Pierwiastek bez stanu stałego/gazowego?

Czy są pierwiastki, które nie mają stanu stałego (lub gazowego)? I co z pierwiastkami z "końca" układu okresowego – które otrzymano w mikroskopijnych ilościach – czy mają w ogóle stan skupienia?

Odpowiedź

Absolutnie nie dziwi mnie tak postawione pytanie – sam zadałem podobne chyba jeszcze w szkole podstawowej. Nauczyciel nie był w stanie na nie odpowiedzieć, co bardzo mnie rozczarowało. Po wielu latach nauki muszę jednak stwierdzić, że udzielenie jednoznacznej odpowiedzi jest dość trudne i wymaga pewnych założeń.

Wszystko zależy od tego, jak szeroko rozumiemy pojęcie pierwiastka i - przede wszystkim - na jak wielką swobodę w zmuszeniu pierwiastków do osiągnięcia określonego stanu skupienia jesteśmy w stanie sobie pozwolić, manipulując temperaturą i ciśnieniem jednopierwiastkowego układu. W swoich rozważaniach, pisząc pierwiastek, będę miał na myśli jego dowolną odmianę alotropową (nie odróżniając diamentu od grafitu, ozonu od tlenu atmosferycznego itd). Będę także przymykał oko na występowanie różnych izotopów danego pierwiastka - szczególnie w przypadku pierwiastków lekkich (jak wodór, hel itd.) izotopy znacznie różnią się niektórymi właściwościami fizycznymi.

Przy tak ogólnej definicji pierwiastka można powiedzieć, że właściwie każdy pierwiastek - przynajmniej czysto teoretycznie - da się zaobserwować zarówno w stałym, jak i gazowym stanie skupienia (także w stanie ciekłym!), jeżeli tylko stworzy się odpowiednie warunki ciśnienia i temperatury. Niezależnie od tego, z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia, im większe ciśnienie i mniejsza temperatura, tym większa szansa, że pierwiastek ten będzie występował w stanie stałym. Osiągnięcie stanu gazowego jest natomiast możliwe przy zmniejszaniu ciśnienia i zwiększaniu temperatury. Oczywiście stwierdzenie to ma charakter poglądowy i niejeden naukowiec dostałby tutaj gęsiej skórki.

Jeżeli szukamy pierwiastka, który miałby nie występować w ogóle w stanie stałym, dobrym tropem na początek będzie przyjrzenie się układowi okresowemu pierwiastków. Pomińmy na razie tzw. pierwiastki superciężkie, o których wspomnę za chwilę. Bardziej szczegółowe układy okresowe podają jedynie 13 pierwiastków, które w tzw. warunkach standardowych (odpowiadających warunkom pokojowym) występują w stanie skupienia innym, niż stały. Są to: wodór, hel, azot, tlen, fluor, neon, chlor, argon, krypton, ksenon, radon (gazy) oraz brom i rtęć (ciecze). Poszukiwania ograniczają się więc jedynie do tych trzynastu pierwiastków. Wystarczy kilka chwil z nosem w czasopismach naukowych by przekonać się, że każdy z tych pierwiastków udało się zaobserwować w stanie stałym, w odpowiednio niskich temperaturach. W przypadku helu konieczne okazało się także zwiększenie ciśnienia - pod ciśnieniem atmosferycznym hel nie ulega krzepnięciu. Mało tego, pod ciśnieniem 2,5 MPa (megapaskala), a zatem ok. 25 razy większym od atmosferycznego, stały hel jest trwały jedynie poniżej temperatury 1 K (kelwina), a zatem niezwykle blisko tzw. temperatury zera bezwzględnego. Niemniej jednak, szybko przekonujemy się, że nie istnieje pierwiastek w ogóle niewykazujący stałego stanu skupienia.

Czy zatem - szukając pierwiastka niewystępującego w stanie gazowym - trzeba prześwietlić około 100 pozostałych pierwiastków? Dobrą strategią dla wytrwałego poszukiwacza wydaje mi się szukanie temperatur wrzenia interesujących go pierwiastków. Jeżeli wiarygodne źródło podaje takową, to z pewnością powyżej tej temperatury będziemy mieli do czynienia z pierwiastkiem w postaci gazowej. Ponownie należy wykluczyć pierwiastki superciężkie -  w ich przypadku odpowiedzi nie uzyskamy. Tego rodzaju poszukiwania doprowadziłyby nas do uzyskania odpowiedzi. Nie istnieje pierwiastek, którego nie można by zaobserwować w stanie gazowym - każdy pierwiastek, w odpowiednich warunkach ciśnienia i temperatury, przechodzi w stan pary.

