Roztwory i spółka - ebook

Wpro­wa­dze­nie

Ner­dzi tacy jak my mogą pod­cho­dzić do rze­czy z nie­iro­nicz­nym en­tu­zja­zmem.

Ner­dzi po­tra­fią ko­chać różne rze­czy, i to taką mi­ło­ścią, że chce się ska­kać, bry­kać i nie można się opa­no­wać.

Gdy ktoś na­zywa in­nych nerdem, głów­nie chce przez to po­wie­dzieć: „lu­bisz rze­czy”.

John Green

Chcę roz­po­cząć tę książkę od pew­nego wy­zna­nia.

Je­stem nerdką che­mii.

Je­stem che­miczką, mój mąż Josh jest che­mi­kiem, więk­szość na­szych przy­ja­ciół to też na­ukowcy. (Nie wszy­scy, ale nikt nie jest ide­alny). Słynę z tego, że na co dzień uci­nam so­bie po­ga­wędki o kwar­kach. Ra­zem z Jo­shem dys­ku­to­wa­li­śmy na randce o pa­ra­me­trach do­świad­cze­nia na­gro­dzo­nego No­blem i ostro się po­kłó­ci­li­śmy o to, który pier­wia­stek z układu okre­so­wego jest naj­lep­szy – pal­lad, rzecz ja­sna.

Ale wiem, że nie każdy tak ma.

Prawdę mó­wiąc, więk­szość osób tak nie ma.

Cza­sem trudno zro­zu­mieć che­mię. Do li­cha, ciężko ob­jąć ro­zu­mem całą na­ukę. Ist­nieje tak wiele nazw i re­guł, wszystko może wy­da­wać się nie­wia­ry­god­nie zło­żone. Do­ty­czy to zwłasz­cza che­mii, po­nie­waż nie mo­żemy jej zo­ba­czyć.

Na bio­lo­gii można prze­pro­wa­dzić sek­cję żaby.

Na­uczy­ciel może za­de­mon­stro­wać prze­jawy fi­zyki, ta­kie jak przy­spie­sze­nie, w praw­dzi­wym ży­ciu.

Ja nie mogę tak po pro­stu po­dać wam atomu.

Cza­sami na­wet moi przy­ja­ciele i człon­ko­wie ro­dziny nie ro­zu­mieją, co ro­bię. Moja naj­lep­sza przy­ja­ciółka, Chel­sea, sta­nowi tego ide­alny przy­kład. Jest me­ga­mą­dra, ro­zu­mie ogólne za­sady na­uki i pra­cuje jako ju­bi­lerka, więc ma do czy­nie­nia z che­mią. Ale Chel­sea ni­gdy nie ła­pała, co działo się na lek­cjach che­mii w na­szym li­ceum. Kiedy ja by­łam ocza­ro­wana, ona czuła się za­ra­zem znu­dzona i za­gu­biona. Cho­dzi­ły­śmy wtedy do dru­giej klasy, a ja nie ro­zu­mia­łam, co wtedy prze­ży­wała.

Dziś jed­nak to ła­pię. Pra­wie co­dzien­nie wi­dzę uczniów i uczen­nice jak Chel­sea.

Je­stem pro­fe­sorką na Uni­wer­sy­te­cie Tek­sań­skim w Au­stin i pro­wa­dzę za­ję­cia za­ty­tu­ło­wane „Che­mia w oto­cze­niu”. To kurs wpro­wa­dza­jący, prze­zna­czony dla stu­den­tów, któ­rzy praw­do­po­dob­nie ni­gdy wię­cej nie za­pi­szą się na na­uki ści­słe. Wy­obraź­cie so­bie stu­dentkę an­gli­styki, która pró­buje wy­brać naj­ła­twiej­sze ćwi­cze­nia z nauk ści­słych i chce zdać je na tróję – tak wy­gląda moja praca.

Pew­nego roku na pierw­szych za­ję­ciach stu­dent za­py­tał mnie o kwarki, co skoń­czyło się wy­gło­sze­niem przeze mnie dy­gre­sji na te­mat czą­stek ele­men­tar­nych atomu przed grupą pię­ciu­set świeżo upie­czo­nych pierw­szo­rocz­nia­ków. Nie­któ­rzy pró­bo­wali ro­bić sza­leń­cze no­tatki, inni po pro­stu ga­pili się na mnie, bę­dąc w róż­nym sta­dium to szoku, to stra­chu. Inni za­częli na­gry­wać te­le­fo­nami wi­deo z moim udzia­łem. Dwie dziew­czyny do­słow­nie kur­czowo ści­skały się na­wza­jem.

Całe zaj­ście może by­łoby za­bawne, gdy­bym nie na­pę­dziła stra­chu kil­ku­set stu­den­tom, któ­rzy po­sta­no­wili dać szansę che­mii (i mnie). Więk­szość z nich nie miała zie­lo­nego po­ję­cia, o czym mó­wię. Rów­nie do­brze mo­gła­bym ga­dać po klin­goń­sku. Je­stem pewna, że ta sy­tu­acja tylko spo­tę­go­wała mit, że na­uki ści­słe są nudne i nie­moż­liwe do zro­zu­mie­nia.

A to dla­tego, że li­czą się słowa, zwłasz­cza gdy mowa o na­uce.

Kiedy obro­ni­łam dok­to­rat, prze­sła­łam mo­jej ma­mie jako za­łącz­nik do ma­ila ko­pię mo­jej pracy dok­tor­skiej. Po kilku mi­nu­tach za­dzwo­niła do mnie. Za­nim zdą­ży­łam po­wie­dzieć „cześć”, usły­sza­łam jej śmiech w słu­chawce. Nie ro­zu­mia­łam, czemu się śmieje. Czy wy­sła­łam jej zły za­łącz­nik? Czy wła­śnie obej­rzała śmieszny fil­mik z ko­tem? Czy za­dzwo­niła do mnie przy­pad­kiem, bo miała te­le­fon w tyl­nej kie­szeni spodni?

W końcu wy­rzu­ciła z sie­bie: „Ka­tie, nie mam po­ję­cia, co zna­czą te wszyst­kie słowa! Co to jest ace… naf­tyl?”. Mama śmiała się tak do­no­śnie, że nie zdo­łała wy­du­sić ni­czego wię­cej. Mia­łam mę­tlik w gło­wie. Prze­cież po­wie­dzia­łam jej, o czym na­pi­sa­łam pracę. Czego nie ro­zu­miała?

Po czym otwo­rzy­łam plik i prze­czy­ta­łam pierw­szą li­nijkę:

Syn­tezy i wła­ści­wo­ści ka­ta­li­tyczne sze­ściu no­wych ka­ta­li­za­to­rów 1,2-ace­na­ftenu N-he­te­ro­cy­klicz­nego pal­ladu(II) na no­śniku kar­be­no­wym. Kar­ben ace­na­ftenu można wy­two­rzyć z za­sto­so­wa­niem pod­staw­ni­ków me­zy­ty­lo­wych lub 1,2-dii­zo­pro­pylo-N-ary­lo­wych.

W tam­tej chwili zro­zu­mia­łam – co prze­czy­tała moja mama, co usły­szeli moi stu­denci i co czuła Chel­sea. Moja mama nie miała po­ję­cia, co zna­czy ka­ta­li­za­tor 1,2-ace­na­ftenu N-he­te­ro­cy­klicz­nego pal­ladu(II) na ba­zie kar­be­nów.

I szcze­rze mó­wiąc, nie mu­siała tego wie­dzieć. (Gdy­by­ście się za­sta­na­wiali, to ro­dzaj ka­ta­li­za­tora sto­so­wa­nego w re­ak­cjach po­trzeb­nych do wy­pro­du­ko­wa­nia le­ków).

Che­mia jest fajna, wręcz cza­dowa, ale che­micy (łącz­nie ze mną) czę­sto mó­wią o na­ukach ści­słych w taki spo­sób, że znie­chę­cają wszyst­kich bez dok­to­ratu. W tej książce do­ko­nam cze­goś prze­ciw­nego. Moją mi­sją jest po­ka­za­nie mo­jej ma­mie – i wam wszyst­kim – dla­czego che­mia mnie pa­sjo­nuje. Dla­czego jest cu­downa, dla­czego jest wielce eks­cy­tu­jąca i dla­czego wy też po­win­ni­ście ją po­ko­chać.

Obie­cuję, że nie bę­dzie dys­ku­sji o kwar­kach ani na­wet opisu me­tody na­uko­wej. Ale za­nim skoń­czy­cie czy­tać tę książkę, zro­zu­mie­cie pod­stawy che­mii i zo­ba­czy­cie, że che­mia jest wszę­dzie: od szam­ponu, któ­rym my­je­cie rano włosy, po piękny za­chód słońca wie­czo­rem. Kryje się w po­wie­trzu, któ­rym od­dy­cha­cie; do­słow­nie nie mo­że­cie bez niej żyć. A im wię­cej o niej wiemy, tym bar­dziej po­tra­fimy do­ce­nić świat, w któ­rym ży­jemy.

