistui aineiden taulukointi.
Kun alkuaineet saatiin riviin atomipainojen mukaan, alettiin tehdä uusia löytöjä.
Venäläinen Dmitri Mendelejev (1834–1907) julkaisi kuuluisan alkuainetaulukkonsa vuonna 1869.
Hänen käsialastaan voi tunnistaa nykyisen taulukon, vaikka muoto oli vielä erilainen. Nykyiset pystyrivit olivat Mendelejevillä vaakarivejä ja vaakarivit pystyrivejä.
Döbereinerin triadikolmikko strontium, kalsium ja barium sijoittui sittemmin Mendelejevin taulukon toiseen sarakkeeseen.
Mendelejevin järjestelmää on kehitetty eri suuntiin, ja siitä on rakennettu useita versioita.
Sarakkeet ja pystyrivit ovat laajasti tunnetuissa taulukoissa suunnilleen samat, mutta yksityiskohdista on monenlaisia käsityksiä.
Kansainvälisen kemianjärjestön Iupacin työryhmä pohtii parhaillaan, miten päivittää alkuainetaulukkoa.
Riippumatta siitä, millaisiin suosituksiin ryhmä päätyy, keskustelu jatkuu varmasti niiden jälkeenkin.
Mitkä alkuaineet kuuluvat kolmanteen ryhmään? Mihin helium pitäisi laittaa? Montako saraketta taulukossa pitäisi olla?
Mendelejevin valttina tyhjät paikat
Dmitri Mendelejev sai etumatkaa omalle näkemykselleen jo julkaisuajankohdassa, mutta hänen taulukkonsa suurin valttikortti oli sen kolme tyhjää paikkaa.
Ne venäläiskemisti jätti alkuaineille, joita ei vielä tunnettu, mutta joiden ominaisuudet taulukko ennusti.
Tyhjät paikat täyttyivät pian, kun löydettiin gallium vuonna 1875, skandium vuonna 1879 ja germanium vuonna 1886.
Litiumin jälkeen kahdeksas alkuaine on natrium. Mennään kahdeksan askelta eteenpäin. Vastaan tulee kalium.
Kaikki kolme ovat pehmeitä aineita, jotka reagoivat ärhäkästi veden kans. Ne ovat ensimmäisessä ryhmässä.
Taulukossa ne ovat vasemmalla pystysarakkeessa päällekkäin.
Jaksojen toisessa päässä ja taulukon oikealla laidalla on jalokaasuja, jotka reagoivat nihkeästi muiden aineiden kanssa.
Ensimmäisen taulukon jälkeen kemistit ja monet muutkin ovat käsitelleet Mendelejevin perintöä eri tavoin.
Jotkut ovat rakentaneet hänen taulukkonsa muunnoksia. Toiset ovat järjestäneet alkuaineita aivan eri tavalla.
Yhdysvaltalainen kemianopettaja Gary Katz patentoi vuonna 1971 kolmiulotteisen taulukon, joka koostui sisäkkäisistä sylintereistä.
”Ainoa tärkeä kysymys on helium”
Muunlaisiakin esityksiä riittää.
Tieteenfilosofi Eric Scerri Los Angelesin yliopistosta on laskenut, että maailmassa on tehty yli tuhat ehdotusta alkuaineiden ryhmittelemiseksi.
Eric Scerri on itsekin laatinut oman alkuainetaulukkonsa, joka on jälleen yksi uusi Mendelejevin taulukon muunnos.
Vuonna 2015 kuollut amerikkalaiskemisti Henry Bent totesi jo viime vuosisadalla, että erilaisista taulukoista kiisteleminen on tavallisesti ajanhukkaa.
Ainoa tärkeä kysymys on hänen mielestään heliumin sijoittaminen.
Scerrin ehdotuksessa helium on yhdessä muiden inerttien kaasujen kanssa vasemmalla, toisessa ryhmässä neonin yläpuolella.
Bentin mukaan oikea paikka on berylliumin yläpuolella.
Pittsburghin yliopiston fysikaalisen kemian professorina työskennellyt Bent esitti näkemykselleen useita perusteluja:
Ionisaatioenergia ja elektronegatiivisuus yhdistävät heliumin enemmän berylliumiin kuin neoniin, samoin triadisääntö, atomin rakenne, spektroskooppinen luokittelu sekä ryhmän ensimmäisen alkuaineen erityisyys.
