בקיעים בטבלה המחזורית

בקיצור

• גילויו של יסוד 117 השלים בפעם הראשונה את הטבלה המחזורית כפי שאנו מכירים אותה, לפחות עד שתגליות חדשות יאלצו את הכימאים להרחיבה ולהוסיף לה שורה חדשה.
• ואולם, ההתנהגות הכימית של כמה מן התוספות האחרונות עלולה לסטות מהתנהגות היסודות באותו טור ולשבור את עקרון המחזוריוּת שהגדיר את הטבלה במשך 150 שנה.
• ההתנהגות המפתיעה נובעת כנראה מהשפעות המוסברות על ידי תורת היחסות הפרטית, הגורמות, בין השאר, להתכווצות מסלוליהם של אלקטרונים מסוימים באטום.
• פיזיקאי גרעין ממשיכים בחיפושיהם להפקת יסודות חדשים, ובהם אלקטרונים בסוגים חדשים של אורביטלים, ובהבנת כהכימיה שלהם בהתבסס על חקר של קומץ אטומים קצרי-חיים.

ב-2010 הודיעו חוקרים ברוסיה על כך שהצליחו להפיק כמה גרעיני אטומים של יסוד 117. לסוג האטומים החדש הזה עדיין אין שם, מפני שהקהילייה המדעית מחכה, על פי המסורת, לאישוש בלתי תלוי של התגלית לפני שהיא מכריזה על יסוד חדש. אבל אם לא יתחוללו הפתעות בלתי צפויות, היסוד ה-117 מצא את מקומו הקבוע בטבלה המחזורית של היסודות.

כל 116 היסודות שלפני היסוד החדש, וגם יסוד 118 המצוי אחריו בטבלה המחזורית, כבר התגלו. יסוד 117 מילא אפוא את המשבצת הריקה האחרונה בשורה התחתונה של הטבלה. ההישג הזה מסמן רגע ייחודי בהיסטוריה. כשדימיטרי מנדלייב, אף הוא רוסי, ואחרים יצרו את הטבלה המחזורית בשנות ה-60 של המאה ה-19, היא שימשה כמפה הגדולה הראשונה שארגנה את כל היסודות שהיו ידועים אז למדע. מנדלייב השאיר כמה חללים ריקים בטבלה ושיער השערה נועזת: יבוא יום ויסודות חדשים שיתגלו ימלאו את החורים האלה בטבלה. הטבלה תוקנה אין-ספור פעמים, אבל בכל הגרסאות שלה נותרו משבצות ריקות – עד היום. יסוד 117 משלים את הטבלה במלואה בפעם הראשונה בהיסטוריה.

סביר להניח שרוחו של מנדלייב הייתה מתענגת על ניצחון חזונו, לפחות לפרק זמן כלשהו, עד שכימאים ופיזיקאים של הגרעין יצליחו לסנתז את היסודות הבאים בתור, הישג שיחייב הוספה של שורות חדשות לטבלה וכנראה גם להשאיר חללים ריקים חדשים.

ואולם, בשעה שהפיסות החסרות האחרונות בתצרף מצאו את מקומן, החל להתערער משהו יסודי הרבה יותר, שעלול לשמוט את הקרקע מתחת לרעיון שעליו מבוססת הטבלה המחזורית עצמה: המחזוריוּת בתכונות החומרים שהקנו לטבלה את שמה.

מנדלייב לא רק חזה את קיומם של היסודות הבלתי ידועים בזמנו, הוא גם שיער נכונה את תכונותיהם הכימיות בהתבסס על הדפוס המחזורי הזה. אבל ככל שעלו המספרים האטומיים, המציינים את מספר הפרוטונים בגרעין, הפסיקו כמה מן היסודות הנוספים להתנהג באופן הצפוי על פי עקרון המחזוריות. כלומר, האינטראקציות הכימיות שלהם, כמו למשל, סוג הקשרים שהם יוצרים עם אטומים אחרים, לא דמו עוד לאלה של יסודות אחרים באותו טור בטבלה. הסיבה לכך היא שכמה מן האלקטרונים הסובבים סביב הגרעינים הכבדים ביותר בטבלה מגיעים למהירויות גבוהות עד כדי שיעור ניכר ממהירות האור. המהירויות האלה נעשות, בלשון הפיזיקאים, מהירויות "יחסותיות", והדבר גרם לאטומים להתנהג באופן שונה מן הצפוי על פי מקומם בטבלה המחזורית. זאת ועוד, קשה ביותר לחזות את המבנה האורביטלי של כל אטום חדש. ולכן, גם אם הטבלה של מנדלייב התמלאה בשלמותה ונחלה הצלחות, ייתכן שהיא החלה לאבד מכושרה להסביר ולחזות את תכונות היסודות.