Ro­zej­rzyj­cie się wo­kół sie­bie. Wszystko, co wi­dzi­cie, jest ma­te­rią. Cała ma­te­ria składa się z czą­ste­czek, a czą­steczki zbu­do­wane są z ato­mów.

Tusz na tej stro­nie to mo­le­kuła, która zo­stała wchło­nięta we włókna pa­pieru, a klej w opra­wie to tylko szy­kowna czą­steczka, która wiąże się za­równo z pa­pie­rem, jak i z okładką. Che­mia kryje się wszę­dzie i we wszyst­kim.

W pierw­szych czte­rech roz­dzia­łach wy­ja­śnię wam, co mu­si­cie wie­dzieć, aby zro­zu­mieć pod­stawy atomu, czą­ste­czek i re­ak­cji che­micz­nych. To taka che­mia 1.0 lub pod­su­mo­wa­nie tego, co mó­wiła wa­sza na­uczy­cielka, kiedy aku­rat pi­sa­li­ście li­ścik do naj­lep­szej przy­ja­ciółki w dru­giej kla­sie li­ceum. (Na mar­gi­ne­sie: obie­cuję, że do końca tej czę­ści wresz­cie za­ła­pie­cie, o co cho­dzi z ato­mami).

Druga część tej książki do­ty­czy che­mii w ży­ciu co­dzien­nym, od kawy, którą pa­rzy­cie rano, po wino, które pi­je­cie wie­czo­rem. Po­mię­dzy tymi dwoma punk­tami dnia ro­bimy mnó­stwo rze­czy: pie­czemy, sprzą­tamy, go­tu­jemy, ćwi­czymy, a na­wet idziemy na plażę. Przy oka­zji do­wie­cie się, jak działa che­mia w wa­szych te­le­fo­nach ko­mór­ko­wych, kre­mach do opa­la­nia i tka­ni­nach, a także in­nych przed­mio­tach co­dzien­nego użytku.

Na­pi­sa­łam tę książkę z na­dzieją, że nie tylko zła­pie­cie che­mię, ale się nią pod­nie­ci­cie. Mam na­dzieję, że od­kry­je­cie coś no­wego i nie­spo­dzie­wa­nego o świe­cie wo­kół nas – i że bę­dzie­cie chcieli po­dzie­lić się zdo­bytą wie­dzą z part­ne­rem czy part­nerką, dziećmi, przy­ja­ciółmi, ko­le­żan­kami i ko­le­gami w pracy… na­wet z nie­zna­jo­mymi z knajpy.

Po­nie­waż go­rąco wie­rzę, że dzięki mi­ło­ści do na­uki mo­żemy uczy­nić świat lep­szym miej­scem.

Za­cznijmy od razu.1. Li­czą się małe rze­czy.
Atom

Che­mia jest wszę­dzie i we wszyst­kim. Tkwi w te­le­fo­nie ko­mór­ko­wym, w ciele, w ubra­niu i w ulu­bio­nym kok­tajlu! Tłu­ma­czy, dla­czego lód roz­ta­pia się w wodę, i po­maga nam prze­wi­dzieć, co się sta­nie, je­śli po­łą­czymy dwa pier­wiastki, na przy­kład sód i chlor (uwaga, spoj­ler: po­wsta­nie sól).

Ale czym jest che­mia?

Fa­chowa de­fi­ni­cja mówi, że che­mia to na­uka o ener­gii i ma­te­rii oraz o tym, jak one na sie­bie od­dzia­łują. W tym kon­tek­ście ma­te­ria ozna­cza wszystko, co ist­nieje, za to ener­gia do­ty­czy re­ak­tyw­no­ści czą­steczki. (Czą­steczka to je­den z wielu nie­zwy­kle ma­łych ele­men­tów, z któ­rych składa się ma­te­ria. Wię­cej na ten te­mat prze­czy­ta­cie w dal­szej czę­ści książki).

Che­micy za­wsze chcieli prze­wi­dy­wać, jak bę­dzie wy­glą­dało od­dzia­ły­wa­nie mię­dzy dwiema czą­stecz­kami – in­nymi słowy, mieli ochotę pro­gno­zo­wać, co się sta­nie, je­śli po­łą­czymy dwie sub­stan­cje che­miczne. Sta­wiamy więc różne py­ta­nia i sta­ramy się na nie od­po­wie­dzieć. Czy sub­stan­cje che­miczne za­re­agują w tem­pe­ra­tu­rze po­ko­jo­wej? Czy doj­dzie do wy­bu­chu? Czy je­śli je pod­grze­jemy, to po­wstaną nowe wią­za­nia?

Aby od­po­wie­dzieć na ta­kie py­ta­nia, mu­simy zro­zu­mieć pod­stawy che­mii. Czyli mu­simy cof­nąć się do da­le­kiej prze­szło­ści, po­nie­waż che­mia to sta­ro­żytna na­uka. Bar­dzo sta­ro­żytna.

W V wieku dwóch fi­lo­zo­fów, De­mo­kryt i Leu­kip­pos, po­sta­wiło hi­po­tezę, że cały świat zbu­do­wany jest z ma­lut­kich, nie­po­dziel­nych ka­wał­ków zwa­nych ato­mos. W zbio­rze ese­jów opi­sy­wali, jak można po­łą­czyć mi­liony ato­mos, aby po­wstało to, co wi­dzimy wszę­dzie do­okoła nas; tak jak z kloc­ków Lego można zbu­do­wać różne przed­mioty, na przy­kład łódź lub od­lo­towy sta­tek ko­smiczny So­kół Mil­len­nium.

Cho­ciaż De­mo­kryt i Leu­kip­pos mieli cał­ko­witą ra­cję – i dziś dzierżą palmę pierw­szeń­stwa jako ci, któ­rzy po­dali de­fi­ni­cję idei atomu – to za ży­cia nie do­cze­kali się ak­cep­ta­cji stwo­rzo­nej przez sie­bie teo­rii. A to dla­tego, że ich po­mysł kłó­cił się z po­glą­dami dwóch in­nych ów­cze­snych fi­lo­zo­fów, Ary­sto­te­lesa i Pla­tona (któ­rzy byli ra­czej gru­bymi ry­bami).

Ary­sto­te­les i Pla­ton uwa­żali, że ma­te­ria na świe­cie (to zna­czy wszystko) składa się z po­łą­cze­nia ziemi, po­wie­trza, wody i ognia. We­dług ich teo­rii zie­mia jest zimna i su­cha, woda jest zimna i mo­kra, po­wie­trze jest go­rące i mo­kre, a ogień – go­rący i su­chy. I wszystko na świe­cie może po­wstać z po­łą­cze­nia tych czte­rech ży­wio­łów/ele­men­tów. Są­dzili też, że każdy przed­miot na świe­cie może prze­obra­zić się z ziemi w po­wie­trze, z po­wie­trza w ogień, z ognia w wodę i z po­wro­tem. Ich teo­ria gło­siła na przy­kład, że kiedy pali się kłoda, zmie­nia się ona z cze­goś zim­nego i su­chego (ziemi) w coś go­rą­cego i su­chego (ogień). Gdy ogień zga­śnie, wy­pa­lona kłoda ob­raca się znów w zie­mię, po­nie­waż jest wtedy zimna i su­cha.

Je­śli jed­nak ktoś zgasi ogień wodą, to spa­lone drewno sta­nie się po­łą­cze­niem dwóch ele­men­tów: ziemi i wody. Wów­czas spa­lony i mo­kry po­piół zaj­mie o wiele wię­cej miej­sca niż sterta su­chego po­piołu. Za­tem Ary­sto­te­les i Pla­ton wzięli to za znak, że każda ma­te­ria może stać się nie­skoń­cze­nie więk­sza lub mniej­sza wy­łącz­nie po­przez zmianę jej związ­ków.

De­mo­kry­towi bar­dzo nie po­do­bał się ten po­mysł. Uwa­żał, że mu­szą ist­nieć ja­kieś ogra­ni­cze­nia co do tego, jak mała może stać się dana rzecz. Po­wiedzmy, że kro­isz bo­che­nek chleba na pół. Po­tem znów prze­kra­jasz go na pół, i jesz­cze raz, i jesz­cze. W końcu, jak są­dził De­mo­kryt, za­brak­nie chleba do kro­je­nia. Gdy cze­goś nie można już po­dzie­lić, to wła­śnie ostatni mały ka­wa­łek bę­dzie po­je­dyn­czym ato­mem. I De­mo­kryt miał ra­cję!

Ale to się nie li­czyło, po­nie­waż Ary­sto­te­les był wów­czas ce­le­brytą po­śród fi­lo­zo­fów. Kiedy od­rzu­cił ideę ato­mos, wszy­scy po­szli jego śla­dem. Nie­stety Ary­sto­te­les się my­lił i ludz­kość przez ko­lejne dwa ty­siące lat błęd­nie in­ter­pre­to­wała świat jako zwią­zek ziemi, wody, po­wie­trza i ognia.