Mendelejev eteni kemia edellä
Alkuaineiden sijoittaminen taulukkoon riippuu osin siitä, tehdäänkö valinta fysikaalisin vai kemiallisin perustein.
Dmitri Mendelejevin aikana fysikaalinen peruste oli atomipaino.
Protonit ja elektronit olivat tuntemattomia, ja tutkijat kiistelivät jopa atomien olemassaolosta
Aineiden kemiallisista ominaisuuksista oli sen sijaan kertynyt jo paljon tietoa. Näin venäläiskemisti päätyi kulkemaan kemia edellä.
Mendelejev sijoitti telluurin ennen jodia, vaikka järjestys olisi atomipainon mukaan ollut päinvastainen.
Alkuaineen kyky muodostaa yhdisteitä muiden alkuaineiden kanssa ratkaisi.
Myöhemmin, kun protonit, elektronit, neutronit ja isotoopit löydettiin, saatiin selitys atomipainojen poikkeuksille.
Samalla tarkennettiin tapaa numeroida alkuaineet.
Jokaisen alkuaineen järjestysnumero on nykyään sama kuin protonien määrä atomin ytimessä.
Hankala kolmas ryhmä
Elektronikuoren rakenne selvitettiin 1920-luvulla kvanttimekaniikan keinoin.
Elektronin todennäköistä rataa kuvattiin atomiorbitaalilla. Elektronit täyttivät orbitaalit tiettyjen sääntöjen mukaan.
Täyttymisjärjestyksen mukaan elektronit ryhmiteltiin s-, d-, p- ja f-lohkoihin.
Ranskalainen insinööri, keksijä ja monien tieteiden harrastaja Charles Janet rakensi vuonna 1928 uuden taulukon, jossa on 32 pystyriviä.
Lohkot ovat vasemmalta oikealle f, p, d ja s. Vety on ylhäällä oikealla heliumin vieressä.
Janetin taulukko jäi kuriositeetiksi, mutta kvanttimekaniikalla selitettiin aineiden ominaisuuksia Mendelejevin taulukossa.
Kaikkia ongelmakohtia uusi fysiikkakaan ei ole onnistunut selvittämään. Etenkin kolmannen ryhmän alkuaineiden valinnasta kiistellään yhä.
Matemaattinen kemisti Guillemo Restrepo Max Planck -instituutista on yhdessä työtoveriensa kanssa käynyt taulukon kimppuun laskennallisen kemian keinoin.
Restrepon ryhmä analysoi noin 7 400 binääriyhdistettä eli molekyylia, joissa on vain kaksi alkuainetta.
Alkuaineet A ja B he luokittelivat samankaltaisiksi, jos ne muodostivat binääriyhdisteitä AC ja BC kolmannen alkuaineen C:n kanssa.
Esimerkiksi kloori ja muut halogeenit kuuluvat samaan ryhmään, koska ne muodostavat yhdisteitä samankaltaisten alkuaineiden kanssa.
Tutkimus antoi valaistusta kolmannen ryhmän ja kuudennen rivin alkuaineen valintaan.
Lantaani on lähempänä skandiumia ja yttriumia kuin lutetium. Sijoitetaan siis lantaani kuudennelle riville.
Sen sijaan jää epäselväksi, minkä pitäisi olla kolmannen ryhmän ja seitsemännen rivin alkuaine, aktinium vai lawrencium.
Skandiumilla ja yttriumilla on lantaanin kanssa kymmeniätuhansia samankaltaisia yhdisteitä.
Aktiniumin kanssa niillä on ”datapisteitä” vain 70 ja lawrenciumin kanssa alle 40.
Valintaa aktiniumin ja lawrenciumin välillä on mahdotonta tehdä näin pienellä datalla.
”Taulukon valinta on ihmisoikeus”
Suomalainen kemisti, Helsingin yliopiston emeritusprofessori Pekka Pyykkö on samoilla linjoilla yhdysvaltalaisen kollegansa Henry Bentin kanssa.
Pyykön mielestä alkuaineiden taulukoinnin oikeasta tavasta kiisteleminen on turhaa.
”Iupacilla ja Yhdysvaltain kemian seuralla ACS:llä on täysi oikeus tehdä suosituksensa asiasta.”
”Mutta olisi ihmisoikeuksien loukkaus pakottaa muut noudattamaan omaa suosikkijärjestelmää”, hän ilmaisee.
