Jaksollinen järjestelmä – alkuaineiden jaksollinen järjestelmä

Jaksollinen järjestelmä – 9 minuutissa jyvälle alkuainetaulukosta

Jaksollinen järjestelmä laittaa alkuaineet järjestykseen. Kuka keksi sen, ja mitä numerot merkitsevät? Viisastu järjestelmästä ja tutustu siihen, miten tutkijat löytävät uusia alkuaineita.

Jaksollinen järjestelmä laittaa alkuaineet järjestykseen. Kuka keksi sen, ja mitä numerot merkitsevät? Viisastu järjestelmästä ja tutustu siihen, miten tutkijat löytävät uusia alkuaineita.

Shutterstock

Mikä jaksollinen järjestelmä on?

Jaksollinen järjestelmä on alkuainetaulukko, joka sisältää kaikki tunnetut alkuaineet ja jonka järjestys auttaa ymmärtämään alkuaineiden suhteita toisiinsa. Vielä tänäkin päivänä löydetään uusia alkuaineita hiukkaskiihdyttimissä tehdyissä kokeissa.

KATSAUS: Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä

Jaksollinen järjestelmä
© Shutterstock

Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineet on ryhmitelty ja järjestetty atomipainon mukaan. Jaksollinen järjestelmä koostuu ryhmistä ja jaksoista. Pääryhmät 1-18 vastaavat taulukon pystysuoria sarakkeita. Vaakasuorat rivit ovat jaksoja. Saman ryhmän alkuaineilla on samankaltaiset kemialliset ominaisuudet. Esimerkiksi kaikki pääryhmä 18:n alkuaineet ovat jalokaasuja ja ryhmän 17 alkuaineet ovat halogeeneja. Jaksoihin alkuaineet sijoitetaan sen mukaan, miten monella kuorella niiden atomiytimen ympärillä on elektroneja. Kaikilla saman jakson alkuaineilla on yhtä monta elektronikuorta käytössä.

Kuka keksi jaksollisen järjestelmän?

Nykyisen alkuaineiden luokittelujärjestelmän kehitti venäläinen kemisti Dmitri Mendelejev vuonna 1869. Silloin tunnettiin vain 63 alkuainetta.

Mendelejev huomasi, että kun alkuaineet pantiin järjestykseen niiden painon mukaan, joka seitsemännellä niistä oli samanlaisia ominaisuuksia.

Niin hän piirsi kirjekuoren kääntöpuolelle taulukon, jossa alkuaineet oli ryhmitelty 18 sarakkeeseen sen mukaan, mitä yhtäläisyyksiä niiden kemiallisissa reaktioissa oli.

Taulukon seitsemän vaakasuoraa riviä olivat niin sanottuja jaksoja, joihin alkuaineet sijoitettiin sen mukaan, miten monella kuorella aineiden atomeissa oli elektroneja.

Ne kohdat taulukossa, joihin sopivia alkuaineita ei vielä ollut löydetty, Mendelejev jätti tyhjiksi.

Kun myöhemmin löydettiin uusia alkuaineita, jotka sopivat Mendelejevin taulukkoon, hänen järjestelmästään tuli vähitellen yleisesti hyväksytty.

Jaksollisen järjestelmän kehittäjä Dmitri Mendelejev

Dmitri Mendelejev kehitti jaksollisen järjestelmän vuonna 1869. Vuonna 1955 alkuaine numero 101 nimettiin hänen mukaansa mendeleviumiksi.

© Wikimedia Commons

On vain ajan kysymys, milloin jaksollista järjestelmää pitää laajentaa edelleen.

Tutkimusryhmät eri puolilla maailmaa kilpailevat siitä, mikä niistä ehtii ensimmäisenä esittelemään alkuaineen numero 119.

Mitä alkuainetaulukon numerot tarkoittavat?

Alkuaineiden ominaisuudet saivat teoreettisen selityksen vasta vuonna 1913, kun tanskalainen fyysikko Niels Bohr esitteli atomiteoriansa.

Bohrin teorian mukaan atomilla on ydin, jossa on protoneja ja joskus myös neutroneja.

Atomin paino riippuu ytimessä olevien protonien ja neutronien määrästä. Alkuaineet asetettiin järjestykseen jaksolliseen järjestelmään sen mukaan, miten monta protonia niiden ytimessä on. Aineen järjestysluku ilmaisee protonien määrän.

