História: od Mendelejeva po 118 prvkov

Niektoré prvky ľudia poznali už pred tisíckami rokov, lebo sa v prírode vyskytujú voľne alebo sa ľahko získavajú z rúd: zlato, striebro, meď, železo, cín, olovo, ortuť, síru a uhlík. Nikto nevie, kto ich objavil. Prvý prvok so známym objaviteľom je fosfor. V roku 1669 ho nemecký alchymista Hennig Brand získal z odparenej moči, keď hľadal kameň mudrcov.

Na konci 18. storočia francúzsky chemik Antoine Lavoisier zostavil zoznam 33 „jednoduchých látok“. Boli medzi nimi skutočné prvky, ale aj svetlo, teplo a niekoľko látok, ktoré sa neskôr podarilo rozložiť. V 19. storočí pribúdali nové prvky rýchlo: Humphry Davy v rokoch 1807 a 1808 elektrolýzou získal sodík, draslík, horčík a vápnik a spektroskopia odhalila v rokoch 1860 a 1861 cézium a rubídium podľa farebných čiar v ich spektre.

S pribúdajúcimi prvkami rástla túžba nájsť v nich systém.

• Johann Wolfgang Döbereiner si v roku 1817 všimol triády: trojice podobných prvkov, v ktorých má stredný prvok hmotnosť približne ako priemer krajných. Takou triádou sú napríklad lítium, sodík a draslík alebo chlór, bróm a jód.
• John Newlands v roku 1865 zoradil prvky podľa hmotnosti a tvrdil, že každý ôsmy prvok sa podobá prvému, ako tóny v hudobnej oktáve. Jeho zákon oktáv vyvolal v Londýne posmech a článok mu odmietli uverejniť.

Príklad 1. Lítium má relatívnu atómovú hmotnosť 6,94 a draslík 39,10. Akú hmotnosť by mal mať podľa Döbereinera sodík?

Riešenie

Priemer krajných prvkov: (6,94 + 39,10) / 2 = 46,04 / 2 = 23,02. Skutočná hodnota sodíka je 22,99, takže triáda sedí takmer presne.

Dmitrij Ivanovič Mendelejev bol profesorom chémie v Petrohrade a písal učebnicu pre svojich študentov. Na kartičky si zapísal všetkých 63 vtedy známych prvkov s ich hmotnosťami a vlastnosťami a skladal ich ako pasiáns. Tak vznikla v roku 1869 jeho periodická tabuľka. Urobil v nej dve odvážne rozhodnutia:

1. Nechal prázdne miesta. Keď sa ďalší prvok nehodil do stĺpca, radšej ho posunul a medzeru ponechal. Tvrdil, že sem patrí prvok, ktorý ešte nikto neobjavil, a opísal jeho vlastnosti.
2. Vlastnosti uprednostnil pred hmotnosťou. Telúr (127,6) je ťažší ako jód (126,9), no jód sa jednoznačne podobá chlóru a brómu. Mendelejev ich preto vymenil a domnieval sa, že hmotnosť telúru je zle zmeraná.

vyskúšaj si

Zahraj sa na Mendelejeva

1. Poskladaj tabuľku2. Medzery3. Predpovedz prvok

skupina I R₂O	skupina II RO	skupina III R₂O₃	skupina IV RO₂	skupina V R₂O₅	skupina VI RO₃	skupina VII R₂O₇
K39,1	Ca40,1	?	Ti47,9	V50,9	Cr52	Mn54,9
Cu63,5	Zn65,4	?	?	As74,9	Se79	Br79,9

Mendelejev poznal atómové hmotnosti a vzorce oxidov. Klikni na kartu a potom na miesto v tabuľke: v riadku idú prvky podľa rastúcej hmotnosti, v stĺpci prvky s rovnakým vzorcom oxidu.

V tejto skladačke zoradíš karty prvkov podľa hmotnosti a vlastností do tabuľky, rovnako ako Mendelejev. Nájdeš miesta, kde prvok chýba, a na konci porovnáš jeho predpoveď eka-kremíka so skutočným germániom.

Neznáme prvky pomenoval pomocou predpony eka (v sanskrite „jeden“), teda „o jedno miesto nižšie“. Eka-hliník sa našiel v roku 1875 a dostal meno gálium, eka-bór v roku 1879 ako skandium a eka-kremík v roku 1886 ako germánium. Najslávnejšia je predpoveď germánia:

vlastnosť	eka-kremík (predpoveď z roku 1871)	germánium (objav 1886)
relatívna atómová hmotnosť	72	72,63
hustota	5,5 g/cm³	5,32 g/cm³
farba	tmavosivá	sivobiela
vzorec oxidu	EsO₂	GeO₂
chlorid	EsCl₄, kvapalina, teplota varu pod 100 °C	GeCl₄, kvapalina, teplota varu 86 °C
hustota chloridu	1,9 g/cm³	1,88 g/cm³

Pri gáliu sa stala zaujímavá vec. Jeho objaviteľ Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran nameral hustotu 4,7 g/cm³. Mendelejev mu napísal, že musí byť okolo 5,9 g/cm³. Po dôkladnom prečistení vzorky nové meranie dalo 5,9 g/cm³. Gálium sa mimochodom topí už pri 29,8 °C, teda aj v dlani, čo uvidíš v experimente Gálium.

Príklad 2. Mendelejev odhadoval vlastnosti neznámeho prvku zo susedov. Nad eka-kremíkom je kremík (28,09), pod ním cín (118,71), vľavo gálium (69,72) a vpravo arzén (74,92). Odhadni jeho hmotnosť ako priemer štyroch susedov.

