Χημικά στοιχεία : Αυτή θα είναι η χρονιά τους!

Co₁ Mo₃ Se₄ Cr₇ F₁₃ Mn₁₃ I₁₄ Cu₇₆ Zn_2.110 Fe_2.680 Si_38.600 Mg_40.000 Cl_127.000 K_177.000 Na_183.000 S_206.000 P_1.020.000 Ca_1.500.000 N_6.430.000 C_85.700.000 O_132.000.000 H_375.000.000.

Αυτός ο όχι και τόσο εύκολος στην απομνημόνευσή του με την πρώτη ματιά συρμός από σύμβολα και αριθμούς δημιουργήθηκε το 2015 από τον τεξανό βιολόγο και αρθρογράφο Τζο Χάνσον. Με τη φιλοδοξία να είναι η σε μόλις δύο γραμμές αντιπροσωπευτική κατά κάποιον τρόπο σύνθεση όλων των απαραίτητων χημικών στοιχείων που συγκροτούν έναν ανθρώπινο οργανισμό όταν αυτός έχει μόλις γεννηθεί. Αν και πρόκειται απλώς για ένα καλοφτιαγμένο χημικοφιλολογικό πυροτέχνημα, είναι χρήσιμο να το θυμόμαστε κάποιες φορές, όταν χρειάζεται να υπογραμμιστούν δύο τουλάχιστον ιδέες.

Η μία είναι το ότι, αρκετά πιο πίσω από το χιλιοφορεμένο πλέον «είσαι ό,τι τρως», ακόμα και εμείς οι ίδιοι είμαστε ένα σύνολο από χημικά στοιχεία, αποτελεσματικά «δεμένα» μεταξύ τους. Που βέβαια βρίσκονται και αυτά, μαζί με τα υπόλοιπα, πολύ σοφά τοποθετημένα στον λεγόμενο Περιοδικό Πίνακα. Το δεύτερο είναι ότι ο καθιερωμένος συμβολισμός, με δύο μόλις χαρακτήρες το καθένα, των 118 χημικών στοιχείων που έχουν βρεθεί ή κατασκευαστεί έως τώρα από τους ανθρώπους, μαζί με εκείνον τον (ατομικό) αριθμό στον πίνακα, δίπλα στο κάθε σύμβολο, αυτή η τόσο απλή επινόηση, είναι ένα ακόμα επίτευγμα του ανθρώπινου μυαλού. Και μόνο η τοποθέτησή τους με συγκεκριμένο τρόπο σε αυτόν τον πίνακα έχει διευκολύνει αφάνταστα επιστήμες όπως η Χημεία, η Βιολογία, η Ιατρική, η Φαρμακολογία και η Αστροβιολογία.

Ερχεται λοιπόν τώρα η UNESCO και αναγορεύει το 2019 ως το παγκόσμια εορταζόμενο Ετος για τον Περιοδικό Πίνακα των Χημικών Στοιχείων! Με γιορτές, ομιλίες, παρουσιάσεις από την ίδια, αλλά και προτροπή προς όλα τα κράτη της Γης να διοργανώσουν εκδηλώσεις για να τονίσουν τη σημασία ενός πίνακα-επιτεύγματος που είναι σε θέση να λέει πολλά. Σε όποιον βέβαια θελήσει να τον κοιτάξει προσεκτικά. Αν και του τα «λέει» σε μια γλώσσα που, παρ’ όλες τις αναρίθμητες ώρες στα σχολικά θρανία, μπορεί και να έχει παραμείνει ακατάληπτη.

 

Κοιτάζοντας
στο εσωτερικό

Κάποιος έγραψε ότι κοιτάζοντας τον Περιοδικό Πίνακα έχεις την εντύπωση πως έδωσαν σε κάποιο μαϊμουδάκι τα αυτοκόλλητα με τα ονόματα των στοιχείων να τα τοποθετήσει και εκείνο τα έβαλε έτσι, δηλαδή στην τύχη, όπως νόμιζε και όπως του άρεσε. Εχουν όμως περάσει 150 χρόνια ακριβώς από την πρώτη εμφάνιση ενός τέτοιου πίνακα, από τον Μεντελέγεφ, και αποκλείεται τα πράγματα να έχουν γίνει με αυτόν τον τρόπο. Ο πίνακας των στοιχείων, αντίθετα, είναι το προϊόν κατασταλαγμένης γνώσης και μακροχρόνιων ερευνητικών προσπαθειών. Χρειάζεται όμως να κατέχει κάποιος τα απαραίτητα κλειδιά για να πάρει από τα διάφορα κουτάκια τις πληροφορίες που μπορεί να του δώσει.

Κοιτάζοντας τον πίνακα μπορούμε να φανταστούμε ότι επάνω σε αυτόν έχουμε μια μεγάλη σύναξη διαφορετικών και πολύ ετερόκλητων «ατόμων». Κάτι σαν τη συναυλία στο Γούντστοκ. Οι θέσεις που έχουν πάρει όμως δεν είναι τυχαίες, όπως δεν είναι ούτε οι δεσμοί που μπορεί να δημιουργηθούν.

