Russisk forsker satte hele verden i system

Mendelejev skriver rækkefølgen af stofferne ned på bagsiden af en konvolut, og dermed har han tegnet det første periodiske system. Den 6. marts samme år præsenterer han sin opdagelse på et møde i det russiske kemiske selskab, og herefter bliver tabellen den første anerkendte måde at vise grundstofferne på.

Mendelejevs gennembrud skete for 150 år siden, og i dag er det periodiske system stadig den foretrukne måde at arrangere grundstofferne på. Siden dengang er yderligere 55 grundstoffer blevet skrevet ind i tabellen, så den nu indeholder 118 stoffer.

De er fordelt i 18 såkaldte grupper – de lodrette kolonner – efter ligheder i stoffernes kemiske opførsel. Vandret ligger grundstofferne indtil videre i syv såkaldte perioder, der angiver, hvor mange skaller stofferne har omkring sig med elektroner i.

Men det periodiske system er slet ikke bygget færdigt endnu. Forskere arbejder på at fremstille grundstof nr. 119, som skal tage hul på systemets ottende periode.

Grundstoffer bliver opfundet

80 år før det periodiske system blev opfundet, havde franskmanden Antoine Laurent de Lavoisier grundlagt kemi som moderne videnskab. Han stod også bag definitionen af en “simpel substans” – det, vi i dag kalder et grundstof – som et stof, der ikke kan brydes ned til simplere stoffer.

I sine forsøg opdagede forskeren fx, at vand ikke er et grundstof, men kan spaltes i bestanddelene ilt og brint. I alt fandt han 33 grundstoffer, som han opdelte i kategorierne: gasser, metaller, ikkemetaller og jordarter.

Opdagelsen af grundstoffer lagde fundamentet for Mendelejevs arbejde, men La­voi­siers kategorisering af stofferne var kun et lille fremskridt i forhold til de gamle grækeres opdeling af alting i ild, vand, jord og luft.

Først med det periodiske system blev grundstofferne findelt, da Mendelejev opdagede den periodiske gentagelse af fysiske og kemiske egenskaber, der sker, i takt med at grundstofferne bliver tungere.

Mendelejev havde så stor tiltro til sin inddeling af naturens byggesten i grupper, at han brugte den til at sætte spørgsmålstegn ved målinger, andre kemikere havde foretaget.

Stoffet beryllium skulle angiveligt have en atomvægt på 14, altså veje 14 gange mere end brint, som er det letteste grundstof.

Men det passede ikke ind i Mendelejevs periodiske system, for med den atomvægt skulle beryllium være i gruppe med aluminium, og eksperimenter havde vist, at stofferne ikke ligner hinanden.

Beryllium har i stedet langt mere tilfælles med magnesium og kalcium. Derfor besluttede Mendelejev i stedet at give beryllium atomvægten ni, så det blev placeret i gruppe to. Senere målinger af stoffet viste, at han havde ret.

Mendelejev forudsiger metaller

Mendelejevs omhyggelige placering af grundstofferne betød, at det første periodiske system ikke var komplet. Den russiske forsker efterlod huller mellem de 63 stoffer til andre, som han mente burde eksistere, men som ikke var opdaget endnu.

I sin forudsigelse af de manglende grundstoffer kom han også med kvalificerede bud på, hvad de hver især måtte have af atomvægt, massefylde og smeltepunkt, og han beskrev, hvordan de ukendte grundstoffer ville reagere med andre grundstoffer – alt sammen kun ud fra, hvordan grundstofferne omkring opfører sig.

Et af de stoffer, Mendelejev forudsagde eksistensen af, var gallium, som i dag ligger lige under aluminium i det periodiske system. Han gav det navnet eka-aluminium, der betyder det første grundstof under aluminium.

I 1875 blev metallet opdaget og isoleret af franskmanden Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, og det viste sig at have præcis de egenskaber, som Mendelejev havde sagt.

