Ile jest pierwiastków w układzie okresowym?

Oficjalna tabela opublikowana przez IUPAC w 2016 roku obejmuje 118 pierwiastków chemicznych. Kończy ją pierwiastek o liczbie atomowej 118, nazwany oganessonem. W dalszej części wyjaśniamy, skąd wzięła się ta konkretna wartość i jakie kwestie stoją za pojęciem „występowania w przyrodzie”.

Ile pierwiastków zawiera aktualny układ okresowy?

Współczesny układ okresowy pierwiastków, publikowany cyklicznie przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC), od 2016 roku wieńczy 118 oficjalnie uznanych atomów. Lista ciągnie się od wodoru o liczbie atomowej 1, aż po schowany w prawym dolnym rogu oganesson o liczbie 118. Ostatnia aktualizacja, wprowadzona po potwierdzeniu odkryć syntetycznych jąder nihonu (Nh), moskowu (Mc), tenesu (Ts) i właśnie oganessonu (Og), domknęła wtedy siódmy okres tablicy Mendelejewa.

Owa liczba nie jest jednak wyryta w kamieniu – już Mendelejew, porządkując pierwiastki według rosnących mas atomowych, celowo pozostawiał puste miejsca, przewidując istnienie jeszcze nieodkrytych substancji. Dzięki tym lukom przewidział właściwości m.in. germanu, galu i skandu, które za jego życia zsyntetyzowano. Dzisiejsza granica 118 ma solidne oparcie w systematycznych badaniach jąder superciężkich, ale fizycy nie wykluczają dalszego uzupełniania ósmego okresu.

Czym jest liczba atomowa i dlaczego porządkuje całą tabelę?

O miejscu pierwiastka w układzie decyduje liczba atomowa – inaczej liczba protonów w jądrze. Wodór ma tylko jeden proton, hel – dwa, a każdy kolejny pierwiastek zyskuje dokładnie jeden proton więcej. Neutralny atom ma też tyle samo elektronów, a to właśnie ich rozkład na powłokach odpowiada za chemiczne zachowanie substancji. Numer w prawym górnym rogu kafelka to nie przypadek – ten prosty wskaźnik jednocześnie mówi nam o liczbie elektronów i o budowie całego atomu.

Gdy w 1913 roku Henry Moseley uporządkował pierwiastki względem rosnącej liczby protonów, rozwiązał kilka zagadek pozostawionych przez Mendelejewa. Na przykład tellur, który waży więcej niż jod, zyskał właściwą pozycję – jego liczba atomowa jest przecież o jeden mniejsza. Tym samym cała tabela otrzymała sens fizyczny: okresy odpowiadają zapełnianiu nowych powłok elektronowych, a grupy wskazują, ile elektronów znajduje się na powłoce walencyjnej.

W skrócie – w obrębie jednego okresu powłoka walencyjna jest stopniowo wypełniana, a po zapełnieniu przechodzimy do kolejnego wiersza. Dlatego atomy w tej samej grupie, mimo różnych rozmiarów, mają tę samą liczbę elektronów walencyjnych. Stąd biorą się podobieństwa w zachowaniu litu, sodu i potasu, a zarazem całkowita odmienność fluoru czy helowców.

Czy wszystkie 118 pierwiastków da się znaleźć w skorupie ziemskiej?

Podręcznikowe uproszczenie mówi, że 92 pierwiastki występują w przyrodzie, bo uran zamyka listę atomów spotykanych poza laboratoriami. W rzeczywistości sprawa jest bardziej złożona. Technet (liczba atomowa 43) i promet (61) to lekkie, ale całkowicie rozpadające się jądra – ich najtrwalsze izotopy mają czasy połowicznego rozpadu liczone w milionach lub zaledwie latach. Z tej przyczyny od dawna nie ma ich w minerałach, choć śladowe ilości technetu wykryto w rudach uranu, gdzie powstaje w wyniku spontanicznego rozszczepienia.

Z drugiej strony, pierwiastki na ogół uznawane za typowo syntetyczne, jak pluton czy neptun, są obecne w złożach bogatych w uran. Np. neptun-237 pojawia się w koncentracji rzędu 0,001 ppb, a ślady plutonu-244 (o czasie półtrwania 80 milionów lat) przetrwały nawet z okresu formowania się Ziemi. Pracujący przed miliardami lat naturalny reaktor jądrowy w Oklo także wyprodukował niewielkie ilości tych jąder. W efekcie, jeżeli za kryterium „występowania w przyrodzie” przyjąć wykrywalność – nawet w śladowych ilościach – to lista naturalnych pierwiastków liczy 94 pozycje.

Dla zobrazowania tych różnic poniższa tabela zestawia kilka granicznych przypadków – od zawsze obecnych metali po atomy wykrywane jedynie w nanogramach na tonę skały:

Wykrywalne ilości niektórych syntetycznych jąder w rudach sprawiają, że za naturalne uznaje się dziś nawet 94 pierwiastki – o dwa więcej niż wynikałoby ze szkolnej definicji.

Dlaczego tabela kończy się właśnie na oganessonie?

Jądra atomowe są areną walki między odpychaniem elektrostatycznym dodatnich protonów a silnym oddziaływaniem jądrowym, które działa tylko wtedy, gdy nukleony znajdą się ekstremalnie blisko siebie. W małych atomach, jak hel, dwie cząstki przyciągane są wystarczająco mocno, by pokonać barierę kulombowską. Gdy jednak jądro pęcznieje do rozmiarów uranu czy oganessonu, oddziaływanie silne nie sięga już do wszystkich protonów jednocześnie. Tu z pomocą przychodzą neutrony – elektrycznie obojętne, a jednak silnie oddziałujące z sąsiadami.

