Terje E.

Om grunnstoffenes periodiske system

Decrease Font Size Increase Font Size Størrelse på tekst Skriv ut denne siden

All kjemi er basert på ca. 100 grunnstoffer og det periodiske systemet angir slektskapet deres. I 1789 kategoriserte man 33 kjemiske grunnstoffer, men det systemet vi kjenner i dag er 80 år yngre. Det kan også forutsi til nå ukjente grunnstoffer.

Hvis man er heldig kan man kjenne igjen en forsker på t-skjorten hans. Fysikerens t-skjorte er påtrykt Einsteins formel E = mc2, biologens DNA-molekyls dobbeltspiral og kjemikeren bærer stolt rundt på det fargerike periodiske systemet. Og det er ikke uten grunn at kjemikerens svar på fysikerens elementærpartikler er det periodiske systemet. All kjemi er basert på ca. 100 grunnstoffer – det er i alt påvist 118 grunnstoffe, hvorav 90 finnes naturlig på jorden – og det periodiske systemet angir slektskapet mellom dem.

Systemet består av perioder og grupper der slektskapet fremgår av grunnstoffer i samme gruppe. Selv om oksygen og svovel umiddelbart er meget forskjellige stoffer er de i kjemisk henseende søsken. De er derfor plassert i samme gruppe, men hører til forskjellige perioder. Det samme gjelder luftarten klor og det faste stoffet jod.

grunnstoff-periodisk-sytem

Antoine Lavoisier

Antoine Lavoisier

Allerede i 1789 kategoriserte den franske kjemikeren Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) 33 kjemiske elementer eller grunnstoffer. Men det periodiske systemet vi kjenner i dag, og som er fundamentet for de kjemiske vitenskapene, stammer fra 1869. På midten av 1800-tallet, når det var alment anerkjent at alle grunnstoffer har en karakteristisk atomvekt, ble det for alvor fart i utviklingen av systemet. Vekten syntes ikke å vise fram noe mønster, men kjemikerne søkte likevel etter et for det var en fristende tanke at grunnstoffene hadde et felles opphav, og at den antatte enheten i naturen ville gi seg til kjenne ved en avkoding av atomvektene.

En av de kjemikerne som var overbevist om et mønster, var den dansk-amerikanske vitenskapsmannen Gustavus Hinrichs (1836-1923). Han var ikke bare overbevist om at grunnstoffene kunne deles inn i familier, han mente også at alle besto av kombinasjoner av et enkelt urstoff, som han kalte pantogen. Hinrichs som i 1867 presenterte idéen sin i et spiralformet system, var en av flere forgjengere til det periodesystemet som først ble endelig formulert i 1869 av tyskeren Lothar Meyer (1830-1895) og russeren Dmitrij Ivanovitj Mendelejev (1834-1907).

Ut fra de kjente grunnstoffenes masse var Meyer i stand til å vise at atomvolumet deres – et relativt mål for atomenes størrelse – varierte periodisk med atomvekten. F.eks. var atomer av de såkalte alkaliemetallene litium, natrium, kalium og rubidium spesielt store. Selv om natrium sin atomvekt var mindre enn magnesium sin, hadde det et større atomvolum.

Dmitrij Ivanovitsj Mendelejev

Dmitrij Ivanovitsj Mendelejev

Det var imidlertid Mendelejevs klassifikasjon som var den mest fruktbare, derfor regnes han som skaperen av det periodiske systemet slik vi kjenner det i dag. Mendelejev var født i Tobolsk i det fjerne Sibir, den yngste av en barneflokk på 14. Han klarte å komme på universitetet i St. Peterborg, hvor han i 1867 ble professor i kjemi og to år senere foreslo det systemet som gjorde ham til en stjerne i kjemihistorien.

Mendelejevs system var ikke basert på spekulasjoner om stoffenes enhet, men var derimot et forsøk på å korrelere grunnstoffenes kjemiske og fysiske egenskaper med atomvektene deres. Hans omfattende kjennskap til stoffkjemi førte ham til en klassifikasjon etter stigende atomvekter, hvor grunnstoffer med omtrent samme egenskaper var plassert i samme gruppe. Det var f.eks. kjent at metallene magnesium, kalsium og strontium, om enn de har vidt forskjellige atomvekter (hhv. 24, 40 og 88), i mange henseender minner om hverandre, og Mendelejev plasserte dem derfor i samme gruppe.

