Obecna forma układu okresowego jest nam chyba wszystkim znana. Ot, pierwszy jest wodór o symbolu H, i kolejno poprzez hel, tlen, żelazo, cynę, uran aż do odkrytego całkiem niedawno liwermoru. Zapewne przyzwyczailiśmy się do tego, że wodór należy do niemetali i że leży w pierwszej grupie układu okresowego. Zazwyczaj tam leży. Zazwyczaj. Ale czy zawsze? Jest niemetalem, a te leżą po prawej stronie układu okresowego. To skąd wodór akurat tam? Zauważmy, że pierwszą grupę układu okresowego nazywamy litowcami, a w starych mądrych książkach potasowcami. No i właśnie, dlaczego to są litowce, a nie wodorowce? Może dlatego, że wodór jako jedyny w tej grupie jest niemetalem? No ale spróbujmy odpowiedzieć na pytanie, dlaczego wodór jest niemetalem: bo jest gazem w warunkach standardowych, tak najbardziej prozaicznie mówiąc.
Weźmy jednak pod uwagę kilka faktów co do budowy układu okresowego. Forma układu okresowego, którą dziś się posługujemy, została spopularyzowana dopiero w latach 80-tych (ponad 100 lat od odkrycia prawa Mendelejewa):
Chociaż dziś wydaje nam się to oczywiste, to jednak budowa układu okresowego spędzała sen z powiek wielu uczonych. I to częściej niż nam to się dziś wydaje. Sformułowanie prawa okresowości było naprawdę dużym osiągnięciem, ale mimo, że prawo to jest słuszne, to jednak budowa układu okresowego była kwestia wielu dyskusji jeszcze przez niemal 100 lat od jego odkrycia. A dlaczego? Bo za każdym razem się okazuje, że znajdzie się co najmniej jeden pierwiastek, który nigdzie idealnie nie pasuje.
Wróćmy do naszego wodoru. W każdym szkolnym podręczniku jak byk stoi, że to niemetal. To dlaczego leży w pierwszej grupie zwanej (nomen omen) litowcami? Zauważmy, że choć tę grupę zwiemy litowcami, to jednak wodór mimo że leży w niej, nie jest litowcem, bo litowcami, a dawniej potasowcami nazywamy: lit, sód, potas, rubid cez i frans. W żaden sposób jednak nie odpowiada to na pytanie, dlaczego niemetal leży w grupie składającej się z metali. Wszystkie metale z pierwszej grupy są bardzo aktywne, zapewne wielu z czytelników widziało reakcję sodu z wodą, a co niektórzy jeszcze bardziej gwałtowną, bo właściwie wybuchową reakcję potasu z wodą. Podobnie jak litowce, wodór posiada tylko jeden elektron w sferze walencyjnej – co przemawia za tym, by go tam umieścić. Pierwiastek ten w wielu reakcjach zachowuje się jak metal. Ot, weźmy roztwarzanie metali w kwasach nieutleniających:
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
Cu + HCl → nie zachodzi
porównajmy to z reakcjami wypierania metali:
Zn + CuCl2 → ZnCl2 + Cu
Fe + CuCl2 → FeCl2 + Cu
Ag + CuCl2 → nie zachodzi
Metal aktywniejszy wypiera metal mniej aktywny z jego soli, o czym uczą już w gimnazjach. Przypomnijmy sobie jednak, że przecież w tym szeregu jest… Wodór! Niemetal w szeregu napięciowym metali, a ten niemetal zachowuje się jak metal. Roztwarzanie metali w kwasach jest bowiem niczym innym jak wypieraniem wodoru przez metale od niego aktywniejsze. W końcu kwas solny to nic innego jak roztwór chlorowodoru, czyli chlorku wodoru, kwas siarkowy to nic innego jak siarczan wodoru. Jednakże ktoś może powiedzieć, że przecież sole są stałe, przeważnie krystaliczne, podczas gdy kwasy są ciekłe w temperaturze pokojowej. Na pewno? Część z nich tak, ale bezwodne kwasy też potrafią być stałe w temperaturze pokojowej (np. H2S2O7), choć mają niezbyt wysoką temperaturę topnienia w porównaniu do większości soli. Większości, bo temperatura topnienia soli zależy od jonowości wiązania między kationem a anionem, SnCl4 jest solą, a jest ciekły w temperaturze pokojowej, podobnie TiCl4.