הצלחה מושלמת

אף על פי שעד כה פורסמו יותר מ-1,000 גרסאות של הטבלה המחזורית, שנבדלו זו מזו בסידור היסודות ואף ביסודות שנכללו בהן, לכולן היה מאפיין אחד משותף. כשמסדרים את היסודות זה אחר זה, על פי המספר האטומי שלהם (הניסיונות הראשונים היו מבוססים על משקלים אטומיים), התכונות הכימיות שלהם נוטות לחזור על עצמן לאחר רצף מסוים של יסודות. למשל, אם נתחיל בליתיום (Li) ונתקדם שמונה משבצות קדימה, נגיע לנתרן (Na), שתכונותיו דומות: שני היסודות הם מתכות רכות כל כך עד שאפשר לחתוך אותן בסכין ושניהם מגיבים בעוצמה רבה עם מים. אם נתקדם עוד שמונה משבצות בטבלה נגיע לאשלגן (K), שגם הוא מתכת רכה שמגיבה עם מים, וכן הלאה.

בטבלאות הראשונות, גם באלה שבנה מנדלייב אבל גם באחרות, המחזורים, ולכן גם השורות בטבלה, היו תמיד באורך של שמונה יסודות. ואולם, עד מהרה התברר שבמחזורים הבאים, הרביעי והחמישי, התכונות אינן חוזרות על עצמן לאחר 8 יסודות אלא לאחר 18. ובהתאם לכך, גם השורות הרביעית והחמישית ארוכות יותר, והטבלה מתרחבת כדי להכיל את גוש היסודות הנוסף (מתכות המעבר, שבטבלות הנפוצות ממוקמות במרכז). כמו כן, התברר שהמחזור השישי ארוך אף יותר, והוא מכיל 32 יסודות. הדבר נובע מכך שנוספה סדרה נוספת של 14 יסודות שהיו קרויים לַנְתַנידים, ולאחרונה שונה שמם ללַנְתַנוֹאידים.

ב-1937 החלו פיזיקאֵי גרעין לסנתז יסודות חדשים. הראשון היה טֶכנֶציום (Tc), שמילא את אחד מארבעת החללים שהיו בטבלה שהייתה מוכרת אז, ושהשתרעה ממספר אטומי 1 (מימן, H) ועד 92 (אורניום U). שלוש הפיסות החסרות נמצאו זמן קצר לאחר מכן. שניים מן היסודות האלה סונתזו במעבדה (אַסְטַטין, At, ופְּרוֹמֶתְיוּם, Pm) והשלישי התגלה בטבע (פְרַנְצְיוּם, Fr). אבל בעת שהחללים האלה התמלאו, תגליות חדשות הרחיבו את הטבלה המחזורית מעבר לאורניום והשאירו בדרכן חללים ריקים חדשים.

הכימאי האמריקני גְלֶן סְיבּוֹרג הבין שאַקטיניום (Ac), תוֹריום (Th) ופְּרוֹטַקְטיניום (Pa), יחד עם אורניום ועשרת היסודות שאחריו, הם סדרה חדשה, שכמו הלנתנואידים, מונה 14 יסודות והיא קיבלה אפוא את השם אקטינואידים. (מכיוון שהיסודות הנוספים האלה מרחיבים את הטבלה המחזורית עוד יותר, הטבלאות המקובלות מציגות את שתי הסדרות, המונות 14 יסודות כל אחת, בגוש נפרד מתחת לטבלה הראשית.)