Αρχίζοντας με την τελευταία στήλη δεξιά, μπορούμε να φανταστούμε πως εκεί είναι οι άνθρωποι για την τήρηση της τάξης στη συναυλία, οι «φουσκωτοί», γνωστοί και ως bouncers. Οι χημικοί βέβαια τους έχουν δώσει τα ονόματα «αδρανή ή και ευγενή αέρια».

Ο Ιταλός Πρίμο Λέβι (1919-1987), ο οποίος είναι περισσότερο διάσημος ως λογοτέχνης, είχε σπουδάσει Χημεία στο Τουρίνο ενώ έμεινε και 11 μήνες κρατούμενος στο Αουσβιτς. Το 1975 έγραψε ένα βιβλίο με τον τίτλο «Περιοδικό Σύστημα». Σε αυτό αναφέρεται και στα αδρανή αέρια γράφοντας, με σαφώς αλληγορική διάθεση βέβαια: «Είναι πράγματι τόσο αδρανή, τόσο ικανοποιημένα με την κατάστασή τους που δεν ανακατεύονται σε οποιαδήποτε χημική αντίδραση δεν δεσμεύονται με άλλα στοιχεία, και για τον λόγο αυτόν πέρασαν επί αιώνες απαρατήρητα». Και είναι αλήθεια αυτό.

Βαφτίζοντας στοιχεία

Στον πίνακα ο Σουηδός Γενς Γιάκομπ Μπερτσέλιους (1779-1848) είναι αυτός που καθιέρωσε τη σήμανση των χημικών στοιχείων με μόνο δύο γράμματα, παρμένα από το όνομά τους, ενώ ο αριθμός που συνοδεύει το καθένα από αυτά στον πίνακα δείχνει τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα και αυτός με τη σειρά του είναι ίσος με τον αριθμό όσων ηλεκτρονίων περιφέρονται σε διάφορες αποστάσεις γύρω από τον πυρήνα.

Τι ισχύει όμως αυτή τη στιγμή για το πώς παίρνει το όνομά του ένα νέο στοιχείο; Οι κανόνες, που πρόσφατα αναθεωρήθηκαν από τη Διεθνή Ενωση για τη Χημεία, αναφέρουν ότι το όνομα μπορεί να έχει σχέση με κάτι μυθικό, με το όνομα ενός ορυκτού, ενός ονόματος από τη Γεωγραφία, μια ιδιότητα του στοιχείου ή το όνομα ενός επιστήμονα.

Στοιχεία που ανήκουν στις στήλες 1 έως 16 του πίνακα έχουν κατάληξη -ium, στη στήλη 17 κατάληξη -ine και στη στήλη 18 κατάληξη -on.

Ο όρος «χημικό στοιχείο» είναι κάτι σαν την επιγραφή έξω από μια αποθήκη που μέσα υπάρχει μόνο ένα είδος εμπορεύματος. Π.χ. κουβέρτες από το ίδιο υλικό αλλά σε διαφορετικά ίσως χρώματα. Ξέρουμε αντίστοιχα πως κάθε άτομο μπορεί να εμφανίζεται σε λίγο διαφορετικές εκδόσεις. Δηλαδή  να ανήκουν στο ίδιο στοιχείο άτομα απαραιτήτως με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων στον πυρήνα, αλλά μπορεί να διαθέτουν διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων. Αυτές οι λίγο διαφορετικές εκδόσεις ονομάζονται ισότοπα. Το όνομα λοιπόν κάθε χημικού στοιχείου θα θεωρούμε ότι καλύπτει όσα άτομα έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων με τον αριθμό αυτόν δίπλα από το σύμβολο του στοιχείου, ανεξάρτητα όμως από το ποια και πόσα ισότοπα έχει.

 