Niech to wy­brzmi. Dwa ty­siące lat!

Do­piero w XVII wieku ktoś do­star­czył wy­star­cza­jąco moc­nych do­wo­dów i zdo­łał pod­wa­żyć teo­rię Ary­sto­te­lesa. Dzi­waczny fi­zyk, Ro­bert Boyle, uwiel­biał prze­pro­wa­dzać eks­pe­ry­menty po to, by oba­lać po­wszech­nie przy­jęte do­gmaty. Zwró­cił uwagę na teo­rię Ary­sto­te­lesa i na­pi­sał książkę, w któ­rej do­wo­dził, że świat nie jest zbu­do­wany z ziemi, wody, po­wie­trza i ognia, jak są­dzili Grecy.

Boyle wy­ja­śnił, że jest ina­czej: świat składa się z pier­wiast­ków – ma­łych frag­men­tów ma­te­rii, któ­rych nie można po­dzie­lić na dwie mniej­sze czę­ści. Brzmi zna­jomo?

Pu­bli­ka­cja książki Boyle’a – pod traf­nym ty­tu­łem The Scep­ti­cal Chy­mist (Scep­tyczny che­mik) – była jak sy­gnał do startu w wy­ścigu po od­na­le­zie­nie tych ma­łych i nie­po­dziel­nych czę­ści zwa­nych pier­wiast­kami. Boyle uwa­żał wów­czas, że więk­szość po­wszech­nych ma­te­ria­łów, ta­kich jak miedź czy złoto, to związki owych pier­wiast­ków. Jed­nak wkrótce po wy­da­niu książki od­kryto te sub­stan­cje (oraz je­de­na­ście in­nych) i zde­fi­nio­wano je jako pier­wiastki.

Przy­kła­dowo mie­dzi użyto po raz pierw­szy w 9000 roku p.n.e. na Bli­skim Wscho­dzie, ale do­piero po pu­bli­ka­cji książki Boyle’a lu­dzie za­częli przy­glą­dać się jej uważ­nie. Bio­rąc pod uwagę nową myśl do­ty­czącą pier­wiast­ków, na­ukowcy za­częli są­dzić, że miedź nie jest związ­kiem pier­wiast­ków – ale sta­nowi pier­wia­stek sam w so­bie.

To samo stało się z oło­wiem, zło­tem, sre­brem… I w ten spo­sób roz­po­znano pierw­sze trzy­na­ście pier­wiast­ków. Póź­niej na­ukowcy stale szu­kali do­wo­dów, które wska­zy­wa­łyby na nowy pier­wia­stek. Do­pro­wa­dziło to do od­kry­cia fos­foru w 1669 roku, a w 1735 roku – ko­baltu i pla­tyny.

Dziś wiemy, że pier­wia­stek to do­kład­nie to, co opi­sał Boyle: sub­stan­cja, która nie ulega dal­szemu po­dzia­łowi na prost­sze i mniej­sze ele­menty pod­czas re­ak­cji che­micz­nej. Wiemy też, że pier­wiastki skła­dają się z mi­lio­nów, a na­wet mi­liar­dów ma­leń­kich ka­wa­łecz­ków ma­te­rii zwa­nych ato­mami (na­zwa po­cho­dzi od ory­gi­nal­nego ter­minu wy­my­ślo­nego przez De­mo­kryta: ato­mos). Jed­nak od­kry­cia tego do­ko­nano do­piero w 1803 roku, kiedy na taki po­mysł wpadł bry­tyj­ski na­uko­wiec John Dal­ton.

Prze­łom ten czę­sto na­zywa się teo­rią ato­mi­styczną. Dal­ton twier­dził, że wszyst­kie atomy w jed­nym pier­wiastku (po­wiedzmy, w wę­glu) są iden­tyczne oraz że wszyst­kie atomy w in­nym pier­wiastku (na przy­kład w wo­do­rze) też są iden­tyczne. Ale nie mógł wy­tłu­ma­czyć jed­nego: dla­czego atomy wę­gla róż­nią się od ato­mów wo­doru i na od­wrót.

Choć ów­cze­śni na­ukowcy nie wie­dzieli – jesz­cze – wszyst­kiego, przy­jęli teo­rię ato­mi­styczną, a jed­no­cze­śnie pró­bo­wali za­dać jej kłam. (Uwaga, spoj­ler: nie udało im się, po­nie­waż Dal­ton ma i miał ra­cję). Przez ko­lejne stu­le­cie prze­pro­wa­dzali eks­pe­ry­ment za eks­pe­ry­men­tem, pró­bu­jąc zna­leźć dziurę w ca­łym, to zna­czy w teo­rii Dal­tona. Ale wszyst­kie dane wciąż po­pie­rały hi­po­tezę Dal­tona o ato­mach w pier­wiast­kach.

W pew­nym mo­men­cie trio na­ukow­ców, Jo­seph Lo­uis Gay-Lus­sac, Ame­deo Avo­ga­dro i Jöns Ja­cob Be­rze­lius, pod­jęło wy­jąt­kowo bo­le­sny wy­si­łek i pró­bo­wało usta­lić masę ato­mową każ­dego pier­wiastka. Był to to­talny chaos. Każdy na­uko­wiec wy­ko­rzy­sty­wał inne tech­niki i pra­co­wał we­dług róż­nych stan­dar­dów, a pu­bli­ko­wane dane były zu­peł­nie sprzeczne. Pa­no­wał taki ba­ła­gan, że spo­łecz­ność na­ukowa po­sta­no­wiła zdać się na wło­skiego che­mika, Sta­ni­slaa Can­niz­zaro, który usta­no­wił tak roz­pacz­li­wie po­trzebne uni­wer­salne stan­dardy masy.

Je­stem zu­peł­nie nie­obiek­tywna, ale gdy­bym w po­ło­wie XIX wieku była ak­tywną na­ukow­czy­nią, nie tra­ci­ła­bym ani chwili na ten po­mysł. Jako ktoś, kto uwiel­bia roz­kła­dać rze­czy na czę­ści i skła­dać je na nowo, za­sta­na­wia­ła­bym się nad o wiele waż­niej­szym za­gad­nie­niem: skoro można roz­ło­żyć ma­te­rię na atomy, to z czego zbu­do­wany jest atom? Do dzi­siaj nie je­stem pewna, czy na­ukow­ców epoki wik­to­riań­skiej ogra­ni­czała do­stępna ów­cze­śnie tech­no­lo­gia, czy po pro­stu nie in­te­re­so­wała ich od­po­wiedź na to py­ta­nie. Bez względu na to, jaka była przy­czyna tego stanu rze­czy, do­piero pod ko­niec XIX wieku sir J. J. Thom­son po­sta­no­wił w końcu przyj­rzeć się bli­żej temu, jaka jest bu­dowa atomu, i prze­pro­wa­dził do­świad­cze­nia z pro­mie­niami ka­to­do­wymi.

W tym celu szczel­nie za­mknął szklaną rurkę z dwiema me­ta­lo­wymi elek­tro­dami we­wnątrz – wy­glą­dała mniej wię­cej jak za­mknięta kap­slem bu­telka z dwoma dłu­gimi, cien­kimi ka­wał­kami me­talu w środku. Thom­son w swoim eks­pe­ry­men­cie usu­nął moż­li­wie jak naj­wię­cej po­wie­trza z rurki i na­stęp­nie prze­pu­ścił na­pię­cie elek­tryczne przez elek­trody. Gdy to zro­bił, wy­raź­nie zo­ba­czył prąd prze­ska­ku­jący mię­dzy jed­nym me­ta­lo­wym ele­men­tem a dru­gim, co na­zwał pro­mie­nio­wa­niem ka­to­do­wym.

Pod­czas swo­ich ba­dań Thom­son zdo­łał okre­ślić, że pro­mie­nie ka­to­dowe są przy­cią­gane przez do­dat­nie ła­dunki i od­py­chane przez ła­dunki ujemne. Co waż­niej­sze, dzięki temu, że zmie­niał ro­dzaje me­talu, do­wie­dział się, że pro­mie­nio­wa­nie ka­to­dowe jest za­wsze ta­kie samo bez względu na pier­wia­stek.

Thom­son bar­dzo się ucie­szył z wy­ni­ków do­świad­cze­nia, bo wie­dział, że wska­zują na prze­ło­mowe od­kry­cie. Je­śli pro­mie­nie ka­to­dowe nie były uni­ka­towe dla każ­dego pier­wiastka czy atomu, to mu­siały re­pre­zen­to­wać je­den z ele­men­tów skła­do­wych, które bu­do­wały atom, a na­wet atomy róż­nych pier­wiast­ków. Jed­nak Thom­son, świa­domy, że jego ko­lega po fa­chu, na­uko­wiec John Dal­ton, wła­śnie prze­ko­nał wszyst­kich, że atomy były uni­ka­towe, oba­wiał się – i słusz­nie – że lu­dzie mu nie uwie­rzą. Eks­pe­ry­men­to­wał więc da­lej.

