Da li ste se ikada zapitali odakle potiče kalcijum koji se nalazi u sastavu naših kostiju, ili željezo koje se nalazi u našoj krvi?

Na ovo pitanje mnogi bi vjerovatno odgovorili da pomenuti elementi potiču iz hrane koju unosimo u naš organizam. Na primjer, kalcijumom su bogati mliječni proizvodi i sjemenke (sjemenke maka, susama itd.), a željezom su bogate namjernice kao što su crveno meso, cvekla, kopriva itd.  Da li bi to onda značilo da neke životinje ili biljke sintetišu (“proizvode”) pomenute hemijske elemente?

Odgovor na poslednje pitanje je negativan. Ni kalcijum, ni željezo, a ni drugi hemijski elementi, koji se nalaze u našem tijelu ne sintetišu ni biljke, ni životinje, iako se mnogo različitih hemijskih elemenata  nalazi u sastavu  biljaka i životinja. Odakle onda potiču hemijski elementi od kojih je izgrađeno i naše tijelo, ali i sva priroda koja nas okružuje?

Odgovor na ovo pitanje pokušali su pronaći mnogi naučnici (hemičari, fizičari, astrofizičari…).

Osvrnimo se kratko na istorijat formiranja periodnog sistema hemijskih elemenata, kako bismo polako došli do odgovora na prethodna pitanja.

Kada pomenemo hemijske elemente, većini nas prva asocijacija je periodni sistem hemijskih elemenata.  Ruski hemičar Dimitrij Ivanovič Mendeljejev je 1869. godine klasifikovao hemijske elemente u tzv. periodni sistem elemenata. Drugi naučnici (npr. Lavoazje, Robert Bojl, J. Deberajner, Njulends, Lotar Majer…)  su takođe pokušavali sastaviti tablicu hemijskih elemenata, ali sa mnogo manje uspjeha od pomenutog ruskog naučnika. Naime, Mendeljejev je smatrao da fizičke i hemijske osobine elemenata imaju periodičnu zavisnost od njihovih relativnih atomskih masa.

Relativna atomska masa nekog elementa predstavlja neimenovani broj koji pokazuje koliko je puta prosječna masa nekog elementa veća od 1/12 ugljenikovog izotopa ¹²C (tj. od ugljenikovog izotopa čiji je maseni broj 12).  Izotopi su atomi jednog istog elementa, koji imaju isti broj protona u jezgru i pokazuju iste hemijske osobine, a razlikuju se po atomskoj masi. Odnosno, izotopi su atomi koji imaju isti atomski broj (tj. broj protona u jezgru), a različit maseni broj (preciznije, različit broj neutrona u jezgru). Maseni broj predstavlja zbir protona i neutrona u jezgru atoma. Međutim, do saznanja o građi atomskog jezgra se došlo kasnije. Sama građa atoma i atomskog jezgra nisu bile poznate u vrijeme kada je Mendeljejev sastavljao svoj periodni sistem elemenata, pa se on prilikom sastavljanja periodnog sistema elemenata vodio time da hemijske elemente slaže u tabelu prema rastućim relativnim atomskim masama. Uočio je da se u određenim intervalima javljaju elementi sa sličnim hemijskim osobinama. Potpisivanjem elemenata, sa sličnim hemijskim osobinama, jednog ispod drugog stvaraju se vertikalni nizovi – grupe i horizontalni nizovikoji se nazivaju periode. U periodama (horizontalnim nizovima) idući s lijeva na desno rastu relativne atomske mase i mijenjaju se osobine elemenata, sve do poslednjeg elementa u redu. Sledeći element ima osobine koje se podudaraju sa osobinama prvog elementa u prethodnoj periodi i u tabeli se smješta ispod njega i tako započinje nova perioda. Na osnovu opisanog, vidimo da se u vertikalnim nizovima (grupama) nalaze elementi sa sličnim hemijskim i fizičkim osobinama. Pošto je Mendeljejev vodio računa o fizičkim i hemijskim osobinama elemenata prilikom sastavljanja periodnog sistema elemenata, došao je na ideju da ostavi prazna mjesta za elemente koji u to vrijeme nisu bili otkriveni, jer je smatrao da tada poznati elementi nisu mogli doći na mjesta u grupama sa kojima nemaju slične fizičke i hemijske osobine. Na taj način predvidio je postojanje šest hemijskih elemenata i ostavio prazna mjesta za njih u periodnom sistemu elemenata. Približno je predvidio njihove hemijske osobine, kao i relativne atomske mase, a tim elementima dao je nazive: eka – bor, eka – aluminijum, eka – silicijum, eka – mangan, dvi – mangan i eka – tantal (eka – prvi, dvi – drugi). Prva tri navedena elementa pronađena su u toku narednih četrnaest godina i dobili su nazive skandijum (Sc), galijum (Ga) i germanijum (Ge).  Osobine su im se jako dobro slagale sa osobinama koje je predvidio Mendeljejev. Kasnije su pronađena i preostala tri elementa koja je predvidio Mendeljejev i dobili su nazive: tehnicijum (Tc), renijum (Re) i protaktinijum (Pa).