במחצית הראשונה של המאה ה-20 הבינו המדענים שמחזוריות היסודות נובעת מן הפיזיקה הקוונטית, וליתר דיוק, מן הפיזיקה המסבירה כיצד מקיפים האלקטרונים את הגרעין. מסלולי האלקטרונים מופיעים במגוון מסוים של צורות וגדלים הקרויים אוֹרבּיטַלים. לאטומים בעלי מספר אטומי גבוה יש אלקטרונים באותם אורביטלים כפי שיש באטומים בעלי מספרים נמוכים יותר, בתוספת אלקטרונים בסוגי אורביטלים חדשים. במחזור הראשון יש אלקטרונים רק בסוג אחד של אורביטל, המכונה אורביטל s, שיכול "לאכלס" רק אלקטרון אחד או שניים (אלקטרון אחד במימן, שניים בהליום, He). גם במחזור השני יש אלקטרונים המאכלסים אורביטל s אחד, וכך גם במחזור השלישי. אבל בכל אחד מהם יש אלקטרונים בעוד שלושה אורביטלים מסוג חדש, אורביטלי p. וגם כאן, כל אחד מארבעת האורביטלים האלה יכול לאכלס אלקטרון אחד או שניים, עד למספר המרבי של שמונה אלקטרונים בכל ארבעת האורביטלים יחדיו וזאת הסיבה למחזוריות של שמונה בגרסאות המקוריות של הטבלה. במחזורים הרביעי וחמישי, בנוסף לאורביטלי s ו-p יש אלקטרונים המאכלסים סוג שלישי של אורביטלים, חמישה אורביטלי d, המוסיפים עוד 10 מקומות לאכלוס אלקטרונים וכך מותחים את המחזור ל-18. ולבסוף, שני המחזורים האחרונים כוללים אף הם אלקטרונים באורביטל s אחד, ב-3 אורביטלי p, ב-5 אורביטלי d ובנוסף לכך גם ב-7 אורביטלי f ולכן המחזורים האלה כוללים 32 יסודות (18+14).

כשיוּרי אוֹגַנֶסיאן ועמיתיו במכון המשותף למחקר גרעיני שעל יד מוסקבה הודיעו על הצלחתם בסינתזה של היסוד החמקמק שמספרו האטומי 117, כל היסודות בשורה האחרונה של הטבלה המחזורית מצאו את מקומם. משמעות הקשר ההדוק בין מבנה הטבלה ובין מבנה האטומים היא שהשלמת הטבלה היא לא רק עניין של אסתטיקה או של סידור המידע על דף נייר. יסוד 118 הוא היסוד היחיד שכל האורביטלים שלו, מסוג s, p, d ו-f, מלאים באלקטרונים.

אם אי פעם יסנתזו יסודות נוספים הם יתמקמו בשורה חדשה לגמרי של הטבלה. יסוד 119, היסוד הבא הסביר ביותר להתגלות (ראו טבלה בעמוד הקודם), יתחיל מחזור חדש – שוב עם אלקטרון אחד בסוג האורביטל הפשוט ביותר, אורביטל s. יסוד 119 ויסוד 120 שאחריו יתמקמו בשני המקומות הראשונים במחזור השמיני החדש. אבל יסוד 121 יתחיל גוש חדש לגמרי של יסודות, שיערב, לפחות בעיקרון, סוג חדש של אורביטלים, שעד כה לא אוכלסו מעולם: אורביטלי g. כמו קודם לכן, סוג האורביטל החדש יוסיף אפשרויות חדשות לאכלוס אלקטרונים ולכן יאריך את המחזוריות ויגדיל את מספר הטורים בטבלה. גוש היסודות הזה ירחיב את הטבלה ל-50 טורים (אם כי הכימאים כבר פיתחו דרכים חסכוניות יותר לארגן טבלה מורחבת כזאת).

עם השלמת הטבלה ומילוי כל השורות בה, נראה היה שחלומו של מנדלייב התגשם במלואו. וזה אכן היה עשוי להיות כך, אלמלא אלברט איינשטיין ותורת היחסות הפרטית שלו.

שובר שורות?