W praktyce oznacza to, że im cięższy pierwiastek, tym więcej neutronów przypada na każdy proton. Stabilny izotop polonu ma już 1,6 neutrona na proton; w superciężkich jądrach proporcja ta jest jeszcze większa, a i tak nie gwarantuje trwałości. Sam oganesson rozpada się w ułamku milisekundy. Z tego powodu wypełnienie całego siódmego okresu wymagało ogromnego wysiłku akceleratorów i zespołów badawczych, a dalsze eksperymenty celują w hipotetyczny ósmy okres, gdzie mogłaby kryć się tzw. wyspa stabilności.

Czym jest wyspa stabilności i dlaczego energetyka jądrowa o niej wspomina?

Zgodnie z teorią budowy jądra, istnieją „magiczne” liczby protonów i neutronów, po przekroczeniu których pewne superciężkie atomy miałyby żyć zauważalnie dłużej – minuty, godziny, a może i lata. Analogicznie do zamkniętych powłok elektronowych u helowców, tu zamknięte powłoki jądrowe zapewniałyby dodatkową trwałość. Badacze szacują, że taka konfiguracja może pojawić się w okolicy liczby atomowej 114–126, przy jednocześnie wysokiej liczbie neutronów. Jeżeli uda się je wyprodukować, granica 118 przestanie być ostateczna.

O tym, jakie to trudne fizycznie, świadczy mechanizm powstawania najcięższych atomów. W akceleratorach rozpędza się jądra wapnia-48 i uderza nimi w tarcze z aktynowców. Tylko niezwykle rzadkie, idealnie centralne zderzenia prowadzą do zlania się jąder, zamiast ich rozerwania. Aby zwiększyć szansę na taką fuzję, eksperymentatorzy zmieniają energię wiązki i grubość tarczy. Każdy nowy pierwiastek to tysiące godzin pracy detektorów i analizy pojedynczych rozpadów alfa.

Skąd w kosmosie wzięły się metale cięższe od żelaza?

Wielki Wybuch dostarczył prawie wyłącznie wodoru i helu. Dopiero we wnętrzach gwiazd, w procesach syntezy termojądrowej, powstały atomy aż do żelaza. Cięższe jądra, takie jak złoto, platyna czy uran, wymagają zderzeń gwiazd neutronowych lub eksplozji supernowych. W 2017 roku detektory fal grawitacyjnych LIGO i Virgo zarejestrowały właśnie fuzję dwóch gwiazd neutronowych, która wyrzuciła w przestrzeń pierwiastki o łącznej masie 10 tysięcy mas Ziemi, w tym około 30 mas Ziemi złota i 80 mas Ziemi platyny. To takie kataklizmy rozsiewają materiał, z którego później formują się planety skaliste i na którym opiera się nasza chemia.

Dzięki tym procesom układ okresowy nie jest abstrakcyjnym tworem, lecz odbiciem astrofizycznej historii materii. Fakt, że na Ziemi występuje właśnie 94 pierwiastki (wliczając śladowe ilości tych nietrwałych), wynika z tego, co zdążyło dotrzeć do obłoku protoplanetarnego i co nie rozpadło się przez miliardy lat. Reszta – za uranem – istnieje wyłącznie dzięki ludzkiej pomysłowości i akceleratorom.

Dla chemika praktyka największe znaczenie ma jednak nie odległy oganesson, a grupy główne i poboczne, bo to one dyktują podobieństwa wiązań i wartościowości. Wiedząc, że węgiel znajduje się w 14. grupie, od razu wiemy, że jego maksymalna wartościowość to IV; dla azotu z grupy 15. jest to V. Z kolei helowce pozostają niemal całkowicie bierne, ponieważ ich powłoki walencyjne są już zamknięte.

Ostatnim całkowicie stabilnym jądrem jest ołów (liczba atomowa 82) – wszystko, co znajduje się za nim, prędzej czy później ulega rozpadowi.

Jak traktować podział na pierwiastki naturalne i sztuczne?

Podział na pierwiastki naturalne i sztuczne jest przede wszystkim dydaktyczny. Dla ucznia wystarczy informacja, że za uranem (Z=92) rozciąga się świat atomów wytwarzanych wyłącznie w laboratoriach, a technet i promet tylko potęgują to wrażenie. Jednak im głębiej wchodzimy w geochemię i fizykę jądrową, tym bardziej ta granica się rozmywa. Współczesna nauka pokazuje, że nawet tak efemeryczne jądra jak frans (cała Ziemia zawiera go około 20 gramów) czy astat (kilka gramów naraz) są częścią naturalnego tła promieniotwórczego planety.

W złożach uranu odnajdujemy śladowe ilości ameryku, kiuru i berkelu pojawiające się jako produkty uboczne łańcuchów rozpadów. Na dobrą sprawę każdy z nich można by dopisać do listy pierwiastków występujących w środowisku, choć ich całkowita ilość w danym momencie to zaledwie pojedyncze atomy. Ostatecznie odpowiedź na pytanie zawarte w tytule zależy od przyjętej definicji: 118 według IUPAC, 94 uwzględniających wszelkie wykryte w naturze jądra, a przy założeniu jedynie stabilnych i długożyciowych – znacznie mniej.

Niezależnie od liczb, układ okresowy pozostaje fundamentem chemii, bo w zwięzłej formie koduje informacje o liczbie protonów, konfiguracji elektronowej i tendencji do tworzenia wiązań. Bez względu na to, czy zerkamy na papierową tablicę, czy na interaktywną aplikację, za każdym razem widzimy tę samą uniwersalną historię materii – opowiedzianą 118 symbolami.