Krótka forma układu okresowego ujawnia…

…kolejne pierwiastkowe pokrewieństwa. Były one dobrze znane XIX-wiecznym chemikom, ale w kolejnym stuleciu, wraz z rozpowszechnieniem się długiej postaci tablicy Mendelejewa (z grupami oznaczonymi od 1 do 18), poszły w zapomnienie. Grupy krótkiej formy tablicy układu okresowego (oznaczone liczbami rzymskimi od I do VIII) łączą ze sobą grupy formy długiej: 1 z 11, 2 z 12, itd. Wyjątkowo grupa VIII składa się aż z czterech rodzin: 8, 9, 10 i 18. Choć postać ta jest mniej przejrzysta niż forma długa, pozwala dostrzec znacznie więcej pokrewieństw między pierwiastkami. W naturalny sposób widoczne jest w niej chociażby podobieństwo diagonalne z poprzedniego odcinka (1).

1. Krótka forma tablicy układu okresowego wyraźnie pokazuje pokrewieństwo
pomiędzy pierwiastkami grup głównych i pobocznych

Przygotuj roztwory rozpuszczalnych soli ołowiu (azotan Pb(NO₃)₂ lub octan (CH₃COO)₂Pb) oraz baru (chlorek BaCl₂ lub azotan Ba(NO₃)₂). Zachowaj ostrożność podczas doświadczeń z tymi związkami, ponieważ są one toksyczne: noś ochronne rękawice, nie jedz i nie pij podczas pracy. Potrzebne będą także roztwory chromianu potasu K₂CrO₄ (też jest toksyczny) i rozpuszczalnego siarczanu, np. Na₂SO₄ (2). Przeprowadź reakcje soli ołowiu z chromianem i siarczanem oraz te same próby z solą baru. Reakcje wykonaj w probówkach lub na płytce porcelanowej z wgłębieniami (wymagają dosłownie kropli odczynników). Gdy nie masz takiej płytki, zastąpi ją blister po tabletkach lub folia, na której zmieszasz krople roztworów. W każdym z przypadków powstają osady: białej barwy PbSO₄ i BaSO₄ oraz żółty PbCrO₄ i jasnożółty BaCrO₄ (3). Zachowanie obu anionów i wzory tworzonych przez nie soli są analogiczne; można jeszcze dodać, że wszystkie one były (sole ołowiu) lub nadal są (sole baru) używane jako pigmenty. Pokre-wieństwo chromu i siarki nie jest przypadkowe – pierwiastki te leżą w grupach 6 i 16 układu okresowego, co oznacza, że w formie krótkiej znajdują się razem w grupie VI. Molibden i wolfram, pozostałe pierwiastki z grupy 6, również wykazują podobieństwo do siarki: znane są molibdenian BaMoO₄ i wolframian baru BaWO₄. Wszystkie te metale tworzą również sole o bardziej złożonej strukturze, np. często używany w laboratoriach dichromian potasu K₂Cr₂O₇. A siarka? Grono tworzonych przez nią kwasów i soli także jest liczne, przykładem jest pirosiarczan potasu K₂S₂O₇, analog dichromianu.

2. Odczynniki do twojego doświadczenia: azotany ołowiu i baru oraz chromian potasu

3. Barwy osadów soli baru i ołowiu: u góry siarczanów, u dołu chromianów

A co z innymi grupami? Wanadowce tworzą sole kwasów podobnych do wywodzących się z fosforu (H₃PO₄, HPO₃), np. wanadany Na₃VO₄ lub NH₄VO₃. W grupie VII (7 i 17 w formie długiej) analogia jest jeszcze wyraźniejsza. Dwa popularne związki potasu – nadmanganian KMnO₄ i nadchloran KClO₄ – tak się do siebie upodobniły, że powstają nawet kryształy mieszane w dowolnych proporcjach. Oba związki są utleniaczami i oba stosunkowo słabo rozpuszczają się w wodzie (jak na sole potasu). W innych grupach również można dostrzec podobieństwo: skandowce (grupa 3) zbliżają się właściwościami do glinu, a tytanowce (grupa 4) do cyny. Cynk i kadm (grupa 12) to pierwiastki reagujące podobnie do magnezu (z tym że ten ostatni nie jest amfoteryczny). Nawet gazy szlachetne mają coś wspólnego z grupą 8 – maksymalna wartościowość ksenonu w otrzymanych związkach wynosi VIII, tak jak osmu czy rutenu. Jedynie grupa 11 (miedź, srebro i złoto) nie wykazuje podobieństw do litowców z grupy 1. Cóż, widocznie metale szlachetne chcą zachować swoją odrębność.

