Keemiliste elementide perioodilisussüsteem – müstiline või loogiline?
Keemia kui teaduse visuaalse identiteedi üheks komponendiks on tavainimese jaoks – lisaks laborinõudele, värvilistele vedelikele ja plahvatustele – ka keemiliste elementide perioodilisussüsteemi tabel.
Selle tabeli ruutudes on elementide ühe- või kahetähelised tähistused (sümbolid) ning need ruudud on tabelisse paigutatud eriskummalisel, kohati suuri tühimikke jätval moel.
Selliseid ruutudes elementide sümboleid kasutatakse aeg-ajalt ka disainielemendina. Ilmselt kuulsaim näide on seriaali "Breaking Bad" stiliseeritud pealkiri/logo, milles sõnade esimesed tähed on perioodilisustabelile omaselt ruutude sees ja kujutavad elementide broomi ja baariumi sümboleid.
Küsimused, mis asjaga lähemalt kursis olemata võivad tekkida, on näiteks: Kas need seal tabelis ongi ained, millega keemia tegeleb? Kas neid aineid nii vähe ongi? Miks tabel neid aineid kuidagi kompaktsemalt ei esitata? Kas need tühimikud seal tabeli ülaosas tähistavad avastamata aineid?
Keemilise elemendi mõiste ning keemilise elemendi ja aine tähenduste erinevus vajab ehk eraldi seletamist.
Keemilist elementi võib mõista kui aatomite tüüpi – sama aatomnumbriga aatomite kogumit. Nii näiteks vastab keemilisele elemendile vesinikule (sümbol: H) aatom, milles on üks prooton ja üks elektron ning vastavalt sellele aatomnumber 1. Keemilisele elemendile hapnikule (sümbol: O) vastab aatom, milles on 8 prootonit, 8 neutronit ja 8 elektroni. Hapniku aatomnumber on 8. Aatomnumber on aatomis olevate prootonite või elektronide arv (neid on alati ühepalju).
Ained koosnevad (enamasti) molekulidest ja keemilised elemendid on molekulide ehituskivid. Nii näiteks koosneb vee molekul valemiga H2O kahest vesiniku ja ühest hapniku aatomist. Hapnik, millest umbes 20% ulatuses koosneb meie õhk, koosneb hapniku molekulidest O2, milles kaks hapniku aatomit on omavahel ühinenud. Seega, sõna hapnik on kahetähenduslik: ühest küljest tähistab see elementi ja teisest küljest ainet/molekuli.
Keemiliste elementide lõplik hulk ei ole keemiale kui teadusele mingiks eriliseks piiranguks: ainete molekulid võivad olla uskumatult keerulised – elementide aatomid võivad olla üksteisega seotud erinevas vahekorras ja erineva ruumilise paigutusega. Seega on erinevaid molekule võimalik koostada sisuliselt lõpmatu hulk – kaugelt rohkem, kui neid mõistlikul moel on võimalik läbi uurida.
Perioodilisussüsteemi tabel reastab elemendid aatomnumbrite kasvu järjekorras ning paigutab need ridadesse ja veergudesse. Vesinikule järgneb heelium (He, aatomnumber 2), edasi liitium (Li, aatomnumber 3), seejärel berüllium (Be, aatomnumber 4) ja nii edasi. Miks aga on read ja veerud just sedasi koostatud? Miks on näiteks Mg ja Al vahel suur tühimik, samas kui Na ja Mg on kõrvuti? Osutub, et just nii on keemiliselt kõige sisukam elemente ridadesse ja veergudesse paigutada. Sellise olemusliku paigutuse loomine ei läinud inimkonnal sugugi libedasti. Keemia kui tõsise teaduse tekkeajaks võiks lugeda 16. sajandit, aga alles 19. sajandi teisel poolel sai keemiliste elementide süsteem enam vähem tänapäevase kuju.
Selleks ajaks oli enamik levinud keemilisi elemente (kokku umbkaudu 60) avastatud, nende aatommassid määratud ja omadused suures plaanis teada. Seega oli võimalik neid aatommassi kasvu järjekorras järjestada. See ongi tõepoolest üsna mõistlik järjestamise alus ja enamasti (kuigi mitte alati) vastab aatomnumbrite järjekorrale. Segadust tekitas aga see, et kui elemendid aatommassi kasvu järjekorras järjestada, tundusid nende omadused muutuvat täiesti süsteemitult – metallid vaheldusid mittemetallidega, kõrge reaktsioonivõimega elemendid üsna inertsetega.
Dmitri Ivanovitš Mendelejev (1834-1907) oli see teadlane, kellel õnnestus parimal moel see probleem lahendada. Mendelejev sattus selle kallal töötama, kuna tegeles muuhulgas ka õpetamisega ja soovis õpilaste jaoks keemilisi elemente süstematiseerida. Aastail 1868-1870 töötas ta õpiku "Keemia alused" (Основы Химий) kallal ja ühel ööl nägi ta enda väitel und, milles elemendid ühtäkki loogilisse süsteemi asetusid. Ärgates kirjutas ta selle kohe üles ja tänapäevase perioodilisustabeli eelkäija oligi sündinud.