כשאנו מתקדמים בטבלה, ממספרים אטומיים נמוכים לגבוהים, מספר הפרוטונים בגרעין גדל ולכן עולה המטען הגרעיני. וככל שהמטען הגרעיני עולה, עולה גם מהירותם של האלקטרונים באורביטלים הפנימיים, עד לנקודה שבה תורת היחסות הפרטית מתחילה למלא תפקיד מרכזי יותר בהסבר ההתנהגות הכימית. האפקט הזה גורם להתכווצות האורביטלים הפנימיים ולהגדלת היציבות שלהם. ההתכווצות הזאת מעוררת תגובת שרשרת המשפיעה על אורביטלי s ו-p אחרים, המתהדקים אף הם. בין השאר מתכווצים גם אורביטלי ה"עֶרכּיוּת", שהם האורביטלים החיצוניים ביותר, השולטים על התכונות הכימיות.

באופן כללי, כל התופעות האלה, המכונות בשם "האפקט היחסותי הישיר", מתגברות ככל שמטען הגרעין האטומי עולה. אבל כמה השפעות מתחרות מסבכות את העניינים. בעוד שהאפקט היחסותי הישיר מייצב אורביטלים מסוימים, אפקט יחסותי אחר, "בלתי-ישיר", מקטין את יציבותם של אורביטלי d ו-f. מדובר בסוג של מיסוך אלקטרוסטטי שמפעילים האלקטרונים באורביטלי s ו-p מכיוון שהמטען החשמלי השלילי שלהם מנטרל באופן חלקי את המשיכה החשמלית של הגרעין החיובי, כפי שהיא נמדדת רחוק ממנו. האלקטרונים הרחוקים יותר מן הגרעין "חשים" אפוא משיכה חשמלית חלשה יותר ולא חזקה יותר.

אנו מכירים כמה השפעות יחסותיות על יסודות גם בחיי היום-יום. למשל, השפעות כאלה מסבירות את צבעו של הזהב (Au), המבדיל אותו מן היסודות חסרי הצבע המקיפים אותו בגוש d של הטבלה המחזורית, כמו למשל כסף (Ag) הממוקם בטבלה ממש מעליו.

כשפוֹטון באורך גל מתאים פוגע באטום של מתכת מעבר, מגוש d, הוא עובר עירור. האטום בולע את הפוֹטון והאנרגיה שלו גורמת לאלקטרון לקפוץ מאורביטל d לאורביטל s המצוי היישר מעליו. ביסוד כסף פער האנרגיה בין האורביטלים האלה גדול למדי, ולכן דרוש פוטון בתחום האולטרה-סגול של הספקטרום כדי לעורר את האטום. פוטונים בתחום הנראה של הספקטרום, שלהם אנרגיה נמוכה יותר, פשוט ניתזים בחזרה. אנו רואים אפוא את המתכת כמַראָה כמעט מושלמת.

בזהב, פועל הכיווץ היחסותי ומוריד את האנרגיה של אורביטלי ה-s בד בבד עם העלאת האנרגיה של אורביטלי ה-d ובכך מקטין את הפער בין שתי רמות האנרגיה האלה. כעת דורש העירור פחות אנרגיה, והפעם היא מתאימה בדיוק לפוטון בתחום הכחול של הספקטרום. פוטונים בצבעים אחרים ממשיכים להינתז, ולכן לעינינו מגיע אור לבן שממנו חסר אור כחול. זאת הסיבה שאנו רואים את הצבע הזהוב-צהוב האופייני לזהב.

פֶּקָה פּיקוֹ מאוניברסיטת הלסינקי ואחרים ניסוי לחזות כמה מן האפקטים היחסותיים הפועלים על זהב, ובהם העובדה שאטומי זהב מסוגלים להיקשר לאטומים אחרים בדרכים חדשות ומפתיעות. התרכובות שהם ציפו לקבל כתוצאה מן האינטראקציות האלה אכן התגלו בסופו של דבר. זהו הישג מקביל, במידה כלשהי, להישגיו של מנדלייב בחיזוי קיומם של יסודות חדשים. בין התחזיות המוצלחות של פיקו אפשר למנות קשרים בין זהב ובין הגז האציל קסנון (Xe), בדרך כלל יסוד אדיש להפליא מבחינה כימית, וקשרים משולשים בין זהב ובין פחמן. הצלחה נוספת היא מולקולה כדורית הכוללת אטום אחד של המתכת טוּנְגְסְטֶן (W) ו-12 אטומי זהב, הדומה למולקולות "פוּלֶרֶן" המכילות רק פחמן, והידועות יותר בשם "כדורי-באקי". הפולרנים האלה מזהב נוצרים באופן ספונטני למדי כשמְאדים טונגסטן וזהב בנוכחות הגז הליום.