Dzięki róż­nym in­ten­syw­nym ob­li­cze­niom Thom­son od­krył, że wy­ko­rzy­sty­wane przez niego pro­mie­nie ka­to­dowe są znacz­nie lżej­sze od masy ja­kie­go­kol­wiek zna­nego atomu. To tak, jak­by­ście mieli zwa­żyć masę wszyst­kich kla­mek w domu, ale ona by­łaby o wiele, wiele mniej­sza od cał­ko­wi­tej masy domu. Tak samo by­łoby w przy­padku domu są­siada czy ro­dzi­ców. Thom­son od­krył, że każdy „dom” (to zna­czy atom) za­wiera tro­chę kla­mek, które są iden­tyczne i za­wsze lżej­sze od cał­ko­wi­tej masy domu.

Dla eks­pe­ry­mentu Thom­sona ozna­czało to, że wy­od­ręb­nił nie­zwy­kle mały ka­wa­łek z atomu. W za­sa­dzie wła­śnie od­krył elek­tron! Te ma­ciu­peń­kie ele­menty znaj­dują się we wnę­trzu atomu i mają ła­du­nek ujemny.

Prze­sko­czę te­raz w przy­szłość hi­sto­rii od­kryć do­ko­na­nych przez na­ukow­ców i zdra­dzę wam, że atom składa się z trzech nie­wiel­kich czę­ści: elek­tro­nów, pro­to­nów i neu­tro­nów. Pro­tony (na­ce­cho­wane ła­dun­kiem do­dat­nim) oraz neu­trony (które – do­brze zga­dli­ście – są neu­tralne) znaj­dują się w ją­drze (środku atomu), za to elek­trony miesz­czą się poza ją­drem. In­nymi słowy, je­żeli przy­jąć, że moje ciało to atom, to wów­czas moje nerki i wą­troba by­łyby pro­to­nami i neu­tro­nami. Elek­tro­nami by­łoby wszystko, co znaj­duje się na ze­wnątrz ciała, na przy­kład kurtka i rę­ka­wiczki.

Ła­two mo­gła­bym od­dać ko­muś kurtkę lub po­ży­czyć swoje rę­ka­wiczki, tak samo atomy po­tra­fią z ła­two­ścią wy­mie­niać się elek­tro­nami. Jed­nak gdyby ktoś ze­chciał za­brać mi wą­trobę albo nerki, nie by­łaby to dla niego ła­twi­zna. Czy jest to moż­liwe? Tak. Czy po ope­ra­cji by­ła­bym taka sama? Nie. Ana­lo­gicz­nie nie­zmier­nie trudno prze­ka­zać pro­tony.

Liczba pro­to­nów w ją­drze ato­mo­wym okre­śla, z ja­kim pier­wiast­kiem mamy do czy­nie­nia. Na przy­kład atom wę­gla za­wsze bę­dzie miał sześć pro­to­nów w ją­drze, atom azotu – za­wsze sie­dem pro­to­nów. Je­śli przy­pad­kiem atom azotu zgu­bił pro­ton, nie jest to już azot. Atom ten staje się wę­glem, po­nie­waż wę­giel ma sześć pro­to­nów. Pro­ces ten – zwany che­mią ją­drową – nie prze­biega tak ła­two. Prawdę mó­wiąc, w więk­szo­ści przy­pad­ków do­dat­kowy neu­tron na­leży wstrze­lić do atomu, aby wy­wo­łać roz­pad ją­drowy. Tę me­todę sto­suje się ak­tu­al­nie po to, by wy­pro­du­ko­wać w elek­trow­niach ją­dro­wych ener­gię (m.in. prąd).

Choć atomy rzadko przyj­mują lub od­dają pro­tony, uwiel­biają się nimi wy­mie­niać, a ma to spory zwią­zek z tym, jak są zbu­do­wane.

Wy­obraź­cie so­bie, że ubie­ra­cie się w mroźny zi­mowy dzień, który za­mier­za­cie spę­dzić na śniegu. Zdą­ży­li­śmy już so­bie po­wie­dzieć, że je­żeli je­ste­ście ato­mami, to wa­sze nerki i wą­troba są ją­drem, w któ­rym miesz­czą się pro­tony i neu­trony. Ale przyj­rzyjmy się uważ­niej war­stwom wa­szego ubioru. Naj­bliż­sza ciału – twoją bie­li­zną ter­miczną – by­łaby pierw­sza war­stwa elek­tro­nów. Bluzka i spodnie sta­no­wi­łyby ko­lejną war­stwę elek­tro­nową, po niej przy­szłaby pora na kurtkę i spodnie śnie­gowe.

Elek­trony krę­cące się w war­stwie „kurtki” – zwa­nej naj­bar­dziej ze­wnętrzną po­włoką (lub w skró­cie ze­wnętrzną po­włoką) – są w che­mii nie­zwy­kle ważne. Na­zy­wamy je elek­tro­nami wa­len­cyj­nymi i to wła­śnie one ła­two za­mie­niają się miej­scami z in­nymi ato­mami pod­czas re­ak­cji che­micz­nych. War­stwy ubra­nia chro­nią ciało przed ni­ską tem­pe­ra­turą w zi­mie, tak samo ze­wnętrzna po­włoka chroni wnę­trze atomu – tak zwaną po­włokę we­wnętrzną – przed ze­wnętrz­nymi si­łami.

Elek­trony we­wnętrz­nej po­włoki nie mogą od­dzia­ły­wać na inne atomy, po­nie­waż są osło­nięte elek­tro­nami wa­len­cyj­nymi. Ko­le­żanki i ko­le­dzy z two­jej pracy nie mogą zo­ba­czyć, jaką masz na so­bie bie­li­znę, po­nie­waż „osła­niają” ją bluzka i kurtka.

Ta za­leż­ność działa na rzecz atomu, po­nie­waż każda war­stwa elek­tro­nów jest ujem­nie na­ła­do­wana, za­tem war­stwy od­py­chają się wza­jem­nie. Zna­czy to, że za­wsze bę­dzie drobna prze­rwa mię­dzy war­stwą elek­tro­nów w ato­mie – tak samo jak za­wsze bę­dzie nie­wielki od­stęp mię­dzy bluzką a kurtką.

Wy­ko­rzy­stajmy tę me­ta­forę jesz­cze bar­dziej. Atomy mają różne roz­miary, a wszystko spro­wa­dza się do tego, jak wiele warstw „nosi” atom. Wszy­scy znamy ko­goś, kto za­wsze musi wkła­dać tonę ubrań, żeby nie było mu zimno, tym­cza­sem ktoś inny może spa­ce­ro­wać w krót­kich spoden­kach i san­da­łach przez cały rok. Ta sama re­guła do­ty­czy ato­mów: mniej­sze atomy nie no­szą zbyt wiele warstw, za to duże atomy mają ich całe mnó­stwo.

Kiedy wspo­mi­nam o elek­tro­nach wa­len­cyj­nych, pa­mię­taj­cie, że są to elek­trony „kurt­kowe”, no­szone na ze­wnętrz­nej po­włoce atomu. Za­pewne zdję­li­by­ście z sie­bie kurtkę w sło­neczny dzień, aby cie­pło bez­po­śred­nio roz­grzało skórę – i tak samo elek­trony są go­towe po­rzu­cić swoją ze­wnętrzną po­włokę i za­re­ago­wać z ze­wnętrz­nymi si­łami.

Może to brzmieć szo­ku­jąco, ale na­ukowcy zro­zu­mieli to, co wła­śnie wy­tłu­ma­czy­łam, do­piero w 1932 roku. Stało się tak w du­żej mie­rze dla­tego, że przez stu­le­cia ba­da­cze pra­co­wali w od­osob­nie­niu i z ogra­ni­czo­nym do­stę­pem do in­for­ma­cji (pa­mię­taj­cie, że była to epoka sprzed in­ter­netu). Aż do nie­dawna che­mia była po­wolną, mo­no­tonną dzie­dziną. Jed­nak na szczę­ście dziś wiemy, że atomy zbu­do­wane są z pro­to­nów, neu­tro­nów i elek­tro­nów – i że elek­trony mogą ła­two ule­gać wy­mia­nie mię­dzy ato­mami. Co wię­cej, daw­niej lu­dzie na­uki na ca­łym świe­cie zda­wali so­bie sprawę, że po­trzeba ujed­no­li­co­nego spo­sobu or­ga­ni­za­cji tego, czego do­wie­dzieli się o każ­dym ro­dzaju atomu.

I wtedy wła­śnie po­wstał układ okre­sowy pier­wiast­ków che­micz­nych.

Układ okre­sowy to nie tylko ściąga na lek­cje che­mii. Dla na­ukow­czyni ta­kiej jak ja jest nie­zbędny, po­nie­waż już na pierw­szy rzut oka mówi mi wszystko, co mu­szę wie­dzieć o da­nym pier­wiastku – po­znaję jego wła­ści­wo­ści i to, jak jego atomy będą się za­cho­wy­wać i w ja­kie in­te­rak­cje wcho­dzić.