Dlaczego tak jest? W każdym układzie - także tym jednopierwiastkowym - drobiny (atomy, cząsteczki...) oddziałują ze sobą w pewien sposób. Dla każdego z trzech podstawowych stanów skupienia charakterystyczny jest inny rodzaj oddziaływań - ogólnie można powiedzieć, że w stanie stałym oddziaływania między drobinami są najsilniejsze, w gazowym natomiast - najsłabsze.

Znacznie upraszczając problem: wzrost ciśnienia (przy zachowaniu stałości temperatury) prowadzi do bardziej gęstego upakowania drobin, co skutkuje zmniejszaniem się odległości między nimi. Mniejsze odległości to silniejsze wzajemne oddziaływania. Tak w konsekwencji zostanie osiągnięty stan stały. Wzrost temperatury (przy stałości ciśnienia) prowadzi z kolei do wzrostu energii drobin - oddziaływania międzycząsteczkowe słabną, objętość układu wzrasta aż do otrzymania stanu gazowego. Prawdziwe będą także stwierdzenia odwrotne - dla spadku ciśnienia i temperatury. Oczywiście wyjaśnienia te stanowią znaczne uproszczenie i sprawdzają się w ograniczonym zakresie ciśnień i temperatur - skrajnie niskim lub wysokim wartościom ciśnień i temperatur towarzyszą dużo bardziej złożone zjawiska. Niemniej jednak, w ten sposób można tłumaczyć sobie, dlaczego pierwiastki, które nie ulegają rozpadowi chemicznemu (z punktu widzenia chemii są substancjami najprostszymi) w pewnym momencie (dla pewnych wartości ciśnień i temperatur) będą musiały osiągnąć jeden z trzech podstawowych stanów skupienia.

Czas stawić czoła tzw. pierwiastkom superciężkim, ponieważ tak najczęściej określa się wspomniane pierwiastki z końca układu okresowego. Czy mają one jakiś stan skupienia? Właściwie można nieśmiało powiedzieć, że nie. Samo określenie stan skupienia pozwala udzielić odpowiedzi - mówi ono, w jaki sposób skupiają się drobiny materii - jak ze sobą oddziałują. Efektem tych oddziaływań są właściwości, które możemy zaobserwować gołym okiem (jak np. przyjmowanie kształtu naczynia przez substancję) i dzięki którym jesteśmy w stanie przypisać danemu zbiorowisku drobin pewien stan skupienia. No właśnie - zbiorowisku. Aby mówić o stanie skupienia, potrzebujemy pewnego licznego zbioru atomów danego pierwiastka, których właściwości będziemy w stanie zaobserwować.

Dlaczego nie jest to możliwe w przypadku pierwiastków superciężkich? Po pierwsze, zazwyczaj otrzymuje się je w naprawdę niewielkich ilościach, rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu nuklidów (dla laika - atomów). Tego rodzaju zbiorowisko jest zwyczajnie zdecydowanie zbyt małe, by wykazywać właściwości makroskopowe (widziane przez nas gołym okiem). Dla przykładu - w jednym centymetrze sześciennym wody znajdują się miliardy miliardów miliardów (i jeszcze trochę!) cząsteczek wody. To liczba zdecydowanie większa od kilku(dziesięciu), a przecież - dla człowieka - \mathrm{1\ cm^3} to ilość nieporażająca wielkością.

Co więcej, otrzymywane pierwiastki superciężkie są silnie promieniotwórcze, a co za tym idzie - niestabilne. W czasie od kilku sekund do ułamkowych części sekundy, ulegają one rozpadom na inne pierwiastki. Tak krótki czas życia atomów pierwiastków superciężkich zwyczajnie uniemożliwia określenie ich stanu skupienia. Nawet gdyby opracować metodę jednoczesnego otrzymania ogromnej ilości drobin pierwiastka superciężkiego, mielibyśmy bardzo mało czasu na zbadanie jego właściwości, szczególnie biorąc pod uwagę fakt, że część atomów uległaby natychmiastowemu rozpadowi i zanieczyściła naszą próbkę.

Biorąc pod uwagę te fakty, po prostu nie mówi się o stanie skupienia pierwiastków superciężkich. Choć niewątpliwie duże skupisko atomów pierwiastka superciężkiego w pewnej chwili wykazywałoby jakiś stan skupienia, my nie jesteśmy w stanie go zaobserwować.


Wypowiedź została przygotowana dla magazynu Focus, niestety nie doczekała się publikacji.