Međutim, Mendeljejev nije baš u svim slučajevima ispoštovao princip po kome bi redao elemente po porastu relativne atomske mase. U par slučajeva je stavio elemente sa većom relativnom atomskom masom ispred elemenata sa manjom relativnom atomskom masom, a razlog tome je bilo to da elementi sa odgovarajućim osbinama dođu u odgovarajuće grupe.  To su sledeći slučajevi: jod (I) i telur (Te), kobalt (Co) i nikl (N), te argon (Ar) i kalijum (K).

Ovaj Mendeljejev potez pokazao se opravdanim kada je otkrivena struktura atoma. Naime, kada je utvrđeno da redni broj elementa nije jednak relativnoj atomskoj masi, već je jednak naboju (naelektrisanju) jezgra, tj. broju protona u jezgru, odnosno broju elektrona u omotaču, jer je ukupan atom električno neutralan. Otkrićem izotopa hemijskih elemenata, postalo je potpuno jasno zašto je kod pomenutih parova hemijskih elemenata došlo do odstupanja od principa da se hemijski elementi slažu po porastu relativne atomske mase. Dakle, postalo je jasno da relativna atomska masa nije veličina prema kojoj su raspoređeni elementi u periodnom sistemu, nego je to atomski broj (broj protona u jezgru atoma). Prema tome, postalo je jasno da su osobine hemijskih elemenata periodične funkcije njihovih atomskih brojeva.

Slika 1. Periodni sistem elemenata

Na prethodnoj slici (slika 1) vidimo da se u periodnom sistemu nalazi 118 hemijskih elemenata. Hemijski element se može definisati kao supstanca koja se sastoji od jedne vrste atoma i hemijskim procesima se ne može razložiti na jednostavnije supstance. Neki od elemenata su dobijeni vještačkim putem, tj. čovjek ih je sintetisao u laboratorijskim uslovima. To su elementi sa rednim brojem većim od 92. Ovi elementi se nazivajuju transuranijumskim elementima i svi su radioaktivni.

Još dva radioaktivna elementa – tehnicijum (Tc) i prometijum (Pm), koji ne spadaju u transuranijumske elemente, prvo su dobijeni vještačkim putem, a potom su otkriveni u prirodi, u malim količinama (tj. u tragovima).

Međutim, porijeklo većine hemijskih elemenata nije vezano za čovjekov rad, tj. nisu dobijeni vještačkim putem, u laboratorijskim uslovima.

Razvoj atomske, nuklearne, kvantne fizike i fizike elementarnih čestica donio je bolje razumjevanje građe samog atoma, atomskog jezgra i nukleona, kao i razumjevanje nuklearne fisije (cijepanje težeg atomskog jezgra na lakša jezgra) i nuklearne fuzije (spajanje lakših atomskih jezgara u teže jezgro). Sva ta znanja potrebno je bilo kombinovati sa znanjima koje je donio razvoj astrofizike i napredak tehnologije, koji je omogućio istraživanje svemira.

Objedinjavanje znanja iz navedenih oblasti dovelo je do mogućnosti da razjasnimo porijeklo brojnih hemijskih elemenata, od kojih su mnogi veoma zastupljeni i u nama samima, u prirodi koja nas okružuje, ali i u svemiru.

Više detalja o porijeklu hemijskih elemenata pročitajte u nastavku ovog teksta, odnosno u članku koji nosi naziv “Porijeklo hemijskih elemenata”.

Danijela Lazendić

Literatura:

• “Opšta hemija” – dr Nada Perišić – Janjić, Beograd 1997.
• https://www.britannica.com/science/chemical-element/The-atomic-nature-of-the-elements