Η γεωγραφία
των στοιχείων

Πραγματικά ο πίνακας των στοιχείων φέρνει στον νου ένα πλήθος  διαφορετικών ομάδων ανθρώπων με διαφορετικό τρόπο αντίδρασης, που έχουν συρρεύσει για να συμμετάσχουν σε μια μεγάλη υπαίθρια συναυλία. Η πρώτη ομάδα που κινεί την προσοχή είναι οι δύο στήλες στα αριστερά. Είναι από τις πιο ζωηρές. Τα μέλη της ψάχνονται πολύ ώστε να μπορέσουν να… ζευγαρώσουν στον χώρο του πίνακα με άλλες ομάδες, κυρίως με τα μέλη της στήλης 17 που είναι τα αλογόνα (F, Cl, Br, I). Γενικά ο παρατηρητής του χώρου θα καταλαβαίνει από τον πίνακα ότι διατρέχοντας τις σειρές (που ονομάζονται εδώ «περίοδοι») από επάνω προς τα κάτω αυξάνεται η δραστικότητα των στοιχείων καθώς και ο χώρος στον οποίο εκτείνεται το κάθε άτομο. Αυτό το τελευταίο ονομάζεται πιο… επαγγελματικά «ατομική ακτίνα» και ξέρουμε ότι στον πίνακα μεγαλώνει όσο κινούμεθα από επάνω προς τα κάτω και από δεξιά προς τα αριστερά. Τι καταλαβαίνουμε από αυτό; Καταλαβαίνουμε ότι όσο μεγαλύτερη η ακτίνα τόσο πιο απομακρυσμένα είναι τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια από τον θετικά φορτισμένο πυρήνα, άρα είναι πιο χαλαρά συνδεδεμένα με το άτομο, και αυτά που κινούνται στα… σύνορα μπορούν να συμπράξουν σε διάφορες ενώσεις με άλλα στοιχεία. Στην ουσία τα άτομα συρρικνώνονται καθώς προχωρούμε στον πίνακα διαγώνια και από αριστερά προς τα δεξιά.

Η επόμενη ομάδα, από τη στήλη 3 έως τη στήλη 12, είναι τα μέταλλα. Το χαρακτηριστικό τους είναι πως τα πιο απομακρυσμένα από τον πυρήνα ηλεκτρόνια έχουν αρκετά χαλαρή σύνδεση με τον πυρήνα και έτσι σε ένα κομμάτι μέταλλο, ακόμα και σε ένα λεπτό χάλκινο συρματάκι, έχουμε μια «θάλασσα» ηλεκτρονίων που είναι πρόθυμα να κινηθούν συντεταγμένα προς τη μία ή προς την άλλη κατεύθυνση μόλις δημιουργηθούν οι κατάλληλες συνθήκες ώθησης, π.χ. με την παρέμβαση μιας μπαταρίας. Διαγώνια από αριστερά και προς τα κάτω γίνεται πιο έντονος αυτός ο «heavy metal» χαρακτήρας όσων βρίσκονται στην περιοχή.

Μετακινούμενοι μέσα στο πλήθος προς τα επάνω και δεξιά συναντούμε επτά στοιχεία στις στήλες 13, 14 και 15 από το αργίλιο έως το βισμούθιο, που αρχίζουν να χάνουν τον μεταλλικό τους χαρακτήρα αλλά κάνουν καλή παρέα και δίνουν πολύ χρήσιμα κράματα με τα μέταλλα.

Στη συνέχεια στις στήλες κατεβαίνεις πραγματικά τα σκαλοπάτια ένα-ένα από το βόριο έως το πολώνιο, όπου επικρατεί μια κατάσταση ενδιάμεση μεταξύ μεταλλικού και αμέταλλου χαρακτήρα, την οποία έχουν εκμεταλλευθεί με μοναδικό τρόπο οι άνθρωποι με τα υλικά που φτιάχτηκαν από τέτοιους «ημιαγωγούς» και είχαμε τα ολοκληρωμένα κυκλώματα των υπολογιστών.

Επάνω από τους ημιαγωγούς, διαγώνια δεξιά είναι τα έξι στοιχεία που χαρακτηρίζονται αμέταλλα – άνθρακας, άζωτο, οξυγόνο, φωσφόρος, θείο, σελήνιο – διότι έχουν χαρακτήρα αντίθετο από αυτόν των μετάλλων. Θέλουν να προσλάβουν ηλεκτρόνια και όχι να δώσουν. Αν και είναι τόσο λίγα, μαζί με το υδρογόνο και το ήλιο δίνουν το 99% της ορατής ύλης στο Σύμπαν.

Τέλος, λίγο πριν από τους bouncers, δηλαδή τα ευγενή ή αδρανή αέρια, είναι η ομάδα των αλογόνων, πολύ δραστήρια και πρόθυμη να κάνει σχέσεις με όσους κινούνται στην απέναντι πλευρά του πίνακα.

 

Χημεία ίσον ηλεκτρόνια

Ενα μόνο πρωτόνιο χωρίζει το άζωτο από τον άνθρακα στον πίνακα και όμως συμπεριφέρονται τόσο διαφορετικά. Τα πρωτόνια υπαγορεύουν τον χαρακτήρα ενός στοιχείου, ενώ τα ηλεκτρόνια, και μάλιστα τα πιο απόμακρα σε σχέση με τον πυρήνα, καθορίζουν σε ποιες χημικές αντιδράσεις θα συμμετέχει. Και από τις σχέσεις των ηλεκτρονίων μεταξύ τους το αν θα είναι, για παράδειγμα, καλός αγωγός του ηλεκτρισμού ή της θερμότητας. Επομένως στις επιστήμες που ενδιαφέρονται για τη χημική δράση των στοιχείων σημασία έχει πιο πολύ η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων. Και τη συμπεριφορά τους την καθορίζει το πώς κατανέμονται κάθε στιγμή γύρω από τον πυρήνα κάθε ατόμου.

