Het Periodiek Systeem der Elementen is 150 jaar oud

Het Periodieke Systeem der Elementen
Het Periodieke Systeem. Credit: DePiep [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons
Alle gewone materie in het heelal (uitgezonderd de donkere materie) bestaat uit chemische elementen. Het is pas 150 jaar geleden (op 17 februari 1869) dat er een logisch systeem werd ontwikkeld om deze elementen te classificeren: het Periodiek Systeem der Elementen.

Eerder al hadden Britse, Franse en Duitse wetenschappers geprobeerd om een systeem op te zetten om de toen bekende elementen te rangschikken. Het was de Russische professor in de Chemie, Dimitri Ivanovich Mendelejev die de eerste uitgebreide rangschikking maakte van de elementaire realiteit van de toen bekende 63 elementen op basis van atoomgewicht.

Anders dan eerdere systemen deed Mendelejev (ook geschreven als Mendeleev en Mendelev) iets ongehoords met zijn Systeem. Hij liet ruimte over in zijn tabel voor elementen op basis van voorspelbare atoommassa’s en chemische eigenschappen. Ruimte dus voor elementen die nog ontdekt moesten worden. De ontwikkeling van dit Periodieke Systeem der Elementen is een interessant verhaal waarbij duidelijk wordt hoe bevlogen en excentriek Mendelejev was.

Mendelejev had in Europa onderzoek gedaan en in 1861 keerde hij terug naar Rusland en begon hij met het doceren van Chemie aan het Technische Instituut van de Universiteit van St. Petersburg. Hij realiseerde zich dat er geen lesboek organische chemie voorhanden was en in 1861 schreef hij zijn eerste boek. Dit boek, Organic Chemistry genoemd, was een van de meest gezaghebbende boeken in het midden van de negentiende eeuw.

Dmitri Mendelejev
Dmitri Mendelejev in 1897. Credit: By кабинет академика Михаила Михайловича Шульца – фото любезно передано мне в собственность вдовой М.М.Шульца Ниной Дмитриевной Шульц., Public Domain, Link

Op dat moment was Mendelejev pas 27 maar het had al een lange baard en ongeknipt haar (eenmaal per jaar knippen vond hij voldoende) en hij leek erg op de stereotiepe excentrieke wetenschapper, lang voordat Albert Einstein populair werd. Maar Mendelejev was wel populair bij zijn studenten.

Ondanks zijn nieuwe chemieboek bleef Mendelejev bezorgd dat, zonder een adequaat chemisch classificatiesysteem, zijn studenten problemen bleven houden om het onderwerp goed te begrijpen. Zo schreef Mendelejev ooit: “ Het gebouw van de wetenschap heeft niet alleen materiaal nodig maar ook een plan en de noodzakelijkheid om materialen voor te bereiden, ze samen te voegen, de plannen uit te werken in gelijke verhoudingen van de verschillende delen.”

Het verhaal gaat dat Mendelejev zijn eerste Periodieke Systeem ontwikkelde uitgaande van een droom die hij had gehad.

In 1867 begon Mendelejev aan zijn tweede chemieboek en hierin concentreerde hij zich op de anorganische chemie. Dit boek, Principe van de Chemie (in twee delen) was ook gedurende tientallen jaren een standaardwerk.

Tijdens het schrijven van dit boek concentreerde hij zich op het vinden van een manier om de elementen te classificeren. Hij probeerde om de twee organische systemen die in die tijd algemeen werden gebruikt in te zetten waarbij de elementen in werden gedeeld op atoommassa of op chemische eigenschappen maar hij vond geen van beide systemen bruikbaar. Het bracht hem op een systeem waarbij beide systemen werden gecombineerd tot een enkel systeem.

Dit nieuwe systeem was een doorbraak. Het schijnt dat dit systeem werd geïnspireerd door het kaartspel “Solitaire”, Solitaire deelt de kaarten in op zowel soort (horizontaal), als nummer (verticaal).

Mendelejev maakte 63 kaarten, eentje voor elk bekend element in die tijd. Daarna deelde hij de kaarten in op atoommassa en op chemische eigenschappen. Hij spendeerde veel tijd, overal waar hij was, in het indelen en herindelen van zijn 63 kaarten.

Op 17 februari 1869 begon hij na het ontbijt en voordat hij moest vertrekken om zijn trein te halen opnieuw de kaarten te rangschikken. Hij vergat helemaal zijn trein en bleef gedurende drie dagen aan zijn project werken. Na het testen van verschillende volgordes voor de kaarten realiseerde hij zich plotseling dat er gaten waren in de volgorde van de atoommassa’s.

Na zijn drie dagen durende inspanning viel Mendelejev in slaap en toen hij wakker werd verklaarde hij: “Ik zag in een droom een tabel waarin alle elementen op zijn plaats vielen zoals het moest zijn. Toen ik wakker werd heb ik het meteen op papier vastgelegd.”

