Yksinkertainen jaksollinen järjestelmä atomipainoilla – katso kuvatiedostot!

Elämme vuotta 2019, mutta mistään ei tunnu löytyvän siistiä mustavalkoista jaksollista järjestelmää, jonka voisi liittää kemian tehtäväpapereihin. Esimerkiksi lääketieteellisten alojen valintakokeissa on jo 12 vuoden ajan käytetty suttuista alkuainetaulukkoa, josta puuttuu seitsemän nykyään käytössä olevaa kemiallista merkkiä. Nyt asiaan olisi aika tulla muutos, sillä käynnissä on sentään kansainvälinen alkuaineiden jaksollisen järjestelmän vuosi.

Perinteinen kapea, mustavalkoinen jaksollinen järjestelmä, jossa on alkuaineiden järjestysluvut, kemialliset merkit ja nelinumeroiset atomipainot.
Tiedoiltaan tämä tammikuussa 2019 ajantasainen jaksollinen järjestelmä voi vanheta, mutta ainakaan sen värit eivät mene pois muodista. Jos etsit vuorovaikutteisempaa mutta yhtä mainoksetonta taulukkoa, kokeile Royal Society of Chemistryn jaksollista järjestelmää.

Ikään kuin jaksollisia järjestelmiä ei maailmassa jo olisi riittämiin, tein omaan ja muiden käyttöön yksinkertaisen jaksollisen järjestelmän. Siitä on olemassa kätevä bittikarttatiedosto (PNG) sekä tarkka ja muokattava vektoritiedosto (SVG). (Wikimedian käyttämä Mediawiki ei näytä tällä hetkellä osaavan muuttaa kyseistä SVG:tä virheettömästi PNG:ksi, mutta selaimilla ja Inkscapella kuvan pitäisi näkyä oikein.)

Olen käyttänyt jaksollisessa järjestelmässäni lukiokemiaan sopivia neljän numeron atomipainoja. Atomipaino on näppärä sana, jota moni fyysikko vierastaa, koska paino on eri asia kuin massa. Tilalle tarjottu pitkähkö suhteellinen atomimassa ei ole ongelmaton sana sekään, sillä sitä käytetään myös yksittäisistä nuklideista puhuttaessa. Atomipaino taas tarkoittaa aina atomimassojen painotettua keskiarvoa, jossa alkuaineen eri isotooppien esiintyvyydet on otettu huomioon.

Maapallon kalium esimerkiksi koostuu vakaista 39K- ja 41K-isotoopeista sekä pitkäikäisestä radioaktiivisesta isotoopista 40K. Isotooppien esiintyvyydet ovat tässä järjestyksessä 93,2581 %, 6,7302 % ja 0,0117 %. Kaliumin atomipaino saadaan kertomalla esiintyvyydet isotooppien suhteellisilla atomimassoilla: 0,932 581 ⋅ 38,963 706 49 + 0,067 302 ⋅ 40,961 825 26 + 0,000 117 ⋅ 39,963 9982 ≈ 39,10. Koska atomipaino on painotettu keskiarvo, yhdenkään kaliumatomin suhteellinen massa ei ole 39,10.

Appelsiini ja pieni purkki appelsiinimehua vierekkäin tummalla alustalla.
Kummassa on suurempi pitoisuus deuteriumia?

Alkuaineen isotooppikoostumus saattaa vaihdella huomattavasti eri näytteiden välillä. Vedyn raskasta isotooppia deuteriumia sisältävä vesi on tavallista vettä painavampaa, joten se haihtuu tätä huonommin. Lämpimällä vyöhykkeellä haihdunta on niin suurta, että deuterium rikastuu selvästi kasvien solunesteissä: appelsiinimehussa saattaa olla 4 prosenttia enemmän deuteriumia kuin paikallisessa sadevedessä. Isotooppien perusteella voidaan erottaa appelsiinista puristettu mehu sellaisesta mehusta, joka on tehty tiivisteestä ja viileämmän alueen vedestä.

Mehuväärennösten ohella isotooppikoostumuksilla voidaan tutkia vaikkapa ilmastonmuutosta. Muinaisaikojen vesissä ei voi enää uittaa lämpömittaria, mutta hapen raskaan 18O-isotoopin esiintyvyyden tiedetään olevan suurempi lämpimässä kuin kylmässä vedessä. Veden iso 18O-pitoisuus taas näkyy kyseisestä vedestä saostuneessa kalsiumkarbonaatissa.

Raskaat isotoopit siis rikastuvat haihtumisen seurauksena. Haihtuminen ei kuitenkaan riitä selittämään sitä, miksi ilmakehän vedyssä on deuteriumia paljon enemmän kuin esimerkiksi maakaasusta valmistettavassa vedyssä. Syynä deuteriumin määrään on kemiallinen reaktio, jossa vety reagoi ilmakehän hydroksyyliradikaalien kanssa: H2 + HO → H2O + H. Kineettisen isotooppivaikutuksen vuoksi vetymolekyyli, jossa on deuteriumia, hajoaa vähemmän herkästi kuin tavallinen vetymolekyyli. Siten deuterium rikastuu ilmakehän vetykaasuun.

Koska alkuaineiden isotooppikoostumus vaihtelee tutkittavan näytteen mukaan, myös alkuaineiden atomipainot vaihtelevat. Tätä vaihtelua ottaa huomioon IUPACin alainen atomipainokomitea CIAAW. Se päättää alkuaineiden standardiatomipainot eli vähemmän painokkaasti sanottuna varmaankin ”standardiset keskimääräiset suhteelliset atomimassat”. Standardiatomipainossa otetaan mahdollisimman hyvin huomioon maapallon isotooppijakaumat. Standardiatomipainoon viitataan tavallisesti pelkällä atomipaino-sanalla, koska se on, no, standardi.

Komitea antaa joillekin atomipainoille nykyään vaihteluvälin. Esimerkiksi vedyn pyöristetty atomipaino on 1,0078–1,0082. Lisäksi komitea ilmoittaa atomipainojen totunnaisarvot, joita voi käyttää, jos välillä ei ole niin väliä. Vedyn totunnaisarvo on 1,008, joten lääkiskokeessa annettu 1,0079 on vanhentunutta tietoa.

Jos alkuaineella ei ole tyypillistä isotooppikoostumusta, CIAAW ei ilmoita sille atomipainoa. Näin on käynyt kaikille radioaktiivisille alkuaineille lukuun ottamatta vismuttia, toriumia, protaktiniumia ja uraania.

Litium on ainoa alkuaine, jonka standardiatomipainossa on vain kolme merkitsevää numeroa. Ihminen on peukaloinut litiumin isotooppikoostumusta merkittävästi poistamalla litium-6-isotooppia vetypommeja varten. Yhdysvalloissa litium-7 on litiuminkäsittelylaitoksen takia rikastunut pennsylvanialaisessa vedessä 35 prosenttia.

Vuosi 2019 on muuten myös kansainvälinen maltillisuuden vuosi, jonka pitäisi edistää rauhaa ja turvallisuutta. Kun vuodesta päätettiin YK:ssa, toinen kahdesta vastaan äänestäneestä valtiosta oli Yhdysvallat.

Kommentoi tai kysy aiheesta

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s