Φεύγοντας από το σχολείο παίρνουμε μαζί, μεταξύ άλλων, και μια πολύ πρόχειρη και χοντροκομμένη εικόνα για τη δομή του ατόμου. Με τα ηλεκτρόνια σαν σιδερένιες μπαλίτσες που γυρίζουν γύρω από τον πυρήνα σε σφαιρικούς  φλοιούς, έτσι ώστε το άτομο να το έχουμε στο μυαλό μας πιο πολύ σαν κρεμμύδι παρά οτιδήποτε άλλο. Δεν είναι όμως έτσι τα πράγματα.

Οταν έχουμε φορτισμένα σωματίδια (πρωτόνια – ηλεκτρόνια) σε τόσο μικρές διαστάσεις όπως αυτές ενός ατόμου, συμπεριφέρονται περισσότερο ως κύματα παρά ως υλικά σώματα, οι κινήσεις τους ακολουθούν νόμους μιας άλλης Φυσικής, της λεγόμενης Κβαντικής, και βρίσκονται με τη βοήθεια άλλων εξισώσεων από ό,τι ισχύει σε πιο μεγάλες κλίμακες.

Σε αυτόν λοιπόν τον αραχνοΰφαντο μικρόκοσμο των ατόμων, για τα ηλεκτρόνια ξέρουμε μόνο την πιθανότητα για το πού «περίπου» μπορεί να βρεθούν, και οι εξισώσεις της Κβαντικής Φυσικής μάς δίνουν το σχήμα των περιοχών αυτών. Από εκεί βρίσκουμε ότι δεν κινούνται πάντα σε χώρους με σφαιρική κατανομή αλλά και με δίλοβες δομές (κάτι σαν δύο αντιδιαμετρικοί κώνοι που οι κορυφές τους έχουν στραφεί και σχεδόν ακουμπούν τον πυρήνα) ή και μέσα σε πολλαπλούς λοβούς, σαν τα πολλά μπαλόνια ενός υπαίθριου πωλητή, τα δεμένα μαζί.

Αυτοί οι χώροι πιθανότητας να βρούμε το ηλεκτρόνιο ονομάζονται τροχιακά. Αλλο όμως τροχιά και άλλο τροχιακό. Ενώ για ένα σωματίδιο σε μια τροχιά ξέρουμε κάθε στιγμή τα σημεία στα οποία θα βρεθεί με ακρίβεια, με τον όρο τροχιακό εννοούμε πως είναι σαν να ζητούμε κάποιον σε μια πλατεία γεμάτη τραπεζοκαθίσματα. Για τον άνθρωπο που ψάχνουμε γνωρίζουμε ότι βρίσκεται κάπου σε αυτή την πλατεία και υπάρχουν θέσεις στις οποίες είναι πιο πιθανόν κάποια στιγμή να τον εντοπίσουμε γιατί έχει προτίμηση σε ορισμένα από τα μαγαζιά, αλλά για το ακριβές σημείο στο οποίο θα βρίσκεται επικρατεί πάντα αβεβαιότητα.

Σήμερα υπάρχουν κανόνες για τα τροχιακά. Χωρίζονται σε ομάδες γνωστές ως s, p, d, f(s->sharp, p->pure, d->diffuse, f->fine) και ο Πίνακας των Στοιχείων βοηθάει στο να έχουμε καλή εικόνα του πώς μοιράζονται στον χώρο, γύρω από κάθε άτομο, τα ηλεκτρόνια, ώστε να είναι προβλέψιμη η συμπεριφορά του όταν θα αντιδράσει με άλλα άτομα.

 

Κάθε κατεργάρης…

Οταν τα πράγματα στον ανόργανο κόσμο αφήνονται να δράσουν αυθόρμητα, προτιμούν τις θέσεις με τη μικρότερη ενέργεια. Οπως ένας βράχος που από την κορυφή έχει την τάση να κυλήσει μέχρι και τους πρόποδες ενός βουνού.

Τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα κάνουν το ίδιο, ξεκινούν να κινούνται σε καθορισμένους χώρους. Αυτοί ονομάζονται γενικά στιβάδες που περιβάλλουν τον πυρήνα. Η κάθε νοητή στιβάδα είναι χωρισμένη στην πραγματικότητα στα τροχιακά και το καθένα χωράει μέχρις έναν μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων. Οσο πιο μακριά από τον πυρήνα τόσο μεγαλύτερη η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου.

Στην πρώτη στοιβάδα ο χώρος είναι σφαιρικός και το τροχιακό έχει σήμανση 1s. Χωρούν εκεί μόνο δύο ηλεκτρόνια, όπως και στη δεύτερη. Αλλη μια σφαίρα που αγκαλιάζει και περιέχει και την πρώτη είναι η 2s. Στη δεύτερη στοιβάδα ανήκει άλλη μια περιοχή κίνησης ηλεκτρονίων, το τροχιακό 2d με τρία ζεύγη κωνικών χώρων όπου είναι πιθανόν να βρεθούν ηλεκτρόνια και μπορούν να χωρέσουν μόνο 2Χ3=6 το πολύ. Στην τρίτη, εκτός από τα δύο, s και p, προστίθεται το d, που χωράει 10 ακόμα ηλεκτρόνια. Προχωρώντας βρίσκουμε στην πέμπτη στιβάδα και το f, με 14 ηλεκτρόνια μέγιστη χωρητικότητα.