Za­cznijmy od po­czątku. Gdy opra­co­wy­wano układ okre­sowy pier­wiast­ków, każ­demu pier­wiast­kowi na­le­żało nadać na­zwę i sym­bol che­miczny. Może się to wy­da­wać dość pro­ste i zro­zu­miałe, ale ta­kie nie było. Czę­sto się zda­rzało, że dwie osoby od­kry­wały – lub twier­dziły, że od­kry­wają – ten sam pier­wia­stek mniej wię­cej w tym sa­mym cza­sie, ale na­zy­wały go ina­czej. Jaka za­tem była ofi­cjalna na­zwa? Jak mo­że­cie so­bie wy­obra­zić, wy­bu­chały liczne kłót­nie, kiedy na przy­kład pan­chro­mium na­zwano wa­na­dem albo wol­fram mia­no­wano tung­ste­nem.

Jesz­cze w 1997 roku Stany Zjed­no­czone, Ro­sja i Niemcy ska­kały so­bie do oczu z po­wodu nazw pier­wiast­ków od 104 do 109. W 2002 roku Mię­dzy­na­ro­dowa Unia Che­mii Czy­stej i Sto­so­wa­nej (w skró­cie IU­PAC) w końcu po­ło­żyła kres tej bła­ze­na­dzie i za­re­ko­men­do­wała, jak na­leży na­zy­wać pier­wiastki w przy­szło­ści. Obec­nie gor­li­wie wy­peł­nia się te za­le­ce­nia, ale nada­nie ofi­cjal­nej na­zwy no­wemu pier­wiast­kowi wciąż może po­trwać na­wet dzie­sięć lat.

Wy­my­śle­nie sym­bolu che­micz­nego dla każ­dego pier­wiastka było o wiele ła­twiej­sze, po­nie­waż jest to skrót od na­zwy. Więk­szość to oczy­wi­sto­ści – na przy­kład He to hel, a Ga to gal, ale nie­które są mniej prze­wi­dy­walne, na przy­kład że­lazo. Jego sym­bol che­miczny – Fe – po­cho­dzi od ła­ciń­skiego słowa fer­rum. Dwa inne sym­bole che­miczne, które mogą po­ja­wić się w pu­bo­wym qu­izie, to W ozna­cza­jące wol­fram (tung­sten) i Hg ozna­cza­jące hy­drar­gy­rum (rtęć).

Gdy już każdy pier­wia­stek otrzyma na­zwę i sym­bol, przy­cho­dzi pora na przy­pi­sa­nie mu liczby ato­mo­wej. Liczba ato­mowa zga­dza się z liczbą pro­to­nów w ją­drze. Liczba ato­mowa wo­doru to 1, co ozna­cza, że pier­wia­stek ten ma tylko je­den pro­ton w ją­drze. Do­tych­czas naj­wyż­sza liczba ato­mowa wy­nosi 118. Pier­wia­stek o ta­kiej licz­bie to oga­ne­son (Og) i ma on 118 pro­to­nów w ją­drze.

Ozna­cza to, że oga­ne­son ma także 118 elek­tro­nów poza ją­drem. A to dla­tego, że liczba ato­mowa pier­wiastka wska­zuje także, ile elek­tro­nów znaj­duje się na ze­wnątrz ją­dra. Ważne, aby za­pa­mię­tać, że wszyst­kie pier­wiastki che­miczne po­winny być neu­tralne. Zna­czy to, że liczba pro­to­nów w środku ją­dra jest taka sama jak liczba elek­tro­nów poza nim. Za­tem wy­star­czy, że zer­k­niemy na liczbę ato­mową wo­doru – czyli 1 – i wiemy, że pier­wia­stek ma je­den pro­ton we­wnątrz i je­den elek­tron na ze­wnątrz. Bądźmy spe­cja­li­stami i zgłębmy to za­gad­nie­nie. Je­den pro­ton w ją­drze ma do­datni ła­du­nek (+1), który znosi ujemny ła­du­nek (−1), przez co pier­wia­stek jest neu­tralny (0). To samo dzia­ła­nie ma­te­ma­tyczne można prze­pro­wa­dzić z oga­ne­so­nem .

Nie­stety sprawa z neu­tro­nami nie jest taka pro­sta. Atomy róż­nią się liczbą neu­tro­nów, na­wet atomy tego sa­mego pier­wiastka. Za­tem che­micy po­sta­no­wili do­dać jesz­cze jedną liczbę do układu okre­so­wego pier­wiast­ków. Tak zwana masa ato­mowa okre­śla, ile pro­to­nów i neu­tro­nów znaj­duje się w ją­drze każ­dego pier­wiastka. W prze­ci­wień­stwie do liczby ato­mo­wej masa ato­mowa rzadko sta­nowi liczbę cał­ko­witą. Dzieje się tak, po­nie­waż na­ukowcy sto­sują śred­nią wa­żoną z liczby neu­tro­nów w ato­mie, po­tem do­dają ją do liczby pro­to­nów i w ten spo­sób okre­ślają masę ato­mową.

Po­szcze­gólne atomy ce­chują się sto­sun­kiem pro­to­nów do neu­tro­nów zbli­żo­nym do 1 : 1. Zna­czy to, że mo­żemy osza­co­wać masę ato­mową, po­dwa­ja­jąc liczbę ato­mową. Na przy­kład ma­gnez ma liczbę ato­mową 12 oraz masę ato­mową równą 24,3 (o 12 pro­to­nach i śred­niej wa­żo­nej 12,3 neu­trona), a wapń ma liczbę ato­mową 20 oraz masę ato­mową równą 40,1 (z 20 pro­to­nów i śred­niej 20,1 neu­trona).

Jed­nak, jak to w na­uce bywa, ist­nieją wy­jątki od re­guły. Przy­kła­dowo uran ma liczbę ato­mową 92, więc są­dzi­ła­bym, że jego masa ato­mowa równa się około 184. Ale masa ato­mowa tego pier­wiastka wy­nosi 238,03 z po­wodu liczby izo­to­pów uranu, które za­wie­rają różne liczby neu­tro­nów. Więk­szość ato­mów, jak na przy­kład uran, ma po kilka izo­to­pów, a izo­topy wy­stę­pują wtedy, gdy przy­naj­mniej dwa atomy tego sa­mego pier­wiastka mają różną liczbę neu­tro­nów. Żad­nego z izo­to­pów nie uważa się za „lep­szego” od reszty, więc do­da­jemy wszyst­kie atomy i po pro­stu wy­cią­gamy śred­nią z liczby neu­tro­nów. Ta śred­nia liczba to stan­dar­dowe ozna­cze­nie atomu. W przy­padku uranu mó­wimy o ura­nie-238. Ma­gnez i wapń to od­po­wied­nio ma­gnez-24 i wapń-40.

Izo­topy

Lu­bię mó­wić, że izo­topy to atomy z cha­rak­te­rem. Izo­top po­wstaje wtedy, gdy dwa atomy – lub wię­cej – tego sa­mego pier­wiastka mają różną liczbę neu­tro­nów. Izo­topy tak na­prawdę wy­stę­pują bar­dzo po­wszech­nie, ale nie mamy w zwy­czaju sku­piać się na nich, kiedy uczymy się che­mii, po­nie­waż neu­trony ce­chuje neu­tralny ła­du­nek. Za­tem nie wpły­wają one na to, jak atom za­cho­wuje się pod­czas ty­po­wej re­ak­cji che­micz­nej. (Po­świę­camy uwagę zwy­kle tym ele­men­tom, które wpły­wają na prze­bieg re­ak­cji: pro­to­nom i elek­tro­nom).

Skoro już so­bie to po­wie­dzie­li­śmy, to mo­żemy pod­kre­ślić, że na­ukowcy opi­sali każdy kie­dy­kol­wiek od­kryty izo­top, i są­dzę, że to cał­kiem faj­nie. Izo­topy – tak jak Lady Gaga w pio­sence Born this Way – „już się ta­kie uro­dziły” i wy­stę­pują w na­tu­rze na ca­łym świe­cie wraz z do­dat­ko­wymi neu­tro­nami.

Świet­nym przy­kła­dem jest wę­giel. Więk­szość ato­mów wę­gla ma sześć pro­to­nów i sześć neu­tro­nów. Jed­nak nie­które atomy wę­gla na­tu­ral­nie za­wie­rają sie­dem lub na­wet dzie­więć neu­tro­nów w ją­drze. Te do­dat­kowe neu­trony nie­ko­niecz­nie spra­wiają, że atomy wę­gla są bar­dziej re­ak­tywne lub stałe, ale to dzięki nim po­wstają izo­topy.