Weźmy pod uwagę inne reakcje z udziałem wodoru: wodór może tworzyć związki z metalami o charakterze soli:
2K + H2 → 2KH
Ca + H2 → CaH2
i porównajmy to z reakcjami chlorowców z tymi samymi metalami:
2K + F2 → 2KF
2K + Cl2 → 2KCl
Ca + F2 → CaF2
Ca + Cl2 → CaCl2
A w związkach wodoru tego typu z metalami wodór jest anionem: H–, podobnie jak F– i Cl– .
Zatem wodór jest metalem, czy niemetalem? Ma właściwości i jednych, i drugich.
Spójrzmy teraz na elektroujemność wodoru: 2,20 w skali Paulinga. A teraz na elektroujemność litowców: 0,98 (Li), 0,93 (Na), 0,82 (K), 0,82 (Ru), 0,79 (Cs) i 0,70 (Fr). Wodór wyraźnie odstaje, prawda? No to teraz spójrzmy na elektroujemność fluorowców (w starszych książkach nazywanych chlorowcami): 3,98 (F), 3,16 (Cl), 2,96 (Br), 2,66 (I), 2,20 (At). Wodór ma praktycznie identyczną z astatem, pierwiastkiem metalicznym. Wodór ma też elektroujemność pośrednia pomiędzy borem (2,04) a węglem (2,55).
Pozostaje jeszcze jedna ważna rzecz. Wodór w stanie ciekłym nie wykazuje charakteru typowego dla stopionych metali, jednak w 1935 roku zasugerowano, że jest możliwe otrzymanie stałego wodoru, a ten powinien mieć charakter metaliczny (np. być przewodnikiem). Choć uzyskanie stałego wodoru jest bardzo kłopotliwe, to było już kilka doniesień o otrzymaniu metalicznego wodoru, choć nie ma jeszcze jednoznacznych dowodów na to, że otrzymano metaliczny wodór. Niemniej jednak jego istnienie wydaje się na tyle pewne, że przyjmuje się, że metaliczny wodór występuje w jądrach Saturna i Jowisza, gdyż to głównie z tego pierwiastka są zbudowane te planety.
Zanim powstało prawo kresowości, to pojawiło się prawo oktaw (można powiedzieć, że niepełne prawo okresowości i częściowo reguła oktetu jako następstwo tego prawa). Prawo oktaw mówiło, że właściwości pierwiastków są do siebie zbliżone co 8. Jeśli wodór ma numerek 1, to łatwo policzyć, że jego oktawa ma numerek 1+8=9. A co to za pierwiastek? Fluor… A jeszcze następną? 9+8=17, czyli chlor… Jak to widać na rysunku poniżej:
Niestety, prawo oktaw było niedoskonałe, bo jak wiemy okresy mają różną długość, nie tylko 8, dlatego też następna oktawa, czyli nikiel, nie miałaby sensu.
Tak więc gdzie tak naprawdę powinien leżeć ten wodór?
– nad litem (reakcje typowe dla metali, istnienie wodoru metalicznego)?
– nad fluorem (reakcje typowe dla niemetali i 2 pierwsze oktawy tak wskazują)?
– pośrodku nad węglem i borem (pośrednia pomiędzy nimi elektroujemność)?
– nad resztą układu, nieprzypisany do reszty grup?
A tak by to wyglądało w praktyce:
W 1954 roku Linus Pauling, ten od skali elektroujemności przyjętej w szkole, zaproponował taki wygląd układu okresowego, w którym wodór nie należał do żadnej z grup, a były umieszczone centralnie nad układem ze strzałkami w kierunku fluorowców i litowców, ze względu na jego podobieństwo do obydwóch grup. Domyślacie się już dlaczego? Równo 50 lat później, czyli w roku 2004 Peter Atkins (ten od śniącej się wielu studentom po nocach „Chemii fizycznej”) wraz z Herbem Kaeszem zaproponowali, by wodór umieścić centralnie nad układem, bez przynależności do żadnej z grup, ale ze strzałką w kierunku helu, by wskazać, że wraz z helem tworzy pierwszy okres (a hel miałby być na „tradycyjnym” swoim miejscu):
A teraz zadam pytanie: na jakie bloki energetyczne dzielimy układ okresowy? Uczeń liceum powinien wiedzieć: s, p, d i f. I ok, to prawidłowa odpowiedź. Do którego bloku należy wodór? tutaj prawie każdy powinien powiedzieć bez problemu, że do s. I to prawda. A hel? Tutaj odruchowo sporo osób powie, że do p. Na pewno? Czy hel posiada podpowłokę p? Nie. Posiada tylko orbital 1s, zapełniony dwoma elektronami. A skoro należy do s, to czemu jest w układzie, którego przywykliśmy, w grupie 18 a nie w drugiej nad berylem? Czyżby układ okresowy zawierał drugiego przybłędę, z którym nie wiadomo co zrobić? A może jest ich jeszcze więcej?!