Ας φανταστούμε την κάθε στοιβάδα σαν ένα λεωφορείο με συγκεκριμένο αριθμό θέσεων που είναι διπλές, δεν παίρνει επιβάτες όρθιους αλλά μόνον όσο υπάρχουν θέσεις και αυτοί κάθονται ανά δύο βλέποντας σε αντίθετες ακριβώς κατευθύνσεις(=ηλεκτρόνια με αντίθετη φορά «περιστροφής»). Οταν συμπληρωθούν οι θέσεις (όπως συμβαίνει με τα αδρανή αέρια), το λεωφορείο δεν παίρνει άλλους. Οι αντιδράσεις και οι σχηματισμοί μορίων γίνονται ακριβώς για να συμπληρωθεί η εξώτερη στιβάδα. Η συμπλήρωση γίνεται με βάση τον κανόνα του Hund που αναφέρει (σχηματικά θα το πούμε εδώ): όσο υπάρχουν άλλες κενές θέσεις δεν θα κάθονται οι επιβάτες σε θέσεις όπου θα είναι ο ένας αντίκρυ στον άλλον. Για κάποια στοιχεία όπως ο άνθρακας ο οδηγός κάνει ειδικές ρυθμίσεις στις θέσεις των επιβατών

 

Τα πιο «φρέσκα»
από τα στοιχεία

Nh, Mc, Ts, Og. Εδώ τα καλά… νέα χημικά στοιχεία. Που μας έρχονται από χώρες όπως οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Ιαπωνία, η Ρωσία. Γνωστές και αναμενόμενες, αφού εκεί γίνεται εδώ και χρόνια η πιο εντατική έρευνα για την παραγωγή νέων, τεχνητών μορφωμάτων, που ανήκουν πλέον στα λεγόμενα «υπερβαρέα-στοιχεία».

Από τον Δεκέμβριο του 2016 μάλιστα η Διεθνής Ενωση για τη Βασική και Εφαρμοσμένη Χημεία (IUPAC) έχει εγκρίνει τα ονόματα για τα τέσσερα χημικά στοιχεία που πιο πρόσφατα εντάχθηκαν στον Περιοδικό Πίνακα. Αυτά είναι:

1.  Nihonium (Nh, AA 113): Στη Σαϊτάμα, λίγο πιο έξω από την πρωτεύουσα της Ιαπωνίας, βρίσκεται το RIKEN. Ενα πολυδύναμο κέντρο επιστημονικών ερευνών που κάποιες από αυτές διεξάγονται με τη βοήθεια επιταχυντών. Στο τμήμα που φέρει το όνομα του Γιόσιο Νισίνα, πατέρα της Πυρηνικής Φυσικής στη χώρα αυτή, «κατασκευάστηκε» το στοιχείο νιχόνιο, με 113 πρωτόνια στον πυρήνα, βομβαρδίζοντας βισμούθιο με ιόντα ψευδαργύρου. Είναι το πρώτο που δημιουργείται στην ασιατική ήπειρο. Nihon είναι ο ένας από τους δύο τρόπους να πεις την Ιαπωνία στα ιαπωνικά. Και αυτό διότι, ναι, είναι εύκολο για τον καθένα να το μαντέψει, σημαίνει «χώρα του ανατέλλοντος ηλίου».

2. Moscovium (Mc, AA115): Με 115 πρωτόνια το στοιχείο μοσκόβιο θα θυμίζει με το όνομά του τη ρωσική πρωτεύουσα για τον λόγο ότι σε προάστιο αυτής της πόλης, την Ντούμπνα, βρίσκεται ένα κέντρο πυρηνικών ερευνών μαζί με επιταχυντή και είναι στην πρώτη γραμμή της έρευνας για τα υπερβαρέα στοιχεία.

3.  Tennessine (Ts, AA 117): Το τενέσιο οφείλει το όνομά του στο ότι η Πολιτεία του Τενεσί στεγάζει στο έδαφός της τα ονομαστά για την έρευνά τους γύρω από τα υπερβαρέα στοιχεία εργαστήρια των Oak Ridge National Laboratory, University of Tennessee και Vanderbilt University. Επόμενο ήταν κάποια στιγμή να δοθεί και σε ένα στοιχείο όνομα που να απαθανατίζει όλη αυτή τη δραστηριότητα.