To tak, jak dwa psy tej sa­mej rasy mogą wy­glą­dać na pierw­szy rzut oka tak samo, ale je­den dal­ma­tyń­czyk może mieć kilka łat wię­cej od dru­giego. Dwa psy są pra­wie iden­tyczne, a te „do­dat­kowe” ciapki nie zmie­niają zbyt wiele ani w psie, ani w ra­sie. Tak samo dzieje się z izo­to­pami – do­dat­kowe neu­trony zwy­kle nie zmie­niają atomu ani pier­wiastka, ani na­wet tego, w ja­kie re­ak­cje izo­top wcho­dzi z in­nymi pier­wiast­kami. To po pro­stu do­dat­kowa de­fi­ni­cja.

Kiedy na­ukowcy opra­co­wali już na­zwy i sym­bole che­miczne, liczbę ato­mową i masę ato­mową każ­dego pier­wiastka, za­pra­gnęli tak zor­ga­ni­zo­wać dane, żeby można było prze­wi­dy­wać re­ak­tyw­ność che­miczną. Chcieli wie­dzieć, jak za­chowa się dany pier­wia­stek, tak aby unik­nąć nie­bez­piecz­nych re­ak­cji che­micz­nych: aby nie wy­two­rzyć ga­zów tok­sycz­nych ani nie wy­sa­dzić się w po­wie­trze. W tym celu naj­ła­twiej było roz­po­znać wspólne ele­menty łą­czące atomy i po­dzie­lić je we­dług fi­zycz­nych i che­micz­nych wła­ści­wo­ści.

Pod­jęto kilka prób uło­że­nia pier­wiast­ków w lo­gicz­nym po­rządku. Nie­miecki che­mik Jo­hann Döbe­re­iner usi­ło­wał po­dzie­lić wszyst­kie pier­wiastki na grupy li­czące po trzy i szybko za­uwa­żył, że więk­sze atomy czę­sto są bar­dziej wy­bu­chowe. Wkrótce inny nie­miecki na­uko­wiec, Pe­ter Kre­mers, pró­bo­wał po­łą­czyć dwie triady w kształt li­tery „T”. Pro­blem z me­todą triady był taki, że ba­da­cze mu­sieli za­pa­mię­tać za dużo pio­no­wych triad i nie można było pro­sto po­rów­nać jed­nej grupy z inną.

Dwaj pra­cu­jący nie­za­leż­nie od sie­bie na­ukowcy – Dmi­trij Men­de­le­jew oraz Lo­thar Meyer – do­szli do wnio­sku, że mogą upo­rząd­ko­wać wszyst­kie pier­wiastki w jed­nej ta­beli, je­śli usze­re­gują je zgod­nie z ro­snącą masą ato­mową. Dzięki tej me­to­dzie po­łą­czyli ni­czym puz­zle wszyst­kie triady Kre­mersa przy­po­mi­na­jące li­terę „T” – i tak oto po­wstał pierw­szy układ okre­sowy pier­wiast­ków.

Wy­jąt­ko­wym wkła­dem Men­de­le­jewa w uło­że­nie ta­blicy było umiesz­cze­nie na niej dwóch „no­wych” pier­wiast­ków. Gdy Men­de­le­jew ze­sta­wiał ze sobą dane, za­uwa­żył, że po­mię­dzy masą ato­mową zna­nych pier­wiast­ków wy­stę­puje pewna za­leż­ność, i zdał so­bie sprawę, że musi zo­sta­wić pu­ste miej­sce w ukła­dzie dla ko­lej­nych dwóch pier­wiast­ków, które zo­staną od­kryte w przy­szło­ści. Po­wiedzmy na przy­kład, że na­uczy­ciel ma­te­ma­tyki po­pro­sił was, że­by­ście okre­ślili, ja­kiej cy­fry bra­kuje w sze­regu: 2, 4, 8, 10. Pew­nie zo­ba­czy­cie, że w owym sche­ma­cie bra­kuje cy­fry 6, a ca­łość po­winna wy­glą­dać tak: 2, 4, 6, 8, 10.

Men­de­le­jew z grub­sza zro­bił to samo. Otrzy­mał grupy ato­mów o tej sa­mej licz­bie elek­tro­nów wa­len­cyj­nych, ale sche­mat rzą­dzący ich masą ato­mową nie do końca się zga­dzał. Wo­bec tego Men­de­le­jew nie tylko stwier­dził, że na­leży jesz­cze od­kryć pewne pier­wiastki, ale też po­tra­fił prze­wi­dzieć ich względną masę ato­mową. I jak wielu na­ukow­ców, któ­rych na­zwi­ska do tej pory wy­mie­ni­łam, Men­de­le­jew miał słuszne prze­czu­cie. Kiedy wy­izo­lo­wano i od­kryto gal (Ga) i ger­man (Ge), ko­lejno w 1875 i 1886 roku, Men­de­le­je­wowi w końcu przy­pi­sano od dawna za­le­głą za­sługę stwo­rze­nia pierw­szego praw­dzi­wego układu okre­so­wego pier­wiast­ków che­micz­nych.

Dzi­siej­szy układ okre­sowy po­wstał na fun­da­men­tach tego, który zo­stał opra­co­wany przez Men­de­le­jewa. Ma 7 okre­sów (po­zio­mych rzę­dów) i 18 grup (pio­no­wych ko­lumn) za­wie­ra­ją­cych nie­wiel­kie pro­sto­kąty. Każdy pro­sto­kąt sym­bo­li­zuje pier­wia­stek i za­wiera te same cztery stan­dar­dowe in­for­ma­cje, któ­rymi wów­czas na­ukowcy cha­rak­te­ry­zo­wali pier­wiastki: sym­bol, na­zwę che­miczną, liczbę ato­mową oraz masę ato­mową. Ma­jąc te wszyst­kie dane na wy­cią­gnię­cie ręki, che­micy tacy jak ja – i wy – mogą w mgnie­niu oka okre­ślić liczbę pro­to­nów, elek­tro­nów i elek­tro­nów wa­len­cyj­nych w ato­mie.

Układ okre­sowy pier­wiast­ków jest ba­da­czom nie­zbędny, po­nie­waż do­star­cza nie­wia­ry­god­nej ilo­ści in­for­ma­cji o pier­wiast­kach, które two­rzą wszelką ma­te­rię w świe­cie. Ta­blice Men­de­le­jewa są tak bar­dzo ważne, że w ze­szłym roku mój uni­wer­sy­tet wy­pra­wił im­prezę z oka­zji sto pięć­dzie­sią­tej rocz­nicy jej opra­co­wa­nia. Był układ okre­sowy uło­żony z ba­be­czek, prze­pro­wa­dzi­łam kilka po­ka­zów, a dzie­kan na­szego wy­działu wy­gło­sił piękną prze­mowę. To było jedno z naj­bar­dziej ner­dow­skich przy­jęć, na które kie­dy­kol­wiek mnie za­pro­szono, i szcze­rze mó­wiąc, ba­wi­łam się do­sko­nale.

Na końcu tej książki także znaj­dzie­cie układ okre­sowy pier­wiast­ków che­micz­nych, ale je­śli szu­ka­cie wer­sji elek­tro­nicz­nej, go­rąco po­le­cam pta­ble.com. Jesz­cze wiele razy będę na­wią­zy­wała tu do ta­blicy Men­de­le­jewa, więc chcę mieć pew­ność, że wy też wie­cie, jak z nich ko­rzy­stać. Ta­blica bę­dzie na­szym prze­wod­ni­kiem w roz­dziale o zdro­wiu i do­brym sa­mo­po­czu­ciu, a także pod­stawą ana­lizy che­mii, z którą mamy do czy­nie­nia na co dzień. Mu­simy znać po­ło­że­nie pier­wiast­ków w ukła­dzie okre­so­wym oraz wi­dzieć, co to ozna­cza dla re­ak­tyw­no­ści. Gdy bę­dziemy po­tra­fili zro­zu­mieć układ okre­sowy pier­wiast­ków, poj­miemy także, dla­czego za­wsze po­win­ni­śmy sto­so­wać szam­pon i od­żywkę tej sa­mej marki albo czemu upie­czone przez was cia­sto nie wy­gląda tak jak to, które wi­dzie­li­ście w pro­gra­mie ku­li­nar­nym Ma­ster­Chef.

Za­cznijmy od przy­kładu. Otwórz­cie, pro­szę, książkę na ukła­dzie okre­so­wym pier­wiast­ków i znajdź­cie pro­sto­kąt z sym­bo­lem che­micz­nym wo­doru – H – w le­wym gór­nym rogu ta­beli. Je­śli zer­k­nie­cie w górny róg pro­sto­kąta z li­terą „H”, zo­ba­czy­cie też cy­frę 1. Jest to liczba ato­mowa pier­wiastka, którą za­wsze po­ka­zuje się w gór­nej czę­ści okienka. Po­win­ni­ście też zna­leźć liczbę 1,008 w tym sa­mym pro­sto­ką­cie z li­terą „H”. Jest to masa ato­mowa, która za­wsze znaj­duje się na dole okienka.