Mendelejevi avastuse olulisim sisu oli äratundmine, et kui elemendid aatommassi kasvu järjekorras järjestada, siis nende omadused muutuvad teatava perioodilisusega. Kui koondada elemendid horisontaalsetesse ridadesse – perioodidesse – ja paigutada need teatud moel üksteise alla moodustuvad veergudest rühmad, milles asuvad sarnaste (ja rühmapidi alla liikudes ühtlaselt muutuvate) omadustega elemendid. Nii näiteks asuvad IA rühmas nn leelismetallid liitium, naatrium, kaalium jne, mis on kõik kõrge reaktsioonivõimega metallid, mis igapäevaelus tulevad ette vaid ühenditena, mitte ehedal kujul. Seevastu IB rühmas asuvad madala reaktsioonivõimega (vääris)metallid vask, hõbe ja kuld.
Mendelejev ei olnud ainus ja tegelikult isegi mitte esimene, kes märkas elementide omaduste muutumises perioodilisust. Näiteks Saksa teadlane Lothar Meyer avaldas mõnevõrra sarnase süsteemi juba 1864, samas kui Mendelejev esitas sellesisulise ettekande aastal 1869.
Mille poolest siis Mendelejev teistest parem oli? Ta eristus kahel moel. Esiteks suutis tema loodud süsteem hõlmata kõik tolleks ajaks tuntud elemendid, samas kui Meyeri omas oli neid vaid 28. Teiseks – ja see on veel olulisem – Mendelejev tegi täpselt seda, mida teadus tegema peab: oma loodud tabeli abil ta ennustas teadaolevate elementide omaduste põhjal mõnede veel avastamata elementide – galliumi, skandiumi ja germaaniumi – esinemist. Veelgi imetlusväärsem on, et ta ennustas vägagi korraliku täpsusega ka nende veel avastamata elementide omadusi. Sel põhjusel seostatakse perioodilisussüsteemi eeskätt just Mendelejevi nimega ja perioodilisustabelit nimetatakse sageli Mendelejevi tabeliks.
Perioodilisustabeli tänapäevase kuju juures on esmapilgul on ootamatu, et esimeses perioodis on vaid kaks elementi; teises ja kolmandas 8 elementi; perioodides 4 ja 5 on 18 elementi jne. Samuti on veider suurte tühimike esinemine tabelis.
Tänapäevaste teadmiste juures on tabeli selline kuju siiski igati mõistetav ja loogiline. Elemendid on tabelis järjestatud aatomnumbri järgi, mis ühtlasi vastab prootonite või elektronide arvule aatomis. Elektronide paigutus aatomituuma ümber on kihiline, kusjuures mida tuumale lähemal on elektronkiht, seda vähem elektrone sellele mahub. Esimesele, tuumale lähimale, kihile mahub kaks elektroni. Seega ongi esimese perioodis vaid kaks elementi. Teisele kihile mahub 8 elektroni jne. See vastab ka küsimusele, et kas tabeli ülemises osas olevates suurtes tühimikes saab ehk olla veel avastamata elemente – kahjuks ei saa.
Perioodid tabelis vastavad sellele mitmes elektronkiht on väliskiht. Väliskiht on keemia jaoks olulisim elektronkiht, sest just selle kihi elektronid osalevad keemilise sideme moodustamises. Rühmadesse paigutatakse elemendid nii, et samas rühmas olevate elementide välise elektronkihi ehitus on sarnane. See toob kaasa selle, et ka nende elementide keemilised omadused on sarnased. See seletab ka, miks Na ja Mg on kõrvuti, aga Mg ja Al vahel on lai tühimik: magneesiumi väliskihi ehitus on sarnane kaltsiumi omaga, aga alumiiniumi väliskihi ehitus on sarnane galliumi, mitte skandiumi omaga (vt tabel).
Mendelejevi kui teadlase suuruse tõeliseks mõistmiseks on kasulik teada, et tema ajal olid kõik kolm aatomite koostises olevat osakest – prooton, neutron, elektron – alles avastamata. See teadmine, et aatomid koosnevad neist kolmest osakesest, formuleerus korrektselt alles XX sajandi alguses. Seega, kogu eelnev selgitus, mis baseerub 20. Sajandi teadmistel aatomi ehitusest, oli 1869 aastal täiesti kättesaamatu.
Kas perioodilisussüsteem on ka veidi müstiline? Võimalik, et see on mõnevõrra kurvastav, aga praeguse aja keemiateaduse jaoks ei ole perioodilisussüsteemis mitte midagi müstilist. Mõningane põnevus on olemas vaid tabeli lõpus, kus asuvad veel avastamata elemendid. Kahjuks on need sellised elemendid, mille aatomituumad on sedavõrd ebastabiilsed, et neist mõnesid on suudetud saada vaid loetud aatomeid, mis seejärel üsna kiiresti radioaktiivselt lagunevad. Seega, neil elementidel saab vaevalt olla olulist praktilist väärtust, küll aga on need huvipakkuvad fundamentaalteaduse jaoks.