Iupac ja ACS ovat pyrkineet rakentamaan tieteellistä konsensusta, toisinaan tulisten väittelyiden kautta.
”Kemistit ovat käyneet todellisia uskonsotia esimerkiksi siitä, mitkä alkuaineet kuuluvat kolmannen ryhmän kuudennelle ja seitsemännelle riville.”
”Eli pitääkö sinne sijoittaa lantaani ja aktinium vai lutetium ja lawrencium”, kertoo Pyykkö, jolla on oma ehdotuksensa.
”ACS ja kuninkaallinen kemianseura RCS haluavat lantanidien ja aktinidien lukumääräksi 14.”
”Iupac on ainakin aikaisemmin kunnioittanut kemiallisia tosiseikkoja ja laskee 0–14”, Pyykkö sanoo.
Pyykön mukaan kiista ratkeaa, jos nämä paikat jätetään tyhjiksi ja käytetään 15 paikan lantanidi- ja aktinidirivejä.
”Mahdollinen kauneusvirhe on ryhmään 3 jätettävä reikä. Lantanidit ja aktinidit voidaan tulkita sen täyttäväksi ”korkiksi”.”
Heliumin Pyykkö haluaa pitää edelleen taulukon oikeassa laidassa.
”Helium on epäilemättä varsin jalo kaasu.”
Kun mennään raskaisiin alkuaineisiin, on otettava käyttöön toinen modernin fysiikan järeistä työkaluista, suhteellisuusteoria.
Raskaissa atomeissa elektronien vauhti kiihtyy niin, että myös suhteellisuusteoreettiset ilmiöt tulevat merkittäviksi.
Pekka Pyykkö on rakentanut jaksollista järjestelmää eteenpäin relativistisella kvanttimekaniikalla.
Hänen taulukkonsa ennakoi elektronien orbitaaleja ja alkuaineiden ominaisuuksia aina numeroon 172 asti.
Pyykön vuonna 2011 julkaisema ehdotus elektronikonfiguraation ja jaksollisen järjestelmän väliselle yhteydelle alkuaineille 119–172 herätti suurta mielenkiintoa.
Mallia on käsitelty viimeksi helmikuussa Nature Chemistry -lehdessä Hiramitsu Haban artikkelissa A new period in superheavy-element hunting.
Toistaiseksi raskain alkuaine, joka on kyetty valmistamaan, on oganessium, jonka järjestysnumero on 118.
Uutta sisältöä tuttuun taulukkoon
Relativistisella kvanttimekaniikalla voidaan ennakoida uusien alkuaineiden ominaisuuksia. Lisäksi sillä tuodaan uutta sisältöä tuttuun taulukkoon.
Miten selittää esimerkiksi kullan väri?
Pekka Pyykkö ja ranskalainen fyysikko Jean-Paul Desclaux osoittivat jo vuonna 1975, että relativistiset vaikutukset selittävät useimmat erot kullan ja hopean vety-yhdisteiden välillä.
Suhteellisuusteoria selittää myös värejä. Silmän aistima väri syntyy, kun aine imee ja heijastaa valoa.
Kulta-atomissa elektroni kiitää nopeudella, joka on 58 prosenttia valon nopeudesta.
Vauhti saa elektronin käyttäytymään ikään kuin sen massa olisi kasvanut. Energiatasojen etäisyydet atomissa muuttuvat.
Väri puolestaan riippuu fotonien kvanttihypyistä energiatasojen välillä.
Siksi kulta-atomi imee useimmat värit ja heijastaa vain kullankeltaisen ulospäin.
Ilman suhteellisuusteoreettista vaikutusta kulta olisi hopean väristä. Hopea on oikeastaan ”epärelativista kultaa”.
Molemmat aineet ovat samassa ryhmässä mutta eri jaksoissa.
Kulta on huomattavasti hopeaa raskaampaa. Hopean atomimassa on 107 yksikköä, kullan 197.
Relativistisilla kvanttimekaanisilla laskelmilla pyritään ymmärtämään myös kultaklusterin toimintaa katalyytteinä.
Bulkkikulta, jota näemme sormuksissa, on inerttiä, mutta nanokulta reagoi ärhäkästi.
Katalyysitutkimuksilla on paljon merkitystä esimerkiksi etsittäessä keinoja hävittää vahingollisia yhdisteitä.
Kuinka pitkälle voidaan jatkaa?