Pew­nie za­uwa­ży­li­ście, że wo­dór mie­ści się na szczy­cie więk­szej ko­lumny. Każda ko­lumna w ukła­dzie okre­so­wym pier­wiast­ków na­zywa się grupą lub ro­dziną, a nu­mer ko­lumny wska­zuje na liczbę elek­tro­nów wa­len­cyj­nych, które za­wiera każdy pier­wia­stek. (Pa­mię­taj­cie, elek­trony wa­len­cyjne znaj­dują się na ze­wnętrz­nej po­włoce – ni­czym kurtka).

Jak mó­wić w ję­zyku che­mi­ków?

Je­śli chce­cie brzmieć jak che­micy, odej­mij­cie 10 od nu­meru ko­lumny w ukła­dzie okre­so­wym da­nego pier­wiastka. Więk­szość na­ukow­ców mówi o gru­pach 3, 4, 5, 6, 7 i 8, za­miast o ko­lum­nach 13, 14, 15, 16, 17 i 18. A to dla­tego, że nu­mer grupy od­po­wiada licz­bie elek­tro­nów wa­len­cyj­nych. Nie do­ty­czy to ko­lumn 3–12, po­nie­waż pier­wiastki z tych grup nie za­wsze dzia­łają zgod­nie z tra­dy­cyj­nymi za­sa­dami, które rzą­dzą elek­tro­nami wa­len­cyj­nymi. Jed­nak w przy­padku ko­lumn 13–18 uży­wamy ła­twych skró­to­wych opi­sów, po­nie­waż liczba elek­tro­nów wa­len­cyj­nych po­zwala nam prze­wi­dzieć, jak dany atom bę­dzie się za­cho­wy­wał w od­mien­nych wa­run­kach.

Weźmy na przy­kład wo­dór, który znaj­duje się w pierw­szej ko­lum­nie, za­tem może mieć tylko je­den elek­tron wa­len­cyjny. Z tego po­wodu lit, sód i wszyst­kie po­zo­stałe pier­wiastki z tej grupy także mu­szą mieć je­den elek­tron wa­len­cyjny. Mo­żemy za­tem za­ło­żyć, że wszyst­kie pier­wiastki che­miczne z pierw­szej grupy będą za­cho­wy­wały się bar­dzo po­dob­nie do sie­bie w po­dob­nych wa­run­kach. Mogę was za­pew­nić, że wo­dór (i wszyst­kie inne pier­wiastki z grupy pierw­szej) lubi od­da­wać swój elek­tron in­nym ato­mom i bę­dzie wy­ka­zy­wał nie­zwy­kle wy­soką re­ak­tyw­ność che­miczną. Ale dla­czego tak się dzieje?

Za­pewne lu­dzie spoza kręgu na­uki po­my­ślą zgod­nie z lo­giką, że pier­wia­stek z jed­nym elek­tro­nem wa­len­cyj­nym zro­biłby wszystko, co w jego mocy, aby ochro­nić (i za­trzy­mać) swój je­dyny wa­len­cyjny elek­tron. W rze­czy­wi­sto­ści jed­nak atomy dzia­łają wręcz prze­ciw­nie – elek­tron zo­staje ode­pchnięty od ją­dra. Dziwne, prawda?

Roz­łóżmy ten pro­ces na czyn­niki pierw­sze. Skoro wiemy, że ją­dro (wa­sze nerki i wą­troba) ma ła­du­nek do­datni, to elek­trony (wa­sza bluzka i kurtka) będą mocno przy­cią­gane przez do­dat­nie cen­trum. Gdy jed­nak do atomu do­damy wię­cej elek­tro­nów, ist­nieje więk­sze praw­do­po­do­bień­stwo wy­stą­pie­nia od­py­cha­nia po­mię­dzy elek­tro­nami. In­nymi słowy, twoja bluzka bę­dzie od­py­chała twoją kurtkę. Za­tem ją­dro nie bę­dzie trzy­mało się kur­czowo swo­jego je­dy­nego lub dwóch elek­tro­nów wa­len­cyj­nych, ale za­miast tego we­wnętrzna po­włoka od­py­cha elek­trony wa­len­cyjne w ato­mie (twoja bluzka od­py­cha kurtkę od ciała).

Z tego po­wodu więk­szość pier­wiast­ków o dwóch elek­tro­nach także jest dość re­ak­tywna. Są odro­binę bar­dziej sta­tyczne od pier­wiast­ków z jed­nym elek­tro­nem, ale co do za­sady pier­wiastki w gru­pie dru­giej bez pro­blemu od­dają swoje elek­trony. Be­ryl, ma­gnez, wapń i stront to świetne przy­kłady pier­wiast­ków o dwóch elek­tro­nach wa­len­cyj­nych, w któ­rych elek­trony od­py­chają się tak samo jak w pier­wiast­kach z grupy pierw­szej.

Wę­giel i krzem znaj­dują się w czwar­tej ko­lum­nie, za­tem mają po cztery elek­trony wa­len­cyjne. Czyli mo­żemy się spo­dzie­wać, że wę­giel i krzem za­cho­wają się bar­dzo po­dob­nie w zbli­żo­nych wa­run­kach. Che­micy wie­dzą już, że za­równo wę­giel, jak i krzem są dość sta­tyczne, mo­żemy więc się do­my­ślać, że po­dob­nie jest z każ­dym in­nym pier­wiast­kiem z grupy czwar­tej – tak jak dzieje się z ge­ra­nium, cyną i oło­wiem.

Men­de­le­jew traf­nie prze­wi­dział, że che­micy w przy­szło­ści będą chcieli od­kryć, w jaki spo­sób pier­wiastki będą na sie­bie od­dzia­ły­wały. Wła­śnie dla­tego upo­rząd­ko­wał układ okre­sowy pier­wiast­ków che­micz­nych, z któ­rego ko­rzy­stamy do dziś, we­dług elek­tro­nów oraz masy ato­mo­wej. (Także z tego po­wodu ta­blica Men­de­le­jewa ma kształt kie­li­cha, a nie pro­sto­kąta. Ob­szerne luki na szczy­cie układu okre­so­wego po­zwa­lają usze­re­go­wać pier­wiastki we­dług ich fi­zycz­nych i che­micz­nych wła­ści­wo­ści).

Gdy prze­su­wamy pal­cem w dół ko­lumny układu okre­so­wego pier­wiast­ków, atomy ro­bią się co­raz więk­sze. Ogól­nie rzecz uj­mu­jąc, naj­więk­sze atomy znaj­dują się w le­wym dol­nym rogu ta­blicy Men­de­le­jewa, a naj­mniej­sze pla­sują się w pra­wym gór­nym rogu.

Każdy rząd – lub okres (stąd na­zwa układu okre­so­wego) – ozna­cza do­dat­kową „war­stwę” elek­tro­nów w da­nym ato­mie. Wę­dru­jąc w po­przek okresu w ukła­dzie okre­so­wym (z le­wej strony do pra­wej), na­tra­fiamy na co­raz mniej­sze atomy. Wy­daje się, że jest na od­wrót, prawda? Jak to moż­liwe, że hel jest mniej­szy od wo­doru?

W każ­dym ko­lej­nym okre­sie każdy pier­wia­stek zy­skuje po jed­nym do­dat­ko­wym pro­to­nie i elek­tro­nie. Zna­czy to, że do­datni ła­du­nek ją­dra wzra­sta za każ­dym ra­zem, gdy ro­śnie liczba ato­mowa. Im więk­szy ła­du­nek do­datni, tym bar­dziej elek­trony wa­len­cyjne przy­cią­gane są do środka atomu (czyli do ją­dra).

Przy­kła­dowo ła­du­nek ją­dra wo­doru wy­nosi +1. Wo­dór po­cho­dzi z pierw­szej grupy, więc mo­żemy za­ło­żyć, że ma także je­den elek­tron wa­len­cyjny. Ozna­cza to, że ła­du­nek ją­dra +1 jest przy­cią­gany przez ła­du­nek −1 w elek­tro­nie.

Ale po­rów­najmy tę za­leż­ność do przy­cią­ga­nia w ato­mie helu. Hel leży w dru­giej gru­pie, są­dzimy więc, że ma dwa pro­tony i dwa elek­trony. Przy­cią­ga­nie ła­dunku +2 w ją­drze przez ła­du­nek −2 elek­tronu wa­len­cyj­nego jest znacz­nie więk­sze niż przy­cią­ga­nie mię­dzy ła­dun­kami +1 i −1 w wo­do­rze. Zna­czy to, że elek­trony wa­len­cyjne są za­sy­sane w kie­runku ją­dra o wiele sil­niej, niż przy­cią­gane są elek­trony wa­len­cyjne wo­doru. Za­tem hel ma mniej­szy pro­mień ato­mowy od wo­doru.