חישובים קוונטו-מכניים יחסותיים התגלו גם כהכרחיים בחקר השימוש בצברי זהב כזרזים כימיים. צברי זהב יכולים, למשל, לפרק חומרים רעילים שמשתחררים בדרך כלל ממפלטי מכוניות, אף על פי שזהב כגוש מתכתי ידוע באדישותו הכימית.

הפתעות על-כבדות

גם כשיסודות כמו זהב מושפעים מאפקטים יחסותיים, אין הם סוטים במידה רבה מן האופי הצפוי להם על פי הטבלה המחזורית. עד לאחרונה, היסודות החדישים התאימו כמעט תמיד לתכונות הצפויות מהן על פי מקומם בטבלה. אבל הפתעות חמורות יותר (ואולי מעניינות יותר) חיכו למדענים. כמה בדיקות כימיות של היסודות שהתגלו ממש לאחרונה, החלו להראות סימנים לכך שסדקים חמורים החלו לנבוע בעקרון המחזוריות.

עדיין לא ברור אם העיקרון שיסודות באותו טור בטבלה המחזורית מתנהגים באופן דומה זה לזה תקף גם באטומים כבדים מאוד

פיזיקאֵי גרעין יוצרים את היסודות ה"על-כבדים" – יסודות שהמספר האטומי שלהם גבוה מ-103 – על ידי התנגשויות בין גרעינים כבדים במאיצי חלקיקים. ניסויים ראשונים שנעשו בשנות ה-90 ביסודות רַתֶרְפוֹרְדְיוּם (Rf, 104) ודוּבְּניום (Db, 105) רמזו כבר אז שהיסודות האלה אינם ניחנים בתכונות הצפויות להם על פי מקומותיהם בטבלה המחזורית. קן צ'רווינסקי ועמיתיו באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, למשל, מצאו שרתרפורדיום מגיב בתמיסה באופן דומה לפלוטוניום (Pu), יסוד המצוי הרחק ממנו בטבלה המחזורית. בדומה, גם דובניום הראה סימנים להתנהגות כימית דומה ליסוד פְּרוֹטַקְטיניוֹם (Pa) המרוחק ממנו. על פי עקרון המחזוריות שני היסודות האלה היו אמורים להתנהג בדומה לשני היסודות המצויים ממש מעליהם בטבלה המחזורית, כלומר כמו הַפְניום (Hf) וטַנטַלוּם (Ta).

בעבודות מאוחרות יותר הצליחו המדענים לסנתז יסודות על-כבדים חדשים אך ורק בכמויות זעירות ביותר: גילוי היסוד 117 התבסס על תצפית של שישה אטומים בלבד. יסודות על-כבדים נוטים להיות גם בלתי יציבים מאוד ולדעוך ליסודות קלים יותר בשברירי שניות. בדרך כלל לא נותר למומחים אלא לבחון את שאריות הדעיכה הגרעינית הזאת ולהסיק מהם מידע על הפיזיקה והכימיה של האטומים האלה. במצב העניינים הזה, חקר התכונות הכימיות של היסודות האלה באמצעות כימיה "רטובה" מסורתית, כלומר הכנסת החומר למבחנה והתבוננות בתגובותיו עם חומרים אחרים, אינו בא בחשבון. ובכל זאת, מדענים מצאו שיטות מתוחכמות לחקור את הכימיה של היסודות האלה אטום-אטום.