Näkyvin osa alkuainetaulukkoon liittyvästä tutkimuksesta on uusien alkuaineiden valmistaminen.
Dmitri Mendelejevin ensimmäisessä taulukossa oli yhteensä 60 alkuainetta.
Nykyään tunnetaan jo 94 luonnollista ja 24 keinotekoista alkuainetta.
Tutkijoiden keskuudessa esiintyy erilaisia näkemyksiä yhä uusien alkuaineiden rakentamisen tarpeellisuudesta.
Työstä ollaan kiinnostuneita etenkin Venäjällä. Kuuluisaan Dubnan tutkimuskeskukseen on hiljattain pystytetty uusi laitteisto, ”superraskaiden alkuaineiden tehdas”.
Viimeisimpänä syntynyt alkuaine 118, oganessium, nimettiin Dubnan tutkijan Juri Oganessianin kunniaksi.
Tänä keväänä Dubnassa on tarkoitus aloittaa alkuaineiden 119 ja 120 valmistusyritykset.
Toinen tärkeä paikka alkuaineiden tutkimuksessa on Lawrence Berkeleyn kansallinen laboratorio Kaliforniassa.
Perinteistä huolimatta laboratorion raskaiden alkuaineiden ryhmän johtaja Jacklyn Gates suhtautuu uusiin suunnitelmiin epäileväisesti.
Gates pohtii Science-lehdessä, onko järkeä käyttää vuosia kiihdytinaikaa yhden atomin rakentamiseen.
”Mitä se kertoo?”, Gates kysyy.
Dubnan fyysikon Aleksandr Karpovin mukaan kertoo paljonkin.
Ennusteita uusien alkuaineiden puoliintumisajoista ja muista ominaisuuksista voidaan testata valmistamalla niitä.
Vieläkö kartalta löytyy uusia saaria?
Tietenkin tutkijoita houkuttelee myös vähäinen mutta vastustamattoman kiehtova mahdollisuus saada aikaan superraskas alkuaine, joka pysyy pitkään vakaana.
Pekka Pyykön taulukko ennakoi uusien alkuaineiden ominaisuuksia. Kuinka todennäköistä olisi tuottaa pysyviä superraskaita alkuaineita?
”Epätodennäköistä, mutta ei mahdotonta”, vastaa Pyykkö, joka puhui Suomalaisten Kemistien Seuran helmikuisessa Jaksollinen järjestelmä -illassa Helsingin yliopiston Tiedekulmassa.
Samassa tilaisuudessa puhunut Jyväskylän yliopiston ydinfyysikko Anu Kankainen täydentää vastausta kertomalla, että alkuaineen vakaus riippuu protonien ja neutronien yhteisvaikutuksesta.
Tutkijat ovat laskeneet niin sanottuja maagisia lukuja, joilla ydin mahdollisesti pysyy kasassa.
Horisonttiin voi siten ilmestyä jälleen vakaita alkuaineita.
Kemistit ja fyysikot ovat kuin tutkimusmatkailijoita valtamerellä. He haluavat ehdottomasti varmistaa, puuttuuko kartalta vielä saaria.
Haaveet uusista alkuaineista ja vakauden saaresta voivat toteutua tai olla toteutumatta.
Selvää sen sijaan on, että jaksollinen järjestelmä säilyy tieteentekijöiden työkalupakissa.
Taulukko on kuin kertotaulu: ei vielä yksinään riittävä, mutta ehdottoman välttämätön.
Jaksollisen järjestelmän juhlavuosi
YK on julistanut vuoden 2019 alkuaineiden jaksollisen järjestelmän kansainväliseksi vuodeksi (International Year of Periodic Table). Vuoden mittaan Mendelejevin taulukkoa juhlitaan maailmalla monin tavoin.
Suomalaisten Kemistien Seura järjesti 7. helmikuuta Jaksollinen järjestelmä -illan, jonka tallenne löytyy seuran 100-vuotista toimintaa juhlistavasta kemia100.fi-portaalista.
Tilaisuudessa puhuivat professorit Anu Hopia, Pekka Pyykkö, Anu Kankainen ja Timo Repo.
Lue lisää juhlavuodesta:
Tilaa Kemiamedian uutiskirje!
Tilaajana saat sähköpostiisi kerran viikossa kiinnostavimmat uutiset ja tiedot alan tapahtumista ja työpaikoista. Osallistut samalla arvontaan!