Je­śli ze­sta­wimy od­py­cha­nie po­mię­dzy elek­tro­nami oraz przy­cią­ga­nie mię­dzy pro­to­nami i elek­tro­nami, za­czniemy za­uwa­żać kilka tren­dów obo­wią­zu­ją­cych w ukła­dzie okre­so­wym pier­wiast­ków. Naj­ła­twiej za­pa­mię­tać za­sadę rzą­dzącą gru­pami i okre­sami, po­wta­rza­jąc: „gruby frans”. Frans, je­den z naj­więk­szych ato­mów w ukła­dzie okre­so­wym pier­wiast­ków che­micz­nych, znaj­duje się w le­wym dol­nym rogu i ma liczbę ato­mową 87. Ma 87 pro­to­nów, 87 elek­tro­nów i śred­nio 136 neu­tro­nów. Gdyby frans był osobą, no­siłby na so­bie SPORO ubrań.

Jest jesz­cze je­den wnio­sek, który można wy­snuć po sa­mym zer­k­nię­ciu na układ okre­sowy, a mia­no­wi­cie to, jak bar­dzo dany atom jest po­datny na zmianę. Pa­mię­taj­cie, atomy po­tra­fią dość ła­two tra­cić i zy­ski­wać elek­trony – to dla nich jak ścią­gnię­cie kurtki, a dla więk­szych ato­mów, ta­kich jak frans, jak zdję­cie z sie­bie war­stwy ubrań.

Go­to­wość pier­wiastka do zy­ska­nia lub utraty elek­tro­nów na­zy­wamy po­wi­no­wac­twem elek­tro­no­wym. Przy­kła­dowo więk­szość pier­wiast­ków z pra­wego gór­nego rogu układu okre­so­wego, ta­kich jak tlen i fluor, ma duże po­wi­no­wac­two elek­tro­nowe, co zna­czy, że roz­pacz­li­wie pra­gną wzbo­ga­cić się o elek­tron. Pier­wiastki z siód­mej grupy (ko­lumny 17) owiane są złą sławą, po­nie­waż pra­gną ukraść elek­tron z są­sia­du­ją­cego atomu, przy czym fluor ce­chuje się naj­więk­szą re­ak­tyw­no­ścią.

Jon – co to ta­kiego?

Kiedy atom zy­ska (lub straci) elek­tron, na­zy­wamy go jo­nem. Ter­min anion ozna­cza każdy atom, który zdo­był przy­naj­mniej je­den elek­tron, a ka­tion – każdy atom, który stra­cił przy­naj­mniej je­den elek­tron.

Naj­pierw przyj­rzyjmy się anio­nom. Anion za­wsze ma ła­du­nek ujemny i wię­cej elek­tro­nów niż pro­to­nów. Bę­dzie też więk­szy od od­po­wia­da­ją­cego mu neu­tral­nego atomu. Gdyby mój mąż od­dał mi swój duży pu­chaty płaszcz, wy­glą­da­ła­bym w nim na więk­szą. Po­dob­nie atom, który zy­skał elek­tron (te­raz zwany anio­nem), staje się więk­szy. Świet­nym przy­kła­dem jest fluor. Atomy flu­oru za­wsze dążą do zdo­by­cia jed­nego elek­tronu, aby prze­mie­nić się w anion flu­or­kowy (F–). Kiedy fluor jest neu­tralny, po­zo­staje bez­u­ży­teczny dla ludz­kiego ciała. Ale gdy tylko zy­skuje elek­tron, staje się flu­or­kiem (anio­nem), a tym sa­mym mi­kro­skład­ni­kiem od­żyw­czym, który prze­ciw­działa próch­nicy i wspiera zdrowy wzrost ko­ści w ciele czło­wieka. Moim zda­niem to fa­scy­nu­jące, że je­den nie­wielki elek­tron po­wo­duje tak ogromne zmiany we wła­ści­wo­ściach che­micz­nych atomu.

Ter­mi­nem ka­tion na­zy­wamy każdy atom, który stra­cił je­den lub wię­cej elek­tro­nów. W przy­kła­dzie z pu­cha­tym płasz­czem mój mąż sym­bo­li­zuje ka­tion, gdy daje mi swoje okry­cie wierzch­nie – czyli elek­tron. Ka­tiony za­wsze mają po­zy­tywny ła­du­nek i wię­cej pro­to­nów niż elek­tro­nów. Wy­dają się też mniej­sze od po­cząt­ko­wego neu­tral­nego atomu – tak samo jak mój mał­żo­nek wy­da­wałby się mniej­szy, kiedy prze­ka­załby mi już swój płaszcz.

Atomy, które z naj­więk­szym praw­do­po­do­bień­stwem staną się ka­tio­nami – w prze­ci­wień­stwie do po­wszech­nych anio­nów – znaj­dują się w le­wym gór­nym rogu układu okre­so­wego pier­wiast­ków, tak jak lit czy be­ryl. Pier­wiastki te mają je­den lub dwa elek­trony wa­len­cyjne, które mogą bez trudu prze­ka­zać in­nemu ato­mowi. Wła­śnie dla­tego aku­rat te pier­wiastki z o wiele więk­szym praw­do­po­do­bień­stwem zo­staną ka­tio­nami niż anio­nami.

Za­sada ta do­ty­czy szcze­gól­nie pier­wiast­ków umiej­sco­wio­nych w gru­pie pierw­szej, zwłasz­cza litu. Atom litu musi stra­cić tylko je­den elek­tron, aby prze­mie­nić się w ka­tion litu (Li+). Ka­tiony litu w po­staci jonu można wy­ko­rzy­stać do le­cze­nia za­bu­rze­nia afek­tyw­nego dwu­bie­gu­no­wego, po­nie­waż po­ma­gają re­gu­lo­wać wraż­li­wość mó­zgu na do­pa­minę, pod­czas gdy neu­tralny me­tal litu nie ma ta­kiego wpływu na or­ga­nizm czło­wieka. Po­now­nie wi­dzimy, że do­da­nie lub usu­nię­cie za­le­d­wie jed­nego elek­tronu może ra­dy­kal­nie zmie­nić wła­ści­wo­ści fi­zyczne atomu.

Ostat­nią ka­te­go­rią, którą po­win­ni­ście po­znać, jest grupa ósma (ko­lumna 18). Wszyst­kie znaj­du­jące się tu­taj pier­wiastki na­zy­wamy nie­ak­tyw­nymi (obo­jęt­nymi). Pier­wiastki te nie chcą zdo­być elek­tronu ani go stra­cić. Wy­obra­żam so­bie pier­wiastki z tej grupy, ta­kie jak hel czy neon, jako lu­dzi, któ­rzy w so­botni wie­czór wolą zo­stać w domu i re­lak­so­wać się na ka­na­pie, za­miast wy­cho­dzić na mia­sto i ba­wić się na im­pre­zie. Wszyst­kie pier­wiastki z ósmej grupy (hel, neon, ar­gon, kryp­ton, kse­non i ra­don) zwiemy ga­zami szla­chet­nymi, po­nie­waż tak rzadko do­pusz­czają się in­te­rak­cji z in­nymi – ni­czym człon­ko­wie ro­dziny kró­lew­skiej.

Układ okre­sowy pier­wiast­ków che­micz­nych to znacz­nie wię­cej niż zwy­kła ścią­gawka. Kiedy pa­trzymy na ta­blicę Men­de­le­jewa, wi­dzimy stu­le­cia od­kryć do­ko­na­nych przez ty­siące – je­śli nie setki ty­sięcy – na­ukow­ców z ca­łego świata. Ko­rzy­sta­jąc z układu okre­so­wego, po­tra­fimy do­ko­nać wspa­nia­łych rze­czy, na przy­kład stwo­rzyć ob­ra­zo­wa­nie wy­kry­wa­jące no­wo­twór czy wy­na­leźć pół­prze­wod­niki, które umoż­li­wiają pracę pa­neli sło­necz­nych. Na­wet ba­te­rie li­towo-jo­nowe w te­le­fo­nie ko­mór­ko­wym czy lap­to­pie to wy­nik po­wta­rza­ją­cych się wzo­rów w ukła­dzie okre­so­wym – dzia­łają tylko dla­tego, że elek­trony po­ru­szają się w ato­mach i po­mię­dzy ato­mami. Dzięki so­lid­nej pod­sta­wie bu­dowy atomu ła­twiej nam raz po raz za­ob­ser­wo­wać prze­jawy in­te­rak­cji mię­dzy elek­tro­nami i pro­to­nami na świe­cie.

Skoro już po­ję­li­ście pod­stawy atomu – pro­tony, neu­trony i elek­trony – a także to, jak atomy two­rzą pier­wiastki, mo­żemy przejść do tego, co się dzieje, kiedy spo­ty­kają się dwa atomy róż­nych pier­wiast­ków. Tu wła­śnie che­mia robi się na­prawdę eks­cy­tu­jąca, po­nie­waż przy­cią­ga­nie po­mię­dzy ato­mami jest jak cho­dze­nie na randki lub za­wie­ra­nie no­wych przy­jaźni.

Czy po­jawi się przy­cią­ga­nie?

Jak tych dwoje za­re­aguje?

Czy stwo­rzą mię­dzy sobą więź?

Ciąg dal­szy w wer­sji peł­nej.