Hij noemde zijn ontdekking het Periodiek Systeem der Elementen. Dit was het gevolg van zijn ontdekking van de “Periodieke Wet”, toen hij ontdekte dat als de elementen werden gerangschikt in volgorde van toenemende atoommassa, elementen met gelijkaardige chemische eigenschappen met regelmatige intervallen op zijn kaart terugkeerden.

Eigenlijk gebruikte zijn oorspronkelijke tabel niet helemaal de atoommassa om de volgorde te bepalen want er waren uitzonderingen. Mendelejev realiseerde het zich niet maar hij had de elementen in zijn systeem eigenlijk op atoomnummer gerangschikt. Het atoomnummer is het aantal positief geladen protonen in een atoom (en negatief geladen elektronen die in het atoom draaien).

Deze periodiciteit, het rangschikken van elementen op toenemend atoomnummer, stamt rechtstreeks af van de periodieke herhaling van soortgelijke elektronenconfiguraties in de buitenste schillen van de respectievelijke atomen.

Mendelejev deed verder onderzoek door gebruik te maken van de patronen die hij had gevonden in zijn systeem om eigenschappen van elementen te voorspellen die nog niet waren ontdekt. Hij liet blanco openingen achter in zijn systeem die door ontbrekende elementen waarvan hij het bestaan voorspelde, konden worden opgevuld.

In maart 1869 werd de eerste versie van Mendelejev’s Periodieke Systeem der Elementen gepresenteerd aan en gepubliceerd door de Russische Chemische Vereniging. Hij bleef aan zijn systeem werken en in 1871 publiceerde hij een verbeterde versie van zijn periodiek systeem.

Het periodieke systeem van Mendelejev werd door andere wetenschappers niet direct geaccepteerd. Echter binnen 20 jaar werden er drie missende elementen die zijn systeem voorspelde, ontdekt: in 1875 werd Gallium gevonden, in 1879 Scandium en in 1886 Germanium en alle drie de elementen hadden de chemische kernmerken die Mendelejev had voorspeld. Het Periodieke Systeem der Elementen werd langzaamaan geaccepteerd door de wetenschappelijke gemeenschap.

Zoals zo vaak in de wetenschap werkten verschillende wetenschappers aan de ontwikkeling van het idee of de elementen op de een of andere manier te organiseren. In 1787 presenteerde de Franse chemicus Antoine Lavoisier een lijst van toen bekende 33 elementen. In 1817 merkte de Duitse chemicus Johann Döbereiner op dat als de eigenschappen van de elementen werden beschouwd ze in groepjes van drie ingedeeld konden worden. In 1857 probeerde de Franse chemicus Jean-Baptiste Dumas de elementen wiskundig op basis van atoomnummer te rangschikken

Op 7 februari 1863 publiceerde de Britse chemicus John Newlands zijn Tabel der Elementen. Hij ontdekte ook dat er een periodiciteit was in de atoommassa van de elementen en hun chemische eigenschappen. Echter, het systeem van Newlands werd niet goed ontvangen in de wetenschappelijke gemeenschap en hij stopte daarop zijn onderzoek op dit gebied. Ofschoon zijn systeem niet nauwkeurig de kenmerken van nog te ontdekken elementen voorspelde is hij vermoedelijk wel de eerste persoon die de periodiciteit onder de elementen herkende.

In 1870 publiceerde de Duitse chemicus Julius Meyer een artikel dat een Tabel der Elementen beschreef dat erg op dat van Mendelejev lijkt. Dit was echter een jaar later. Het was vermoedelijk het vertrouwen van Mendelejev in zijn voorspellingen van de eigenschappen van de nog niet ontdekte elementen die er voor zorgden dat zijn Periodieke Systeem der Elementen het beste werd geaccepteerd.

Jaarlijks wordt in Amerika op 7 februari de onofficiële Nationale Periodiek Systeemdag georganiseerd, immers op 7 februari 1863 publiceerde Newlands zijn eerste versie van het Periodieke Systeem.

Een leuke bijkomstigheid is dat Mendelejev, volgens de westerse Gregoriaanse kalender op 7 februari 1843 werd geboren. Omdat zijn geboorteplaats zich in Siberië bevindt zou dit, volgens de datum aldaar op 8 februari zijn volgens de Gregoriaanse kalender. Omdat op dat moment Rusland nog de Juliaanse kalender volgde is zijn geboortedatum echter op 27 januari.

Omdat het dit jaar 150 jaar geleden is dat het Periodieke Systeem der Chemische Elementen werd gepresenteerd besloot de Algemene Vergadering van de Verenigde Naties in december 2017 dat 2019 het Internationale jaar van het Periodieke Systeem der Elementen is.

Meer lezen: 2019: International Year of the Periodic Table of Chemical Elements

 

Eerste publicatie: 18 februari 2019




%d bloggers liken dit: