Hvað er lotukerfið?- Hver fann upp lotukerfið?- Hvað merkja tölurnar í lotukerfinu? – Hvaðan fá frumefnin nöfn sín?- Til hvers er hægt að nota lotukerfið? – Tilbúin frumefni víkka út lotukerfið
HVAÐ ER LOTUKERFIÐ?
Lotukerfið er kerfi sem sýnir öll þekkt frumefni og kemur þeim fyrir í töflu til þess að hjálpa vísindamönnum að skilja innbyrðis tengsl frumefnanna.
Enn þann dag í dag er verið að uppgötva ný frumefni með tilraunum og öreindahröðlum.
Yfirlit: Frumefnin í lotukerfinu
Lotukerfið er kerfisbundin flokkun á frumefnum eftir atómtölu, eða sætistölu, þeirra. Flokkarnir skiptast upp í tvo meginhópa: Meginflokkurinn 1 – 8 samsvarar lóðréttum röðum í kerfinu; Þær láréttu nefnast „lotur“.
Þau frumefni sem eru saman í hóp hafa efnafræðilega eiginleika sem eru sambærilegir, t.d. eru öll frumefni í meginflokknum 18 eðalgastegundir, meðan þau í meginflokki 17 eru svokallaðir halógenar.
Loturnar í lotukerfinu felast í láréttri flokkun á frumefnunum. Frumefnin eru staðsett í lotum með öðrum frumefnum sem hafa annan fjölda rafeinda í atómhvolfi um kjarna sinn.
Hver fann upp lotukerfið?
Lotukerfið var þróað af rússnenska efnafræðingnum Dimitri Mendeljev árið 1869. Á þeim tíma þekktu menn aðeins til 63 frumefna.
Mendeljev uppgötvaði að sjöunda hvert frumefni hafði sameiginlega eiginleika þegar hann raðaði þeim upp eftir atómmassa þeirra.
Hann stillti upp frumefnunum á bakhliðinni á umslagi í 18 svonefnda flokka – lóðréttu súlurnar – eftir líkindum í hátterni efnanna.
Lárétt var frumefnunum raðað í sjö svonefndar lotur sem sýna hve mörg atómhvolf efnin hafa umhverfis sig með rafeindum í.
Rússnenski efnafræðingurinn skildi eftir göt í lotukerfinu fyrir frumefni sem enn voru ekki uppgötvuð.
Smám saman eftir því sem ný frumefni uppgötvuðust sem pössuðu inn í götin á töflu Mendeljevs öðlaðist lotukerfið meiri viðurkenningu.
Dimitri Mendeljev fann upp lotukerfið árið 1869. Árið 1955 var frumefni númer 101 nefnt mendelevín til heiðurs honum.
Það er bara tímaspursmál hvenær stækka þarf lotukerfið enn frekar.
Hvarvetna í heiminum reyna efnafræðingar að verða fyrstir til að stækka lotukerfið með frumefni númer 119.
Eðalgösin eru óvirkustu frumefnin í lotukerfinu
Eðalgösin sitja í síðasta flokki 18 í lotukerfinu. Þessi sjö frumefni deila röð eiginleika með sér eins og t.d:
– Þetta er óvirkasti flokkurinn í lotukerfinu
– Þau brenna ekki
– Þau hafa lágt bræðslu- og suðumark
– Þau eru yfirleitt lit – og bragðlaus við venjulegar aðstæður hvað varðar þrýsting og hitastig.
Frumefnin helín, neon, argon, krypton, xenon, radon og oganeson tilheyra eðalgösum.
Hvað merkja tölurnar í lotukerfinu?
Það var fyrst árið 1913 sem Niels Bohr kom fram með atómkenningu sína sem menn fengu fræðilega útskýringu á því hvernig frumefnin verka.
Bohr kom fram með kenningu um að atóm byggist upp af kjarna með róteindum og stundum nifteindum.
Fjöldi róteinda og nifteinda ráða þyngdinni. Frumefnin hafa stígandi atómnúmer eða sætistölur. Sætistölurnar endurspegla fjölda róteinda í kjarnanum.
Léttasta frumefni í lotukerfinu er vetni sem er með eina róteind í kjarna og hefur sætistöluna 1. Hæsta náttúrulega frumefnið er plútón með 94 róteindir og hefur sætistöluna 94.