Na wszystko postaram się odpowiedzieć. Ale po kolei, najpierw zakończmy sprawę wodoru i helu.Układ okresowy Paulinga zawierał nie tylko centralnie umieszczony wodór nad układem, co i hel. Tyle że hel posiadał tylko jedną strzałkę – w kierunku gazów szlachetnych. A u jeszcze mała ale cenna uwaga: można znaleźć w książkach i w internecie układy, w których hel figuruje jako przedstawiciel bloku p, ale to nieprawda jest przecież, bo już wiemy, że to blok s. Poniżej przykład takiego nieprawidłowego zaklasyfikowania helu:
Ale znajdziecie książki, czy też w internecie układy, w których hel jest nad berylem, jako przedstawiciel bloku p!
Przywykliśmy w szkole do reguły oktetu, która dla wielu nauczycieli stała się taką świętością, że wszystko starają się rozpisywać zgodnie z regułą oktetu. Prawo okresowości w wersji szkolnej mówi, że co 8 lub 18 właściwości pierwiastków się powtarzają. Na pewno? To sprawdźmy liczby atomowe dowolnej grupy, niech to będą np. litowce: 3, 11, 19, 37, 55, 87, czyli różnice pomiędzy kolejnymi wynoszą: 8, 8, 18, 18 i 32. Skąd to 32? A jeśli uwzględnić wodór? To między nim a następnym (litem) różnica wynosi zaledwie 2. Czyli wodór z helem tworzy najkrótszy okres w układzie okresowym, bo zaledwie dwuelementowy. A skąd 32? Bo taka jest długość okresu szóstego i siódmego. Zauważmy, że długość okresu jest taka sama, jak pojemność kolejnych powłok elektronowych: 2, 8, 18, 32. Rzeczywisty układ okresowy uwzględniający długość okresów wygląda nieco inaczej niż przywykliśmy (patrz rysunek pierwszy i poprzedni).
Następny okres (ósmy) miałby długość aż 50 pierwiastków! A tak wygląda ewolucja okresów:
Reguła oktetu nie jest jedyną słuszną regułą, bo uprzywilejowany stan to także 2 (jak hel czy wodorki jonowe), ale mamy też regułę 18-stu i 32-óch elektronów – tyle ile wynoszą długości okresów. Regułę oktetu nie traktujmy jako świętości, bez której nie można zbudować cząsteczki. Reguła ta najlepiej się sprawdza w tych okresach, których długość wynosi 8, czyli w drugim i trzecim.
Ale idźmy dalej, w roku 1994 pewien naukowiec zwrócił uwagę na jeszcze jeden pierwiastek: glin. Można dostać zawrotu głowy, prawda? Co komu nie pasuje w takim, hm, poczciwym glinie? Okazuje się, że i jego położenie może podlegać dyskusji. A dlaczego? Z powodu jego zbliżonego charakteru do berylu. Oba metale tworzą tlenki i wodorotlenki amfoteryczne, właściwości pierwiastków lubią być podobne nie tylko w grupach, co jeszcze po przekątnych:
A na koniec taka anegdota, którą kiedyś opowiedział Janusz Weiss w jednym z odcinków „Miliarda w rozumie”: „Pewnego razu dwaj chemicy grali w szachy na tablicy Mendelejewa. Czarne zaatakowały, białe zrobiły roszadę, ale wtedy czarne postawiły gońca na magnezie i powiedziały szach mat, na co białe wycofały króla poza szachownicę. „Jak to? – odpowiedziały czarne – przecież tam nie ma nic” „Nie ma, ale będzie!” – odpowiedział chemik. I rzeczywiście, już parę miesięcy później wymyślono szereg aktynowców i lantanowców.”
Zauważyliście, że okresy szósty i siódmy są skrócone, przez wyrzucenie lantanowców i aktynowców poza „salę obrad”? Czy czekają nas następne reformy układu okresowego? Czas pokaże. A jeszcze w ramach urozmaicenia wrzucam kilka przykładów wizualizacji prawa okresowości. Można się zdziwić, czego to ludzie nie wymyślą, prawda?
Eee… Jakoś wolę się uczyć z tradycyjnej tablicy Mendelejewa.