Kevyin alkuaine on vety, jonka järjestysluku on 1. Sillä on siis ytimessään yksi protoni. Raskain luonnossa esiintyvä alkuaine on plutonium, jolla on ytimessään 94 protonia. Siispä sen järjestyslukukin on 94.

Plutonium lisättiin jaksolliseen järjestelmään yhdessä neptuniumin (järjestysluvultaan 93) kanssa vuoden 1940 lopulla, kun Kalifornian yliopiston tutkijat onnistuivat tuottamaan aineet pommittamalla uraania neutroneilla ja raskaan vedyn ytimillä.

Luonnosta plutoniumia ja neptuniumia löydettiin vasta monta vuotta myöhemmin.

Miten jaksollista järjestelmää luetaan?

Jaksollisen järjestelmän pystysuorat sarakkeet kertovat alkuaineen ryhmän. Ryhmän alkuaineilla ovat samat kemialliset ominaisuudet, esimerkiksi kaikki ryhmän 18 alkuaineet ovat jalokaasuja. Jaksollisessa järjestelmässä on kaikkiaan 18 numeroitua ryhmää.

Vaakasuoria rivejä kutsutaan jaksoiksi. Alkuaineet on sijoitettu jaksoihin sen mukaan, miten monella kuorella aineiden atomeissa oli elektroneja.

Miten alkuaineet nimetään?

Useimmilla jaksollisen järjestelmän nimillä on erityinen merkitys. Jotkin niistä on nimetty kuuluisien tutkijoiden mukaan, kuten einsteinium, joka löydettiin räjäytettäessä ensimmäistä vetypommia.

Toiset voivat olla nimettyjä löytöpaikan mukaan, kuten germanium, joka löydettiin Saksassa.

On myös alkuaineita, jotka ovat saaneet nimensä mytologiasta, kuten torium, joka on nimetty ukkosenjumala Thorin mukaan. Nimi voi juontua myös erityisominaisuuksista, kuten pahasta hajusta tunnettu bromi, jonka nimi juontuu kreikan sanasta bromos, “löyhkä”.

Thorirun

Joidenkin alkuaineiden, kuten toriumin, nimi juontuu mytologiasta.

© Shutterstock

Mihin jaksollista järjestelmää voi käyttää?

Jaksollisen järjestelmän ryhmittelyn ansiosta on helppo nähdä, miten alkuaineet reagoivat keskenään. Esimerkiksi natrium on räjähdysherkkää ja kloori myrkyllistä, mutta yhdessä ne muodostavat natriumkloridia, joka on hyvinkin hyödyllinen yhdiste. Se on nimittäin ruokasuolaa.

Tieto alkuaineiden keskinäisistä reaktioista on ollut äärimmäisen tärkeää tekniikan, uusien materiaalien, lääkkeiden ja ravintoaineiden kehittämiselle.

Monet huipputekniset tuotteet, joista on tullut osa arkea, perustuvat tiettyjen alkuaineiden ominaisuuksiin. Tällaisia ovat esimerkiksi litteät näytöt ja aurinkokennot, joissa on indiumia ja galliumia, älypuhelimet, joiden komponenteissa on tantaalia, ja polttokennot, joihin käytetään platinaa.

Kaiken nykyelektroniikan tärkein alkuaine on pii. Se on niin sanottu puolijohde, eli sen sähkönjohtavuus on jossakin metallin (kuten kuparin) ja eristeen (kuten lasin) välimaastossa. Puolijohteita käytetään muun muassa transistoreissa, aurinkokennoissa, valodiodeissa ja tietokoneiden ja puhelimien virtapiireissä.

Monet elektroniikassa käytettävät alkuaineet ovat niin harvinaisia, että ne eivät ehkä riitä, jos elektroniikan tuotanto kasvaa tulevaisuudessa. Ongelma saatetaan ratkaista kehittämällä keinotekoisia alkuaineita. Keinotekoisia alkuaineita ovat ne, joiden järjestysluku on 94 tai sitä suurempi.

Keinotekoiset alkuaineet pidentävät jaksollista järjestelmää

Raskaita alkuaineita käytetään niin palohälyttimissä (amerikium) kuin ydinaseissakin (plutonium). Keinotekoisesti valmistetut superraskaat alkuaineet hajoavat kuitenkin sekunnin murto-osassa, joten niille ei ole löydetty käytännön sovelluksia.

On epävarmaa, milloin saadaan aikaan niin vakaita keinotekoisia superraskaita alkuaineita, että niitä voidaan käyttää uusissa materiaaleissa. Uusia, järjestysnumeroltaan yhä suurempia alkuaineita kehitellään kuitenkin koko ajan.