Den overordnede idé bak dette «naturlige systemet» var at grunnstoffenes egenskaper – f.eks. deres reaksjonsvillighet, smeltepunkt og kjemiske forbindelser – varierer periodisk med atomvektene deres. Denne innsikten hadde Meyer også, men det var bare Mendelejev som dro de fulle konsekvensene av den.

Det naturlige eller periodiske systemet var mer enn bare en klassifikasjon av grunnstoffer. Det var også et sterkt argument for atomvekten som den karakteristiske eller til og med definerende egenskapen for et grunnstoff. Ifølge Mendelejev besto atomvekten når et grunnstoff dannet forbindelser, og den var den eneste målbare og permanente egenskapen for atomer. Selv om det periodiske systemet var bygget etter opp atomvekten erkjente Mendelejev at systemet ikke passet helt med de målte atomvektene.

Grunnstoffet beryllium hadde dermed en atomvekt på 14, hvilken ville gjøre det beslektet med aluminium, i motsetning til alle kjemiske erfaringer. Men Mendelejev hadde så stor tiltro til systemet sitt at han anså atomvekten for å være feil og i stedet tildelte beryllium atomvekt 9 slik at han kunne plassere det sammen med magnesium og kalsium. Denne dristige tilsidesettelsen av eksperimentelle data viste seg å være berettiget, idet forbedrede målinger i 1885 nettopp resulterte i en atomvekt på 9 for beryllium.

Omkring 1880 hadde det periodiske systemet oppnådd full anerkjennelse som et viktig gjennombrudd i kjemien. Når kjemikerne villig aksepterte Mendelejevs system var det til dels fordi det brakte orden og overblikk over de mange grunnstoffene, men det var også fordi systemet hadde en bemerkelsesverdig evne til å forutsi nye grunnstoffer. Det var nemlig atskillige «hull» i systemet i form av plasser som ikke kunne fylles ut av kjente grunnstoffer.

Ut fra mønsteret i det periodiske systemet påtok Mendelejev seg å forutsi egenskapene av de enda ukjente grunnstoffene. De mest berømte av forutsigelsene hans vedrørte de grunnstoffene som siden ble kjent som gallium, scandium og germanium. For det ukjente metallet «eka-silisium» forutsa han f.eks. en atomvekt på 72 og en vektfylde på 5,5 ger per cm3. Da den tyske kjemikeren Clemens Winkler (1838-1904) i 1886 oppdaget metallet og navnga det germanium viste det seg å ha atomvekt 73,3 og vektfylde 5,47. Forutsigelsene av de tre grunnstoffene var forbløffende presise, noe som forståelig nok imponerte kjemikerne. Nå var ikke alle av Mendelejevs forutsigelser korrekte og noen av dem var til og med helt feil. F.eks. forutsa han et grunnstoff med atomvekt 175 som ikke finnes. Men fiaskoene ble ikke tillagt samme vekt som de spektakulære suksessene.

Ett av de kjente problemene med det periodiske systemet angikk grunnstoffene tellur og jod, hvis egenskaper klart viser at tellur kommer før jod i systemet. Men atomvektene var bestemt til henholdsvis 128 og 127, så rekkefølgen burde være jod tellur, da Mendelejevs system jo var ordnet etter stigende atomvekter. Også i dette tilfellet valgte den russiske kjemikeren å betvile de eksperimentelle verdiene. Det slapp han imidlertid ikke heldig fra. Riktignok syntes målinger på 1880-tallet å redusere tellurs vekt til 125, i overensstemmelse med Mendelejevs forventning, men senest i 1900 sto det klart at tellurs atomvekt faktisk er større enn jods. Selv konfrontert med disse overbevisende dataene nektet Mendelejev å tro på dem. Problemet var ekte og det fortsatte å være et proble, inntil det ble forstått at atomvekten ikke er den størrelsen det periodiske systemet er ordnet etter.