Plútóni var bætt við lotukerfið ásamt neptúni (nr. 93) um 1940 þegar vísindamenn við University of California, Berkeley, mynduðu efnin með því að skjóta á úranatóm með nifteindum og kjörnum úr þungu vetni.
Það var mörgum árum síðar sem þessi tvö frumefni fundust í náttúrunni í afar litlu magni.
LESTU EINNIG
Hvernig er lesið í lotukerfið?
Lóðréttu dálkarnir í lotukerfinu er skipt upp í flokka. Flokkarnir eru frumefni með sömu efnafræðilegu eiginleika, t.d. eru öll frumefni í flokki 18 eðalgös. Lotukerfið er með alls 18 númeraða flokka.
Láréttu dálkarnir í kerfinu eru loturnar. Loturnar sjö sýna hve mörg atómhvolf efnin hafa í kringum sig með rafeindum í.
Hvaðan fá frumefnin nöfn sín?
Flest nöfnin í lotukerfinu hafa sérstaka merkingu. Sum eru nefnd eftir frægum vísindamönnum, eins og t.d. einsteinín sem fannst þegar fyrsta vetnisprengjan var sprengd.
Önnur eru nefnd eftir stöðum þar sem þeir uppgötvuðust, eins og t.d. germanín sem uppgötvaðist í Þýskalandi.
Einnig er til frumefni sem eru nefnd eftir goðsögulegum hetjum, t.d. þórín eftir þrumuguðinum Þór, eða sérstökum eiginleikum, t.d. hið illa lyktandi efni bróm sem er komið frá gríska orðinu bromos, en það þýðir „stybba“:
Sum frumefni, t.d. þórín, eru nefnd eftir goðsagnapersónum.
Alkalímálmar eru meðal hvarfgjörnustu frumefnunum í lotukerfinu.
Alkalímálmar eru nefndir vegna alkalia, eða basa, sem myndast þegar þeir komast í snertingu við vatn.
Sumir alkalimálmar eru svo hvarfgjarnir að þeir springa þegar þeir komast í tæri við vatn, eins og t.d. natrín og kalín. Alkalímálmar tilheyra flokki 1 í lotukerfinu og hafa einkenni eins og t.d.:
– Eru afar hvarfgjarnir
– Góðir raf – og varmaleiðarar
– Mjúkir og auðvelt að móta þá
– Lágt suðumark miðað við aðra málma
– Léttfljótandi í vatni
Frumefnin í alkalímálmum eru litín, natrín, kalín, rubidín, sesín og frankín.
Til hvers er hægt að nota lotukerfið?
Lotukerfið hefur gert mönnum kleift að skipa frumefnum með þeim hætti að auðvelt er að fá yfirsýn yfir þau og eins hvernig mismunandi efni virka hvert við annað. Sem dæmi er natrín afar sprengifimt og klór er afar eitraður en þegar þessi tvö frumefni ganga í efnasamband og mynda natrínklóríd verður það að gagnlegri efnasambandi – nefnilega matarsalti.
Þekkingin um það hvernig frumefni verka saman hefur haft mikla þýðingu fyrir þróun margs konar tækni, nýrra efna, lyfja og matvara.
Margar af þeim hátæknilegu framleiðsluvörum sem eru nú hluti af hversdagsdegi okkar nýta sérstaklega eiginleika tiltekinna frumefna – allt frá flatskjáum og sólarsellum (indín og gallín) til snjallsíma (tantal) og efnarafala (platín).
Mikilvægasta frumefnið í allri nútímatækni er kísill. Kísill er svokallaður hálfleiðari sem leiðir rafmagn svo vel að það liggur á milli málma (t.d. kopars) og einangrara (gler). Hálfleiðarar eru grunnur margra smára, sólarsella, ljósdíóða ásamt stafrænum og hliðrænum hringrásum í tölvum og símum.
Mörg þeirra frumefna sem eru notuð í rafeindabúnaði eru svo fágæt að ekki er hægt að anna aukinni eftirspurn í framtíðinni. En það gætu tilbúin frumefni í lotukerfinu (frá númer 94 og áfram) kannski bætt úr.
Tilbúin frumefni víkka út lotukerfið.
Þung frumefni eru notuð í hvaðeina, allt frá reykskynjurum (amerisín) til kjarnorkuvopna (plúton), en tilbúin ofurþung frumefni hrörna á sekúndubroti og eru því ekki nýtanleg í raun enn sem komið er.
Ekki er vitað hvenær tekst að gera ofurþung frumefni nægjanlega stöðug til að nota megi þau í nýja smíðisgripi. Fyrsta skrefið á leiðinni er að skapa ný frumefni með áður óþekkta háa sætistölu.
Svona skapa vísindamenn ný frumefni í lotukerfið
Öreindahraðlar auka við lotukerfið með því að láta léttari atómkjarna renna saman og mynda ný ofurþung frumefni. Ferli þetta krefst mikillar nákvæmni og margra tilrauna áður en nýtt frumefni kemur fram.
1. Hraðall veitir hraða
Ef vísindamenn vilja skapa frumefni númer 115, moskóvín, eru létt kalsínatóm send inn í öreindahraðal. Milljónum atóma er skotið af stað á hverri sekúndu í marga mánuði.
2. Skotið á þungt efni
Kalsín lendir á þyngri atómum úr ameríkíni, sem sitja á snúningsskífu. Þegar árekstrarkrafturinn er nákvæmlega réttur renna efnin saman og mynda nýtt efni.
3. Seglar sortera efnin
Öreindirnar úr árekstrinum fljóta í gegnum segulsvið þar sem þekkt frumefni eru flokkuð frá. Einungis þau þyngstu þjóta áfram.
4. Nemi finnur nýtt efni
Hraði atómanna og massi er mældur í nema. Þar er nýja frumefnið skrásett, sem og léttari frumefni sem það hrörnar niður í.
Eðlisfræðingar við japönsku rannsóknarstofnunina Riken eru farnir að leita eftir frumefni númer 119 sem hefur fram til þessa fengið nafnið ununenín.
Framkvæmdastjóri stofnunarinnar, Hideto En‘yo, telur að bæði frumefnin 119 og 120 verði uppgötvuð fyrir árið 2023. Fari svo verða frumefnin þau fyrstu í 8. lotu lotukerfisins.
Fimm nýjustu frumefnin í lotukerfinu
– Nihonín (No), númer 113
Árið 2004 uppgötvuðu japanskir vísindamenn nihonín, og frumefnið var nefnt eftir japönskum rannsóknum.
Nihon er japanska fyrir „Japan“ og frumefnið var opinberlega bætt við lotukerfið árið 2015.
– Moskóvín (Mc), númer 115
Moskóvín uppgötvaðist árið 2003 af bandarískum og rússneskum vísindamönnum. Því var bætt við lotukerfið 2015.
Frumefnið eru nefnt eftir rússnensku höfuðborginni Moskvu og alþjóðlegri rannsóknarstofnun í kjarnorku sem er í Dubna, í vesturhluta héraðsins.
– Tennessín (Ts), númer 117
Tennesin var uppgötvuð af bandarískum og rússnenskum vísindamönnum árið 2010. Fimm árum síðar var því bætt við lotukerfið.
Frumefnið er nefnt eftir bandaríska fylkinu Tennessee þar sem það voru m.a. vísindamenn frá Oakridge National Laboratory í Tennessee, BNA, sem uppgötvuðu það.
– Oganeson (Og), númer 118
Bandarískir og rússnenskir vísindamenn uppgötvuðu oganeson árið 2002 og árið 2015 var því bætt við lotukerfið.
Frumefnið er nefnt eftir hinum víðfræga rússnenska eðlisfræðingi Yuri Oganessian.
– Livemorín (Lv), númer 116
Frumefnið uppgötvaðist árið 2000 og var bætt við lotukerfið árið 2011 ásamt flerovín (númer 114) .
Ástæðan fyrir því að 114 og 116 uppgötvuðust á undan 113 og 115 eru að frumefni með eru með jafnan fjölda í tölu róteinda eru öllu stöðugri en þau sem eru með ójafna tölu. Þess vegna er einnig auðveldara að búa til frumefni sem hafa jafnan fjölda róteinda.