4.  Oganessine (Og, AA 118): Για το ογκανέσιο είναι αξιοπρόσεκτο πως η πρόταση ήταν και των δύο. Και του Joint Institute for Nuclear Research στην Dubna και του Lawrence Livermore National Laboratory στις Ηνωμένες Πολιτείες. Για έναν άνθρωπο, τον πυρηνικό επιστήμονα Γιούρι Ογκανεσιάν, διευθυντή στο ρωσικό εργαστήριο για τα υπερβαρέα στοιχεία, γεννημένο το 1933, καθηγητή και αυθεντία στο θέμα «νησίδες ευσταθείας». Αφού απέδειξε τη θεωρητική υπόθεση ότι θα μπορούσαν να υπάρξουν υπερβαρέα στοιχεία τα οποία, σε αντίθεση με τα υπάρχοντα αυτή τη στιγμή, με ελάχιστο χρόνο ζωής, να είναι πολύ πιο σταθερά!

Πώς «δένονται»
τα καινούργια στοιχεία

Στοιχεία που βρίσκονται στον πίνακα μετά το πλουτώνιο, δηλαδή με ατομικό αριθμό πέρα από το 94, δεν συναντώνται έτσι ελεύθερα επάνω στη Γη και συντίθενται με τεχνητό τρόπο. Είναι ακριβή ενασχόληση και μόνο χώρες όπως η Γερμανία, η Κίνα, η Ιαπωνία, η Ρωσία και οι Ηνωμένες Πολιτείες μπορούν να την έχουν, διότι τα πειράματα είναι πολύπλοκα, οι προετοιμασίες πολύχρονες και αν παραχθεί καινούργιο στοιχείο μπορεί να έχει ζωή από δευτερόλεπτα έως και χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Ας μην ξεχνάμε ότι φθάνοντας στον στόχο οι με το ίδιο φορτίο πυρήνες θα έχουν την τάση να απωθούνται, ενώ για να πετύχεις τον στόχο μέσα στο κενό που υπάρχει σε ένα άτομο είναι σαν να σημαδεύεις όντας έξω από ένα ολόκληρο γήπεδο το πορτοκάλι που έχει τοποθετηθεί στο κέντρο του! Μια ακτίνα ιόντων ενός ελαφρότερου στοιχείου, π.χ. τιτανίου (με ατομικό αριθμό 22), δημιουργείται και αποκτά μεγάλη ταχύτητα μέσα σε ειδικούς επιταχυντές για να χτυπήσει τελικά τον στόχο, φτιαγμένο από στοιχείο με αρκετά μεγαλύτερο ατομικό αριθμό, π.χ. μπερκέλιο (με ατομικό αριθμό 97), άρα μεγαλύτερο πυρήνα, με την ελπίδα ότι οι δύο πυρήνες θα γίνουν ένα. Κάτι όχι και τόσο απλό να συμβεί. Διότι αν δεν έχει η ακτίνα τη σωστή ενέργεια, ή θα αναπηδήσει χτυπώντας στον στόχο ή θα τον συντρίψει.

Απώτερος στόχος είναι να φθάσουν στα «νησιά της ηρεμίας», δηλαδή σε στοιχεία με τέτοιους πυρήνες που να είναι πιο σταθεροί, άρα να «ζουν» περισσότερο.

 

Λίγο πριν από τη γιορτή

Εννοείται πως περιμένουμε να δούμε και στην Ελλάδα αν θα γίνει κάποιος εορτασμός. Πάντως η τελετή που θα λάβει χώρα στο Παρίσι σε λίγες ημέρες έχει και έναν ακόμα ιδιαίτερο συμβολισμό. Διότι ένας από τους μεγαλύτερους χημικούς στην παγκόσμια ιστορία ήταν και ο Γάλλος Αντουάν Λαβουαζιέ. Που δυστυχώς δικάστηκε και καταδικάστηκε σε θάνατο από τους ανθρώπους της Γαλλικής Επανάστασης επειδή το κύριο επάγγελμά του ήταν φοροεισπράκτορας. Λέγεται ότι ο πρόεδρος του Δικαστηρίου είπε το περιβόητο «Η Δημοκρατία δεν έχει ανάγκη από χημικούς και σοφούς» (!). Και έτσι ο Λαβουαζιέ έχασε το κεφάλι του το 1794.

Σήμερα ευτυχώς δεν επικρατούν τέτοιες απόψεις. Ενας άλλος συνάδελφος του Λαβουαζιέ από την πλευρά της Χημείας, ο Πρίμο Λέβι, στα τελευταία χρόνια της ζωής του έτυχε ευρύτερης αναγνώρισης και το βιβλίο του «Περιοδικό Σύστημα» επαινέθηκε για το ύφος και το περιεχόμενό του. Τα 21 κεφάλαια του έργου του έχουν ως τίτλο το όνομα ενός διαφορετικού χημικού στοιχείου και διάλεξε τον (τόσο σημαντικό) άνθρακα για το τέλος, κλείνοντας με αυτή τη φράση: «Το εν λόγω άτομο (αυτό του άνθρακα) είναι επιφορτισμένο με το γράψιμό μου, σε ένα γιγάντιο μικροπαιχνίδι που δεν έχει κανείς περιγράψει έως τώρα. Αυτό που ετούτη τη στιγμή βγαίνοντας μέσα από ένα λαβυρινθώδες μπλέξιμο με «ναι» και «όχι» κάνει το χέρι μου να τρέχει επάνω στο μονοπάτι του χαρτιού, σημαδεύοντάς σήματα όπως αυτό «:», ένα διπλό χτύπημα, επάνω και κάτω, ανάμεσα σε δυο επίπεδα ενέργειας, οδηγώντας το χέρι μου να στίξει στο χαρτί αυτή την τελεία εδώ, να την «.»».