Wartościowość mniejsza o dwa

Wykonane doświadczenie dowiodło podobieństwa chromianów i siarczanów, a co za tym idzie, także chromu i siarki, czyli pierwiastków grup 6 i 16. Jednak eksperyment jest również potwierdzeniem podobieństwa reakcji jonów baru i ołowiu (grupy 2 i 14). Podczas analizy chemicznej kationów ołów często jest wykrywany wraz z wapniem, strontem i barem na podstawie tworzenia trudno rozpuszczalnych siarczanów.

4. Po dodaniu chlorków do roztworu soli srebra(I) wytrąca się biały osad, analogicznie reagują jony talu(I)

Za takie zachowanie szarego metalu odpowiada… teoria względności. Zaskakujące, prawda? Elektrony w ciężkich atomach osiągają prędkości zbliżające się do prędkości światła, to zaś pociąga za sobą występowanie efektów relatywistycznych. Odpowiadają one m.in. za barwę złota i ciekły stan skupienia rtęci. W przypadku ołowiu, który, jako pierwiastek grupy 14, powinien być IV-wartościowy, efekty relatywistyczne powodują, że najwyższy stopień utlenienia jest nietrwały i w konsekwencji ołów jest przeważnie II-wartościowy. Stąd też jego reakcje są podobne do obserwowanych dla pierwiastków grupy 2. Zauważ, że w krótkiej formie układu okresowego jest to „cofnięcie” się o dwie kolumny.

Podobnie zachowuje się leżący obok ołowiu tal (grupa 13) z najtrwalszą wartościowością wynoszącą I, bizmut (grupa 15) tworzący trwałe związki na III stopniu utlenienia oraz zwykle IV-wartościowy polon z grupy 16. Tal upodabnia się do litowców, a zwłaszcza potasu (np. tworzy mocną zasadę) oraz srebra, z którym jest razem wykrywany podczas analizy kationów (oba tworzą trudno rozpuszczalne chlorki rozkładające się pod wpływem światła) (4). Zauważ, że w krótkiej formie tablicy litowce i srebro znajdują się razem w grupie I, więc i w tym przypadku widoczny jest efekt „cofnięcia”.

Chemiczne szachy

Podobieństwo srebra i talu jest fragmentem jeszcze innego zjawiska, widocznego, gdy potraktujesz tablicę układu okresowego w formie długiej jak szachownicę. To nie żart, takie podobieństwo zauważono stosunkowo niedawno, ale jest ono opisywane w literaturze chemicznej i powiązane z ruchem konika szachowego (ściślej jednym z możliwych ruchów skoczka – o jedno pole w dół i dwa w prawo). W takim samym położeniu względem siebie znajdują się kadm i ołów – toksyczne metale służące do produkcji akumulatorów, stopów łożyskowych oraz wykorzystywane w technice jądrowej. Inny przykład to cyna i cynk – przyjazne organizmom żywym (w przeciwieństwie do wielu metali leżących w ich pobliżu), stosowane jako powłoki antykorozyjne i od wieków będące składnikami ważnych stopów z miedzią: brązu (cyna) i mosiądzu (cynk). Dodatkowym potwierdzeniem zjawiska jest fakt, że bardzo wiele związków metali związanych ruchem skoczka ma podobne właściwości fizykochemiczne (temperatury topnienia, struktury krystaliczne). Obecnie nie istnieje wytłumaczenie tego zaskakującego zjawiska.

Na podstawie zaobserwowanego podobieństwa próbowano przewidzieć właściwości pierwiastka 114 (flerow), leżącego pod ołowiem. Otrzymane pojedyncze jądra atomów Fl nie pozwalają przy obecnym stanie techniki na dokładniejsze zbadanie jego właściwości fizykochemicznych, jednak ruch konika szachowego wiąże rtęć z tym pierwiastkiem. Można zatem przypuszczać, że będzie miał on dość niską temperaturę topnienia (czyżby kolejny ciekły metal?) (5).

5. Kilka par pierwiastków połączonych ruchem skoczka szachowego

Przedstawiona zależność pokazuje także, że nie ma „jedynie słusznej” wersji tablicy układu okresowego – jedne podobieństwa pierwiastków są lepiej widoczne w formie długiej, inne w krótkiej.