Riešenie

(28,09 + 118,71 + 69,72 + 74,92) / 4 = 291,44 / 4 = 72,86. Skutočné germánium má 72,63, teda odhad je len o 0,23 vedľa.

Mendelejev nepočítal s celou skupinou prvkov. V roku 1894 lord Rayleigh a William Ramsay zistili, že dusík získaný zo vzduchu je o niečo ťažší ako dusík zo zlúčenín, a objavili v ňom argón. Ramsay potom našiel na Zemi hélium (1895), ktoré predtým videli astronómovia len v spektre Slnka, a v roku 1898 spolu s Morrisom Traversom neón, kryptón a xenón. Nereaktívne plyny vytvorili v tabuľke nový stĺpec, dnešnú 18. skupinu. Viac o nich v lekcii Vzácne plyny.

Prečo sa niektoré prvky nedali zoradiť podľa hmotnosti, vysvetlil v roku 1913 mladý britský fyzik Henry Moseley. Ožaroval prvky elektrónmi a meral röntgenové žiarenie, ktoré vysielali. Zistil, že jeho frekvencia pravidelne rastie s jedným celým číslom, protónovým číslom Z. Poradie podľa Z opravilo všetky nezrovnalosti: telúr (Z = 52) je pred jódom (Z = 53), argón pred draslíkom a kobalt pred niklom.

Moseley tiež ukázal, kde ešte prvky chýbajú: pri Z = 43, 61, 72 a 75. Hafnium sa našlo v roku 1923, rénium v roku 1925, technécium pripravili v roku 1937 ako prvý umelo vyrobený prvok a prométium v roku 1945. Moseley sa ich objavov nedožil, zahynul v roku 1915 v prvej svetovej vojne vo veku 27 rokov.

Prvky ťažšie ako urán (Z = 92) sa v prírode takmer nevyskytujú, pripravujú ich vedci v jadrových reaktoroch a urýchľovačoch. Americký chemik Glenn Seaborg sa podieľal na objave plutónia a ďalších prvkov a v roku 1944 navrhol, aby sa prvky od aktínia vyčlenili do samostatného radu aktinoidov pod lantanoidy. Tým dostala tabuľka dnešný tvar. Prvok 106 dostal na jeho počesť meno seaborgium, a to ešte za jeho života.

Najťažšie prvky vznikajú zrážkou dvoch jadier. Vydržia len zlomky sekundy a vzniká ich niekoľko atómov. V roku 2015 organizácia IUPAC potvrdila objav prvkov 113, 115, 117 a 118 a v roku 2016 dostali mená nihónium (Nh, podľa Japonska), moskovium (Mc, podľa Moskovskej oblasti), tennessín (Ts, podľa amerického štátu Tennessee) a oganesón (Og, podľa fyzika Jurija Oganesiana). Tým sa zaplnila celá 7. perióda.

rozšírenie Ostrov stability a 8. perióda

S rastúcim Z sa jadrá stávajú čoraz nestabilnejšími, pretože elektrické odpudzovanie protónov prevažuje nad jadrovými silami. Jadrová fyzika však predpovedá, že jadrá s takzvanými magickými počtami protónov a neutrónov sú stabilnejšie. Okolo Z = 114 a N = 184 by mohol ležať ostrov stability, kde by niektoré superťažké jadrá mohli žiť minúty či dlhšie. Doteraz pripravené nuklidy majú primálo neutrónov, ²⁹⁴Og má len 176, a ostrov sa zatiaľ nepodarilo dosiahnuť.

Laboratóriá sa pokúšajú pripraviť prvky 119 a 120, ktoré by otvorili 8. periódu. Podľa výpočtov by sa v nej od Z = 121 začala zapĺňať nová podvrstva 5g a tabuľka by dostala blok g. Pri takých ťažkých atómoch sa však elektróny pohybujú tak rýchlo, že sa uplatňujú relativistické efekty, a vlastnosti prvkov nemusia zodpovedať ich polohe v tabuľke.

Mená prvkov sú malou kronikou chémie:

pôvod mena	príklady
krajiny a mestá	germánium (Nemecko), gálium (Francúzsko), polónium (Poľsko), amerícium, dubnium (Dubna)
vedci	curium (Marie a Pierre Curie), einsteinium, mendelévium, nobélium, meitnérium
vlastnosti	chlór (žltozelený), bróm (zapáchajúci), jód (fialový), vodík (tvorí vodu)
mytológia a vesmír	titán (Titáni), prométium (Prométeus), urán, neptúnium, plutónium, hélium (Slnko)

Rekordérom je švédska dedinka Ytterby: podľa nej dostali mená až štyri prvky, ytrium, terbium, erbium a yterbium.

• Mendelejev neobjavil gálium ani germánium. Tieto prvky predpovedal, objavili ich iní chemici.
• Mendelejev nezoraďoval prvky podľa protónového čísla. Protóny ešte nepoznal, zoraďoval podľa hmotnosti a vlastností. Poradie podľa Z zaviedol až Moseley.
• Vzácne plyny v jeho pôvodnej tabuľke neboli. Objavili ich až v rokoch 1894 až 1898.
• Mendelejev nebol prvý. Pred ním skúšali prvky usporiadať Döbereiner a Newlands, súčasne s ním Meyer. Jeho tabuľka však ako prvá predpovedala nové prvky.

Ako je tabuľka usporiadaná dnes, sa dozvieš v lekcii Skupiny a periódy. Základné pojmy nájdeš v lekcii Úvod do periodickej sústavy prvkov.