Εκλεκτικές συγγένειες

Υπάρχουν ορισμένα πράγματα που πρέπει να προσέξει κανείς κάπως περισσότερο στον Πίνακα των Στοιχείων για να αντιληφθεί όλο του το μεγαλείο. Παραδείγματος χάριν, στις κάθετες στήλες, οι οποίες στη Χημεία ονομάζονται Ομάδες, μπορεί να συναντήσει κανείς στερεά, υγρά, αέρια και, ενώ είναι τόσο διαφορετικά, η χημική συμπεριφορά τους να παρουσιάζει μεγάλες ομοιότητες. Οπως για παράδειγμα συμβαίνει με το φθόριο και το χλώριο (τα οποία είναι αέρια), το βρόμιο (υγρό) και το ιώδιο και το άστατο (στερεά). Επίσης υπάρχει η λεγόμενη «Διαγώνιος Συμπεριφορά», όπου ένα στοιχείο στον πίνακα μπορεί να παρουσιάζει περισσότερες ομοιότητες στην αντίδρασή του με ένα άλλο στοιχείο τοποθετημένο διαγώνια στον πίνακα από ό,τι με στοιχεία της ίδιας ομάδας. Για παράδειγμα, το λίθιο με το μαγνήσιο ή το βόριο με το πυρίτιο. Επίσης έχουμε τις ομοιότητες που παρουσιάζουν μερικά στοιχεία με το δέκατο σε απόσταση από αυτά, όπως είναι το μαγνήσιο με τον ψευδάργυρο. Ή οι ομοιότητες μεταξύ στοιχείων που ενώνονται στον πίνακα με μια κίνηση όπως αυτή του αλόγου στο σκάκι (!), π.χ. ο ψευδάργυρος (Zn, 30) με τον κασσίτερο (Sn, 50).
Και αν ακόμα θεωρήσουμε πως όλα αυτά είναι εσωτερικές υποθέσεις των ειδικών, μελετώντας τα στοιχεία, υπάρχουν και πολύ ενδιαφέροντα πράγματα για τον καθένα, τα οποία όμως δεν μπορεί να φανταστεί αν δεν του τα πουν. Οπως, σύμφωνα με τον κ. Μεθενίτη, το ότι «τοξικές ενώσεις σε μικρές δόσεις επιδεικνύουν θεραπευτικές ιδιότητες, ενώ βασικά στοιχεία για τη ζωή μετατρέπονται σε τοξικά σε μεγάλες δόσεις. Οπως είναι γνωστό, ο καρκίνος κατατάσσεται στις πρώτες τρεις αιτίες θανάτου παγκοσμίως και δεν θεραπεύεται εύκολα. Επιπλέον είναι δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να βρεθούν φάρμακα τα οποία συγχρόνως να είναι δραστικά έναντι της ασθένειας και να εμφανίζουν χαμηλή τοξικότητα. Σύμπλοκες ενώσεις διαφόρων μετάλλων χρησιμοποιούνται ή δοκιμάζονται ως θεραπευτικοί αντικαρκινικοί παράγοντες».