Uusia superraskaita alkuaineita syntyy, kun hiukkaskiihdyttimessä törmäytetään kevyempiä atomiytimiä niin, että ne sulautuvat yhteen. Törmäyttäminen vaatii suurta tarkkuutta ja paljon kärsivällisyyttä, ennen kuin ytimet sulautuvat.

Näin jaksolliseen järjestelmään luodaan uusia raskaita alkuaineita
© Claus Lunau

1. Kiihdytin antaa atomeille vauhtia

Jos halutaan tuottaa moskoviumia, jonka järjestysnumero on 115, hiukkaskiihdyttimeen pannaan kevyitä kalsiumatomeja. Atomeja virtaa kiihdyttimeen biljoonia sekunnissa kuukausien ajan.

Näin jaksolliseen järjestelmään luodaan uusia raskaita alkuaineita
© Claus Lunau

2. Kevyet atomit osuvat raskaaseen

Kalsiumatomit osuvat pyörivässä kiekossa oleviin amerikiumatomeihin. Amerikium on raskas alkuaine. Jos törmäysvoima on juuri oikea, atomit sulautuvat uudeksi aineeksi.

Näin jaksolliseen järjestelmään luodaan uusia raskaita alkuaineita
© Claus Lunau

3. Magneetti lajittelee aineet

Yhteentörmäyksissä syntyneet hiukkaset kulkevat magneettikentän läpi. Siinä erotellaan niistä tunnetut alkuaineet. Vain raskaimmat alkuaineet jatkavat matkaa.

Näin jaksolliseen järjestelmään luodaan uusia raskaita alkuaineita
© Claus Lunau

4. Ilmaisin löytää uuden aineen

Hiukkaskiihdyttimen ilmaisin mittaa atomien nopeuden ja massan. Niiden perusteella se tunnistaa uuden alkuaineen ja aineet, joiksi se hajoaa. Keinotekoiset alkuaineet pysyvät koossa vain pienen hetken.

Japanissa Riken-tutkimuskeskuksessa etsitään jo täyttä päätä alkuainetta numero 119. Se on saanut väliaikaisen nimen ununennium.

Rikenin johtaja Hideto En’yo uskoo, että alkuaineet 119 ja 120 löydetään vuoteen 2023 mennessä. Jos näin käy, jaksollisessa järjestelmässä alkaa uusi, kahdeksas jakso.

Jaksollisen järjestelmän viisi uusinta alkuainetta

  • Nihonium (Nh), nro 113
    Nihoniumin löysi japanilainen tutkijaryhmä vuonna 2004. Nimen kantasana on Nihon, joka on Japani japaniksi. Nihonium lisättiin jaksolliseen järjestelmään vuonna 2015.

  • Moskovium (Mc), nro 115
    Moskoviumin löysi venäläis-yhdysvaltalainen tutkijaryhmä vuonna 2003. Se lisättiin virallisesti jaksolliseen järjestelmään vuonna 2015. Nimen taustalla on Moskovan alue, missä sijaitsevassa Dubnan kaupungissa on Venäjän ydinfysiikan tutkimuskeskus.

  • Tennessiini (Ts), nro 117
    Tennessiinin löysivät yhdysvaltalaiset ja venäläiset tutkijat vuonna 2010. Jaksolliseen järjestelmään se liitettiin viisi vuotta myöhemmin. Se on nimetty USA:n osavaltion Tennesseen mukaan, sillä sen löytäneessä ryhmässä oli mukana Tennesseessä sijaitsevan Oak Ridgen tutkimuskeskuksen tutkijoita.

  • Oganesson (Og), nro 118
    Oganessonin löysi yhdysvaltalais-venäläinen tutkijatiimi vuonna 2002, ja se otettiin mukaan jaksolliseen järjestelmään vuonna 2015. Se on nimetty venäläisen fyysikon Juri Oganesjanin mukaan.

  • Livermorium (Lv), nro 116
    Löydettiin vuonna 2000 ja lisättiin jaksolliseen järjestelmään vuonna 2011 yhdessä fleroviumin (järjestysluku 114) kanssa. Syy siihen, että alkuaineet 114 ja 116 löydettiin ennen kuin 113 ja 115, on se, että alkuaineet, joilla on parillinen määrä protoneja, ovat hitusen vakaampia kuin ne, joiden protonimäärä on pariton. Siksi niitä on helpompi tuottaa.