Kemikerne fandt frem til nye grundstoffer gennem undersøgelser af mineraler, fx ved at varme dem kraftigt op, opløse dem i et syrebad eller sende strøm igennem dem i smeltet eller opløst form.

Metoderne bryder de kemiske bindinger mellem atomerne, så kun det rene grundstof er tilbage. De fik også hjælp af fysikerne, der udviklede spektroskopi. I 1860’ernes Tyskland arbejdede fysikeren Gustav Kirchhoff sammen med kemikeren Robert Bunsen om at analysere lyset fra materialer, der blev brændt af i en flamme fra et gasapparat.

I flammen får atomerne i stoffet tilført energi, som de efterfølgende afgiver i form af lys i bestemte farver. Forskerne opdagede, at hvert kendt grundstof udsendte et karakteristisk lys. Men de så også lys fra stoffer, der ikke var opdaget endnu, fx cæsium og rubidium, som de efterfølgende isolerede for første gang.

Spektroskopi kunne også bruges på stor afstand. I 1868 anvendte den franske astronom Jules Janssen metoden til at finde ud af, hvilke grundstoffer Solen rummer.

Han undrede sig over, at den udsendte et klart, gult lys med en bølgelængde på 587,49 nanometer. Ingen kendte grundstoffer udsendte lys ved den bølgelængde, så der måtte være tale om et nyt grundstof. Det fik navnet helium efter det græske ord for Solen, helios.

Først i 1895 blev helium isoleret af den skotske kemiker William Ramsay. Han blev samtidig ansvarlig for, at det periodiske system blev udvidet med en helt ny gruppe af grundstoffer – ædelgasserne.

De indgår meget nødigt i kemiske forbindelser, og derfor var de svære at opdage. Men Ramsay fandt ud af, at han kunne isolere ædelgasser fra andre luftarter ved at nedkøle luft til flydende tilstand og derefter destillere væsken. På den måde opdagede han også argon, krypton, neon og xenon.

Atomets opbygning afsløres

Med opdagelsen af mange nye grundstoffer i slutningen af 1800-tallet begyndte det periodiske system at ligne det, vi kender i dag.

Forskerne havde dog endnu ikke forstået, at atomer ikke er den simpleste substans, men er bygget af mindre dele. Den begrænsede indsigt i atomers opbygning betød, at Mendelejev fejlagtigt havde placeret grundstofferne efter vægt.

Fx står jod efter tellur, og dermed burde jod være tungest. Eksperimenter viste imidlertid det modsatte.

Mendelejev var sikker på, at det skyldtes fejl i målingerne, men den virkelige årsag handlede om atomernes indhold af neutroner.

I 1911 fandt den britiske fysiker Ernest Rutherford ud af, at atomer har en kompakt, positivt ladet kerne med protoner, der er omgivet af negativt ladede elektroner, og to år efter blev det klart, at grundstofferne ikke skal arrangeres efter vægt, men efter antallet af protoner i kernen.

I 1932 opdagede Rutherfords landsmand James Chadwick, at atomkernen også rummer neutrale partikler, som fik navnet neutroner. Både protoner og neutroner bidrager til atomets vægt, mens elektroner er meget lettere.

Antallet af neutroner kan variere, så et atom, der har færre protoner, alligevel er tungere – det kræver blot ekstra neutroner. Dermed havde forskerne fundet forklaringen på, hvorfor jod vejer mindre end tellur.

Opdagelsen forklarer også, hvordan to atomer af det samme grundstof kan veje forskelligt: De er forskellige udgaver – iso­toper – som ikke har lige mange neutroner.

Fysikere bygger nye grundstoffer

I 1930’erne var der stadig ét gabende hul midt i det periodiske system: Grundstoffet med nummer 43 under mangan – af Mendelejev kaldet eka-mangan – var ikke til at finde.

Og det er der en god forklaring på: Stoffet er radioaktivt og har ingen stabile isotoper, så det henfalder konstant til andre grundstoffer, hvilket gør det uhyre svært at finde mangans nabo i naturen.

