2.5 Lotukerfið

Þegar frumkvöðlar í efnafræði unnu að því að hreinsa málmgrýti og uppgötvuðu fleiri frumefni áttuðu þeir sig á því að hægt væri að flokka ýmis frumefni saman eftir svipaðri efnafræðilegri hegðun. Einn slíkur flokkur inniheldur litíum (Li), natríum (Na) og kalíum (K). Þessi frumefni eru öll gljáandi, leiða varma og rafmagn vel og hafa svipaða efnafræðilega eiginleika. Annar flokkur inniheldur kalsíum (Ca), strontíum (Sr) og baríum (Ba), sem eru einnig gljáandi, góðir varma- og rafleiðarar og eiga sameiginlega efnafræðilega eiginleika. Hins vegar eru sértækir eiginleikar þessara tveggja flokka talsvert ólíkir. Til dæmis eru Li, Na og K mun hvarfgjarnari en Ca, Sr og Ba. Þá mynda Li, Na og K efnasambönd við súrefni í hlutfallinu tvær frumeindir frumefnisins á móti einni súrefnisfrumeind, en Ca, Sr og Ba mynda efnasambönd í hlutfallinu ein frumeind frumefnisins á móti einni súrefnisfrumeind. Flúor (F), klór (Cl), bróm (Br) og joð (I) sýna einnig svipaða eiginleika innbyrðis, en þeir eru gjörólíkir eiginleikum allra frumefnanna sem nefnd eru hér að ofan.

Dmitri Mendelejev í Rússlandi (1869) og Lothar Meyer í Þýskalandi (1870) áttuðu sig óháð hvor öðrum á því að lotubundið samband væri milli eiginleika þeirra frumefna sem þá voru þekkt. Báðir gáfu út töflur þar sem frumefnunum var raðað eftir vaxandi atómmassa. Mendelejev gekk þó skrefinu lengra en Meyer: hann notaði töfluna sína til að spá fyrir um tilvist frumefna sem hefðu svipaða eiginleika og ál og kísill en voru þá enn óþekkt. Uppgötvanir gallíums (1875) og germaníums (1886) renndu styrkum stoðum undir verk hans. Þótt Mendelejev og Meyer hafi lengi deilt um hvor hefði orðið fyrri til, er framlag Mendelejevs til þróunar lotukerfisins nú víðar viðurkennt (mynd 2.25).

Á tuttugustu öld varð ljóst að lotubundnu venslin tengdust sætistölum fremur en atómmössum. Nútímaframsetning þessara vensla, lotulögmálið, er svohljóðandi: eiginleikar frumefnanna eru lotubundin föll af sætistölum þeirra. Nútímalotukerfi raðar frumefnunum í vaxandi röð eftir sætistölum þeirra og flokkar saman frumeindir með svipaða eiginleika í sama lóðrétta dálk (mynd 2.26). Hver reitur táknar eitt frumefni og inniheldur sætistölu þess, efnatákn, meðalatómmassa og (stundum) heiti. Frumefnunum er raðað í sjö láréttar raðir, sem kallast lotur, og 18 lóðrétta dálka, sem kallast flokkar. Flokkarnir eru merktir efst í hverjum dálki. Í Bandaríkjunum voru merkingarnar jafnan rómverskar tölur ásamt hástöfum. IUPAC mælir hins vegar með því að tölurnar 1 til 18 séu notaðar og eru þær merkingar algengari. Til þess að taflan komist fyrir á einni blaðsíðu eru hlutar tveggja raða, alls 14 dálkar, venjulega skrifaðir fyrir neðan meginhluta töflunnar.

Jafnvel eftir að lotubundið eðli frumefnanna og taflan sjálf nutu almennrar viðurkenningar voru enn til staðar eyður. Mendelejev hafði spáð fyrir um — og aðrir á borð við Henry Moseley síðar staðfest — að það ættu að vera frumefni fyrir neðan mangan í flokki 7. Þýsku efnafræðingarnir Ida Tacke og Walter Noddack settu sér það markmið að finna þessi frumefni, en vísindamenn um allan heim leituðu þeirra einnig. Aðferð þeirra var einstök að því leyti að þau tóku ekki aðeins mið af eiginleikum mangans, heldur einnig af þeim frumefnum sem voru lárétt við hlið frumefnanna 43 og 75 sem vantaði í töfluna. Með því að rannsaka málmgrýti sem innihélt steindir rúþeníums (Ru), volframs (W), osmíums (Os) og svo framvegis tókst þeim að bera kennsl á náttúruleg frumefni sem hjálpuðu til við að fullkomna töfluna. Reníum, ein af uppgötvunum þeirra, var eitt af síðustu náttúrulegu frumefnunum sem fundust og er síðasta stöðuga frumefnið sem uppgötvaðist. (Marguerite Perey uppgötvaði fransíum, síðasta náttúrulega frumefnið sem fannst, árið 1939.)