Den nye innsikten kom først langt senere fram i kjølvannet av oppdagelsen av isotoper og forståelsen av atomets struktur som en atomkjerne omgitt av elektroner. Isotoper er nettopp grunnstoffarter med forskjellig atomvekt, men ikke desto mindre samme plassering i periodesystemet. Navnet isotop som stammer fra 1913, betyr «samme sted» på gresk. Kjemikere og fysikere ble nå nødt til å omdefinere grunnstoffbegrepet slik at det omkring 1915 ble basert på atomkjernens positive ladning (atomnummeret) og ikke på atomvekten. Dette er fremdeles definisjonen vårt på et grunnstoff.

Allerede i siste del av 1800-tallet var det flere spekulasjoner om at regulariteten i det periodiske systemet kanskje skyldtes at atomene var sammensatte strukturer. Mendelejev avviste energisk selv disse spekulasjonene som fantasi og forble til sin død i 1907 overbevist om at atomene var usammensatte som udelelige.

Med oppdagelsen omkring 1900 av elektronet som en felles bestanddel av alle atomer ble det naturlig å søke etter en forklaring på periodesystemet ut fra atomenes oppbygning. Man kunne f.eks. forestille seg at natrium- og kaliumatomet hadde felles trekk i elektronstrukturene deres og at dette manifesterte seg i den kjemiske likheten mellom de to grunnstoffene.

Det første seriøse forsøket på å gi en atomteoretisk forklaring på det periodiske systemet ble gjort av elektronets oppdager, engelskmannen Joseph J. Thomson (1856-1940) som omkring 1905 foreslo en forklaringsskisse basert på fordelingen av elektroner i atomet. Det krevde imidlertid ytterligere framskritt i atomteorien før det kom fram en troverdig forklaring på Mendelejevs system.

Niels Bohrs (1885-1962) atomteori fra 1913 viste seg særlig fruktbar i dette henseendet. I 1922 kunne Bohr for første gang presentere atommodeller for alle grunnstoffene og dermed også forklare mange av detaljene i det periodiske systemet. Teorien hans var en suksess, men ikke den endelige forklaringen på systemet. Denne kom et par år senere da den unge tyske fysikeren Wolfgang Pauli (1900-1958) ut fra kvanteteorien formulerte de fysiske prinsippene for grunnstoffenes oppbygning som fremdeles anerkjennes. Med Paulis teori ble Mendelejevs rent kjemiske system en del av den nye kvantefysikken.

Mendelejevs opprinnelige system fra 1869 inneholdt de den gang 63 kjente grunnstoffer. Gjennom de følgende tiårene ble flere og flere nye grunnstoffer oppdaget, og i alle tilfellene lyktes det å plassere inn dem i systemet – om enn det noen ganger krevde oppfinnsomhet. Da argon og de andre edelgassene (helium, neon, xenon og krypton) ble oppdaget på 1890-tallet, kom de først som en uvelkommen overraskelse for kjemikerne. Mendelejevs system syntes ikke å kunne romme et nytt grunnstoff med argons egenskaper. Også i dette tilfellet ble det imidlertid skapt plass i det periodiske systemet for de nye grunnstoffene, nemlig ved å plassere dem i en helt ny gruppe, slik at systemet omfattet i alt 8 grupper.

Hydrogen,med sin atomvekt og atomnummer 1, ble av naturlige grunner alltid plassert i starten av det periodiske systemet, og inntil 1940 var det like naturlig å plassere uran som har atomvekt 238 og atomnummer 92 som avslutning på systemet. Det viste seg da at det finnes kunstig frambrakte grunnstoffer som er enda tyngre enn uran. De to første av disse såkalte transuranene er neptunium og plutonium med atomnummer 93 og 94. Under 2. verdenskrig ble plutonium produsert i så store mengder ut fra uran at det kunne brukes i den atombomben som 9. august 1945 ble sluppet over Nagasaki i Japan.

Siden da har det periodiske systemet vokst betraktelig med skapingen av enda tyngre og meget kortlevende radioaktive grunnstoffer. Ett av dem er grunnstoff nr. 107, produsert av tyske fysikere i 1981 som ble tildelt navnet Bohrium (Bh) til ære for Niels Bohr. I dag kjennes hele 26 transuran, hvorav det tyngste med atomnummer 118 ble produsert ved atomkjerneprosesser i 2006. Det er blitt tildelt det midlertidige navnet ununoctium som betyr 118 på latin.





Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert. Obligatoriske felt er merket med *