Τα θεμέλια των ζωντανών οργανισμών

Εχει μεγάλο ενδιαφέρον, με την ευκαιρία αυτή, να μάθουμε ποια είναι τα βασικότερα στοιχεία από όλα όσα περιλαμβάνονται στον Περιοδικό Πίνακα και τη σχέση τους με τη ζωή μας. Οπως είπε μιλώντας στο ΒΗΜΑ-Science ο κ. Κώστας Μεθενίτης, καθηγητής Ανόργανης Χημείας στο Πανεπιστήμιο της Αθήνας: «Εντεκα στοιχεία απαιτούνται για όλες τις μορφές ζωής: H, Na, Mg, K, Ca, C, N, O, P, S, Cl. Εξι από τα παραπάνω στοιχεία, τα C, H, N, O, P, S ή CHNOPS, είναι τα κύρια συστατικά των κυττάρων (πρωτεΐνες, νουκλεϊνικά οξέα, λιπίδια, μεμβράνες, πολυσακχαρίτες, μεταβολίτες κ.ά.) και γι’ αυτό ονομάζονται και “big six”. Δεκατέσσερα επιπλέον στοιχεία θεωρούνται βασικά για τα περισσότερα βακτήρια, φυτά και ζώα: Β, F, Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Mo, I. Ο κατάλογος αυτός δεν είναι οριστικός. Π.χ. τα Cr και B τείνουν να θεωρηθούν μη βασικά και το Si θεωρείται βασικό μόνο και μόνο διότι εμποδίζει την τοξικότητα του Al. Επτά επιπλέον στοιχεία χρησιμοποιούνται μόνο από ορισμένους οργανισμούς: Sr, Ba, W, Cd, Sn, As, B. Τουλάχιστον 24 στοιχεία είναι απαραίτητα για τη ζωή των θηλαστικών: H, C, N, O, P, F, Na, Mg, K, Ca, S, Cl, F, Si, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Mo και I. Η λίστα αυτή συνεχώς αναθεωρείται με την προσθήκη ή την αφαίρεση στοιχείων. Η βιοχημεία ορισμένων από αυτά δεν έχει πλήρως κατανοηθεί (π.χ. V, Ni και Sn). To Co έχει βρεθεί στους οργανισμούς μόνο σε μια ειδική ένωση στο συνένζυμο Β12. Το Se είναι βασικό ακόμα και αν οι ενώσεις του είναι πολύ τοξικές. Σύμπλοκα τόσο των βασικών όσο και των μη βασικών μετάλλων είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν ως θεραπευτικές ή διαγνωστικές ουσίες».

UNESCO και Περιοδικός Πίνακας Στοιχείων!

Ο νέος χρόνος μέσα στον πρώτο μήνα του φέρνει, ανάμεσα στα άλλα, και μια λαμπρή γιορτή, σχετική με τα χημικά στοιχεία που αποτελούν τους δομικούς λίθους αν όχι ολόκληρου, τουλάχιστον ενός αρκετά μεγάλου κομματιού του Σύμπαντος.

Στις 29 Ιανουαρίου στο Παρίσι, εκεί όπου βρίσκεται και το UNESCO House, για μία ολόκληρη ημέρα σχεδόν, από τις 10 το πρωί έως τις 7 το βράδυ, διάσημοι ομιλητές, εκθέσεις και παρουσιάσεις νέων επιστημόνων θα υπογραμμίσουν ότι το 2019 μεταξύ άλλων έχει κηρυχθεί και ως International Year for the Periodic Table, IYPT2019. Δηλαδή θα έχουμε ένα ολόκληρο έτος εκδηλώσεων με σκοπό να τονιστεί η σημασία που είχε για την εξέλιξη όλων των θετικών επιστημών η ένταξη των κατά καιρούς ανακαλυπτόμενων χημικών στοιχείων σε έναν πίνακα με πολύ αυστηρούς κανόνες… συμπεριφοράς.

Ηταν το 1869, δηλαδή ακριβώς 150 χρόνια πριν, που ο Ρώσος Ντμίτρι Μεντελέγεφ παρουσίαζε, από την Αγία Πετρούπολη, έπειτα από προσπάθειες πολλών ετών, σε μια πρώτη μορφή του τον γνωστό και σήμερα Πίνακα Χημικών Στοιχείων. Ο πίνακας αυτός τότε περιείχε μόλις 63 καταχωρίσεις, ενώ σήμερα επιβεβαιωμένα και επίσημα βρισκόμαστε στον αριθμό 118. Ηταν όμως τόσο σωστός στη σύλληψή του που άφηνε θέσεις και για στοιχεία ακόμη άγνωστα στους επιστήμονες εκείνης της εποχής. Δίκαια λοιπόν γιορτάζεται σήμερα αυτό το συλλογικό πλέον επίτευγμα στην πορεία του χρόνου.

Στον κατάλογο των ομιλητών εκείνης της ημέρας στο Παρίσι διακρίνει κανείς ονόματα με μεγάλο ειδικό βάρος. Οπως ο Ολλανδός Μπερνάρ (Μπεν) Φέρινγα, κάτοχος του Νομπέλ στη Χημεία για το 2016, ειδικός στη μοριακή νανοτεχνολογία, ο ρωσοαρμένιος πυρηνικός φυσικός, με παγκόσμια αναγνώριση στον τομέα των υπερβαρέων χημικών στοιχείων, Γιούρι Ογκανεσιάν (με ένα χημικό στοιχείο, το τελευταίο προς το παρόν, στον πίνακα να έχει πάρει και το όνομά του!). Μαζί τους και ο καθηγητής Χημείας σερ Μάρτιν Πολιακόφ, γνωστός στους πιο πολλούς ως ο χημικός-σταρ με το ασημένιο σε αφρο-στυλ μαλλί, ο οποίος έχει παρουσιάσει με σύντομα βίντεο πολλά από τα χημικά στοιχεία. Και ακόμη βρισκόμαστε στην αρχή αυτού του έτους που θέλει να τονίσει τις επιστημονικές προσπάθειες 150 χρόνων.