Mörg frumefni eru mjög ólík hvað varðar efnafræðilega og eðlisfræðilega eiginleika, en sum frumefni sýna svipaða hegðun. Til dæmis eru mörg frumefni gljáandi, mótanleg (hægt að afmynda þau án þess að þau brotni) og seig (hægt að draga þau í víra), og leiða varma og rafmagn vel. Önnur frumefni eru hvorki gljáandi, mótanleg né seig og eru lélegir varma- og rafleiðarar. Við getum flokkað frumefnin í stóra flokka með sameiginlega eiginleika: málma (frumefni sem eru gljáandi, mótanleg og góðir varma- og rafleiðarar — skyggð gul); málmleysingja (frumefni sem eru mött og lélegir varma- og rafleiðarar — skyggð græn); og hálfmálma (frumefni sem leiða varma og rafmagn þokkalega vel og búa yfir sumum eiginleikum málma og sumum eiginleikum málmleysingja — skyggð fjólublá).

Eins og þú munt læra í frekara námi í efnafræði hegða frumefni í sama flokki sér oft á nokkuð svipaðan hátt. Þetta stafar að hluta til af fjölda rafeinda á ysta hveli þeirra og svipaðri tilhneigingu þeirra til að mynda efnatengi. Þessir sameiginlegu eiginleikar geta haft víðtæk áhrif í náttúrunni, vísindum og læknisfræði. Þegar Gertrude Elion og George Hitchings rannsökuðu til dæmis leiðir til að trufla fjölgun frumna og veira í baráttu gegn sjúkdómum nýttu þau sér líkindin milli brennisteins og súrefnis (bæði í flokki 16) og getu þeirra til að mynda svipuð efnatengi. Elion beindi sjónum sínum að púrínsamböndum, sem eru lykilhlutar DNA og innihalda súrefni. Hún komst að því að með því að setja inn brennisteinssambönd (kölluð púrínhliðstæður) sem líkja eftir byggingu púrínsambanda, myndu sameindir innan DNA tengjast hliðstæðunum í stað „venjulegu“ púrínsambandanna í DNA. Með því að breyta eðlilegri tengingu og byggingu DNA tókst Elion að trufla fjölgun frumna. Í grundvallaratriðum virkaði aðferðin vegna líkindanna milli brennisteins og súrefnis. Uppgötvun hennar leiddi beint til mikilvægra meðferða við hvítblæði. Á heildina litið leiddi starf Elion með George Hitchings ekki aðeins til fleiri meðferða, heldur breytti það einnig allri aðferðafræði við þróun lyfja. Með því að nota ákveðin frumefni og efnasambönd til að beina spjótum að tilteknum þáttum æxlisfrumna, veira og baktería lögðu þau grunninn að mörgum af algengustu og mikilvægustu lyfjum nútímans, sem hjálpa milljónum manna á hverju ári. Þau hlutu Nóbelsverðlaunin árið 1988.

Við skoðun á lotukerfinu kann að hafa vakið athygli þína atriði varðandi atómmassa sumra frumefnanna. Frumefni 43 (teknetíum), frumefni 61 (prómetíum) og flest frumefni með sætistölu 84 (pólóníum) og hærri hafa atómmassa sinn tilgreindan í hornklofum. Þetta er gert fyrir frumefni sem samanstanda eingöngu af óstöðugum, geislavirkum samsætum (þú munt læra meira um geislavirkni í kaflanum um kjarnaefnafræði). Ekki er hægt að ákvarða meðalatómmassa fyrir þessi frumefni vegna þess að hlutfallslegt algengi geislasamsæta þeirra getur verið mjög breytilegt eftir uppruna, eða þær eru jafnvel ekki til í náttúrunni. Talan í hornklofunum er massatala (námundaður atómmassi) stöðugustu samsætu þess frumefnis.