Pierwiastki na niby

Nie tylko jedne pierwiastki udają inne, ale także niektóre jony. Mowa tu oczywiście o jonach złożonych, czyli takich, które składają się z kilku atomów; jony proste podobne do innych jonów już znasz (np. Ba²⁺ i Pb²⁺). Przykładem są pseudohalogeny, czyli aniony udające fluorowce, zwane halogenami (z gr. „tworzące sole”). Przedstawiciele tej licznej grupy to np. jon cyjankowy CN– i rodankowy SCN–. Reagują one podobnie do jonu chlorkowego i tworzą z kationami srebra białe osady nierozpuszczalne w rozcieńczonych kwasach. Nie powinno zatem dziwić wykry-wanie pseudohalogenów w toku analizy razem z anionem Cl–. Jon cyjankowy tak bardzo „chce” upodobnić się do fluorowców, że tworzy nawet analog ich dwuatomowych cząsteczek – dicyjan (CN)₂, zupełnie jak np. chlor Cl₂ (6).

6. Dicyjan (u dołu) bardzo „chce” upodobnić się do chloru (u góry)

Do cyjanków z oczywistych względów nie masz dostępu, ale możesz porównać zachowanie rodanków i chlorków. Sporządź roztwory azotanu srebra AgNO₃, chlorku sodu NaCl i rodanku potasu KSCN. Użyj wody destylowanej, ponieważ chlorki i inne sole obecne w „kranówce” zafałszują wyniki (w roztworze soli srebra od razu zauważysz zmętnienie). Do roztworów chlorków i rodanków dodaj porcje roztworu AgNO3. W obu przypadkach powstaną białe osady. Po opadnięciu zawiesin na dno, zlej ciecz znad osadów i do każdego z nich dodaj niewielką ilość wody amoniakalnej. Osady rozpuszczają się w tym odczynniku (rodanek nieco słabiej niż chlorek). Dodatek kwasu azotowego wywoła ponowne wytrącenie osadów. Jak zatem widać, anion rodankowy rzeczywiście jest bliźniakiem jonu chlorkowego.

Kationy nie są gorsze i również mają swojego sobowtóra – jon amonowy NH₄⁺. Ten z kolei upodobnił się do jonów litowców, a zwłaszcza jonu potasu (7). Oba kationy posiadają zbliżone rozmiary, tworzą szereg związków o podobnej rozpuszczalności, a ponadto mogą się wzajemnie zastępować w krystalicznych solach. Podobnie jak anion cyjankowy, jon amonowy również bardzo „chce” upodobnić się do swojego bliźniaka. Podczas elektrolizy prowadzonej na katodzie rtęciowej rozpuszcza się w niej (podobnie jak litowce i inne reaktywne metale) w postaci egzotycznego tworu o wzorze NH₄. Ten ostatni jest jednak nietrwały i szybko rozpada się na amoniak i wodór.

7. Amon, jon z tytułem „honorowego” litowca

8. Zarówno jony potasu, jak i amonu dają identyczną reakcję

Ponieważ wszystkie popularne związki potasu są dobrze rozpuszczalne w wodzie, do porównania ich właściwości z jonem amonowym trzeba użyć specjalnego odczynnika. Sporządź roztwory chlorku kobaltu CoCl₂ i azotynu sodu NaNO₂ (inaczej azotanu(III)). Potrzebny będzie również spożywczy ocet o stężeniu 6…10% oraz sole potasu (np. KCl) i amonu (NH₄Cl). Do dwóch probówek wlej po kilka cm³ roztworu soli kobaltu, po 1 cm³ octu i po kilka cm³ roztworu azotynu sodu. Zamieszaj zawartość i do jednej z probówek dodaj roztwór KCl, a do drugiej – NH₄Cl. W obu naczyniach powstanie żółtawe zabarwienie, w przypadku zaś większego stężenia soli – takiego samego koloru osad (8). Pomijając skomplikowany wzór powstającego związku i reakcje, które doprowadziły do jego utworzenia, masz zidentyfikowaną kolejną parę „bliźniaków”.

W dwóch częściach artykułu przedstawione zostały podobieństwa pierwiastków: te znane Ci z nauki szkolnej i te, o których nie każdy, nawet chemik, słyszał. Nie są to oczywiście wszystkie poznane dotychczas „chemiczne bliźniaki”, a wraz z rozwojem wiedzy z pewnością pojawią się i inne. Chemia jest znacznie bardziej skomplikowana niż jej, z konieczności, uproszczony szkolny obraz. Czytając jednak artykuły działu chemicznego w „Młodym Techniku”, dobrze o tym fakcie wiesz. 

Krzysztof Orliński