Da grundstoffet endelig blev opdaget i 1937, stammede det derfor ikke fra naturlige processer. Amerikanske fysikere havde brugt en af historiens første maskiner, der accelererer atomer, til et eksperiment, hvor de bombarderede grundstoffet molybdæn med atomnummer 42 med en stråle af tunge brintkerner.

To italienske forskere, Emilio Segrè og Carlo Perrier, besluttede sig efterfølgende for at undersøge, hvad der var kommet ud af forsøget. Her fandt de det nydannede grundstof med nummer 43, technetium, som var blevet til i sammensmeltningen mellem molybdæn og brint.

Fundet tog hul på et nyt kapitel i grundstoffernes historie: Fysikerne fandt ud af, at de kunne føre naturens arbejde videre og som moderne alkymister skabe grundstoffer, som aldrig før var set.

Alle stoffer med højere atomnummer end plutonium, som er nummer 94, findes slet ikke i naturen og er siden dengang skabt af mennesker i forbindelse med atombombesprængninger, i atomreaktorer eller i laboratorier ved hjælp af partikelacceleratorer.

I 2010 kom det seneste nye grundstof til, da det lykkedes at frembringe seks atomer af nummer 117, der nu kaldes tennessin. Forskerne skabte stoffet ved at beskyde berkelium med 97 protoner og 152 neutroner i atomkernen med en stråle af kalciumatomer, der har 20 protoner og 28 neutroner i kernen.

Forsøget på det russiske institut for kerneforskning i Dubna nord for Moskva kørte i fem måneder, før partikelacceleratorens detektor registrerede det nye, tunge atom.

Og den manøvre skulle gå stærkt: Tennessin er stærkt radioaktivt med en halveringstid på en tyvendedel af et sekund, så atomerne nåede kun lige at blive skabt, før de forsvandt igen.

Otte år inden havde forskere produceret oganesson med atomnummer 118, og i årene efter fandt de frem til nummer 115 og 113, moscovium og nihonium.

Med de fire nye, tunge grundstoffer var hele syvende række i det periodiske system på plads. Stofferne fik dog først deres officielle navn i juni 2016.

Årsagen til den store forsinkelse var, at den internationale kemiorganisation, International Union of Pure and Applied Chemistry, først skulle bekræfte, at stofferne rent faktisk var blevet skabt.

Æren af at navngive grundstoffer tilfalder de forskere, der har opdaget dem. Stofferne kan fx blive opkaldt efter områder, personer eller himmellegemer.

Mendelejev har fået opkaldt grundstoffet mendelevium efter sig, og californium er opkaldt efter den delstat, hvor det blev opdaget. Navnet og den kemiske forkortelse skal dog altid godkendes af kemiorganisationen.

Jagten på stoffer fortsætter

Forskerne har ingen grund til at tro, at det periodiske system nu er komplet med tilføjelsen af nummer 117. Derfor er jagten på grundstof 119 allerede gået ind.

I december 2017 begyndte fysikere ved det japanske forskningscenter Riken deres forsøg, hvor de bombarderer grundstof nummer 96, curium, med vanadium, der er nummer 23, i håb om at de to atomer smelter sammen og danner det nye grundstof med det foreløbige navn ununennium.

Også på det russiske institut for kerneforskning vil forskerne forsøge at skabe stoffet. Eksperimentet begynder senere i år, og russerne regner med at kunne overhale japanerne ved at bruge andre råmaterialer. De vil skyde en stråle af titanium med atomnummer 22 ind mod berkelium, der har nummer 97.

Formentlig går der ikke længe, før det nye grundstof dukker op, men mange flere grundstoffer venter sandsynligvis stadig på at blive opdaget.

Ingen ved, præcis hvor rækken af grundstoffer slutter: Forskerne forventer, at den ottende periode indeholder mange flere stoffer end de syv foregående – og måske kan det periodiske system endda udbygges med en niende periode.

Alt sammen ud fra den geniale systematik, Mendelejev opdagede for 150 år siden.