ניסויים כימיים שנערכו בשני היסודות הבאים בתור היו מאכזבים למדי בהשוואה לאלה שנערכו ביסודות 104 ו-105. היה נראה שסיבּוֹרְגיום (Sg, 106) ובּוֹהְריום (Bh, 107) התנהגו בדיוק כפי שמנדלייב היה חוזה. הדבר הביא מדענים להמציא למאמרי המחקר שלהם שמות כגון "סיבורגיום השגרתי להפליא" ו"בוהריום המשעמם". היה נראה אפוא שעקרון המחזוריות חוזר לזירה.

במקרה של יסוד 112, כימאים ופיזיקאים ניסו להעריך אם היסוד מתנהג כמו כספית (Hg), הממוקמת היישר מעליו בטבלה המחזורית, או כמו הגז האציל רַדון (Rn), כפי שחוזים כמה חישובים יחסותיים. בניסויים כאלה, צוותי המחקר מסנתזים אטומים של יסוד 112, יחד עם כמה איזוטופים כבדים של כספית ושל רדון. (אף על פי שכספית ורדון מצויים בטבע בכמויות ניכרות, החוקרים מעדיפים להשתמש באיזוטופים מלאכותיים מפני שהם יכולים ליצרם בדיוק באותם תנאים שבהם הם מייצרים את היסודות הכבדים, במקום להסתמך על נתונים המתבססים על התכונות המאקרוסקופיות של היסודות הקלים והנפוצים יותר.)

לאחר הפקת האטומים, הנסיינים מאפשרים להם לשקוע על משטח המצוי בטמפרטורה נמוכה מאוד ומצופה חלקו בזהב וחלקו בקרח. אם יסוד 112 אכן מתנהג כמתכת (כלומר כמו כספית) הוא ייקשר לזהב, אבל אם הוא דומה יותר לגז האציל רדון, הוא יעדיף לשקוע על פני הקרח. עד כה, מעבדות שונות קיבלו תוצאות שונות, כך שהסוגיה עדיין רחוקה מהכרעה.

גם השפעות תורת היחסות על יסוד 114 עדיין אינן ידועות. תוצאות ראשונות שדיווחו רוברט אייכלר וצוותו ממכון פאול שֶרֶר בשווייץ רומזות על כמה הפתעות אמיתיות במקרה הזה, לנוכח איהתאמה ניכרת למדי לתיאוריה.

תוספות חדשות לטבלה המחזורית צפויות, כמובן, וחקר הכימיה של היסודות האלה יסייע להבהרת הסוגיה. שאלה כללית יותר היא אם יש בכלל סוף לטבלה המחזורית. ההסכמה הגורפת טוענת שכשמספר הפרוטונים ייעשה גדול מדי, לא ייווצרו גרעינים אפילו לא להרף עין. אבל הדעות חלוקות בשאלה היכן יפסיקו היסודות החדשים. בחישובים המניחים שהגרעין נקודתי, נראה שהגבול הוא ביסוד 137. מומחים אחרים שהביאו בחשבון את נפח הגרעין מעריכים שהיסוד האחרון יהיה בעל מספר אטומי 172 או 173.

עדיין לא ברור אם העיקרון שיסודות באותו טור בטבלה המחזורית מתנהגים באופן דומה זה לזה תקף גם באטומים כבדים מאוד. לשאלה זו אין משמעות מעשית רבה, לפחות בעתיד הנראה לעין. אובדן כוח החיזוי של הטבלה המחזורית בתחום היסודות העל-כבדים לא ישפיע על השימושיות שלה בשאר הטבלה. הכימאי הממוצע לעולם לא יזכה לשחק עם אף אחד מן היסודות בעלי המספרים האטומים הגבוהים ביותר. הגרעינים שלהם בלתי יציבים כל כך, עד שאחרי היווצרם הם דועכים כהרף עין ליסודות קלים יותר.

ועם זאת, השפעותיה של היחסות הפרטית נוגעות ללב לבה של הכימיה כתחום מדעי. אם עקרון המחזוריות יאבד את כוחו, תהיה הכימיה תלויה יותר בפיזיקה. אם יישמר העיקרון, הדבר יעזור לתחום לשמור על מידה מסוימת של עצמאות. ובינתיים, רוחו של מנדלייב צריכה אולי פשוט להתרווח ולהתפעל מהצלחת יציר מוחו החביב עליו ביותר.