Russisk forsker satte hele verden i system

Mendelejev skriver ned rekkefølgen av stoffene på baksiden av en konvolutt, og dermed har han tegnet det første periodiske systemet. 6. mars samme år presenterer han oppdagelsen på et møte i det russiske kjemiske selskapet, og etter hvert blir tabellen den første anerkjente måten å vise grunnstoffene på.

Mendelejevs gjennombrudd kom for 150 år siden, og i dag er det periodiske systemet fortsatt den foretrukne måten å arrangere grunnstoffene på. Siden den gang har ytterligere 55 grunnstoffer blitt skrevet inn i tabellen, slik at den nå inneholder 118 stykker.

De er fordelt i 18 såkalte grupper – de loddrette kolonnene – etter likheter i den kjemiske oppførselen. Vannrett ligger grunnstoffene inntil videre i sju såkalte perioder som angir hvor mange skall med elektroner de har rundt seg.

Men det periodiske systemet er slett ikke bygget ferdig enda. Forskere arbeider med å produsere grunnstoff nummer 119, som skal starte systemets åttende periode.

Grunnstoffer blir oppdaget

80 år før det periodiske systemet ble funnet opp, hadde franskmannen Antoine Laurent de Lavoisier grunnlagt kjemi som moderne vitenskap. Han sto også bak definisjonen av en «enkel substans» – det vi i dag kaller et grunnstoff – som et stoff som ikke kan brytes ned til enklere stoffer.

I sine forsøk oppdaget forskeren for eksempel at vann ikke er et grunnstoff, men kan spaltes i oksygen og hydrogen. I alt kjente han til 33 grunnstoffer, som han delte i kategoriene: gasser, metaller, ikke-metaller og jordarter.

Lavoisiers kategorisering av stoffer var et framskritt sammenlignet med de gamle grekernes oppdeling av alle ting i ild, vann, jord og luft.

Etter hvert ble flere grunnstoffer identifisert, og de la et grunnlag for at Mendelejev kunne oppdage den periodiske gjentakelsen av fysiske og kjemiske egenskaper som oppstår i takt med at grunnstoffene blir tyngre.

Mendelejev hadde så stor tiltro til sin inndeling av naturens byggesteiner i grupper at han brukte den til å sette spørsmålstegn ved målinger andre kjemikere hadde foretatt.

Stoffet beryllium skulle angivelig ha en atomvekt på 14, altså veie 14 ganger mer enn hydrogen, som er det letteste grunnstoffet.

Men det passet ikke inn i Mendelejevs periodiske system, for med den atomvekten burde beryllium være i gruppe med aluminium, og eksperimenter hadde vist at de to stoffene ikke ligner hverandre.

Beryllium har snarere mye mer til felles med magnesium og kalsium. Derfor bestemte Mendelejev seg for å gi beryllium atomvekt ni, så det ble plassert i gruppe to. Senere målinger viste at han hadde rett.

Mendelejev forutsier nye metaller

Mendelejevs omhyggelige plassering av grunnstoffene innebar at det første periodiske systemet ikke var komplett. Den russiske forskeren etterlot hull mellom de 63 stoffene til grunnstoffer som han mente burde eksistere, men som ikke var oppdaget enda.

I sine spådommer tok han også med både atomvekt, tetthet og smeltepunkt for de grunnstoffene han mente manglet, og han beskrev hvordan de ville reagere med andre grunnstoffer – alt sammen bare ut fra hvordan de var plassert i det nye systemet.

Et av de stoffene Mendelejev mente burde eksistere, fikk senere navnet gallium, som i dag ligger rett under aluminium i det periodiske systemet. Han ga det navnet eka-aluminium, som betyr det første grunnstoffet under aluminium. I 1875 ble metallet oppdaget og isolert av franskmannen Paul- Émile Lecoq de Boisbaudran, og det viste seg å ha akkurat de egenskapene som Mendelejev hadde spådd.

Kjemikerne fant fram til nye grunnstoffer gjennom studier av mineraler, for eksempel ved å varme dem kraftig opp, oppløse dem i et syrebad eller sende strøm gjennom dem i smeltet eller oppløst form.

Metodene bryter de kjemiske bindingene mellom atomene, slik at bare det rene grunnstoffet er igjen. De fikk også hjelp av fysikerne, som utviklet spektroskopi. I Tyskland arbeidet fysikeren Gustav Kirchhoff på 1860-tallet sammen med kjemikeren Robert Bunsen om å analysere lyset fra materialer som ble brent i en flamme fra et gassapparat.

I flammen får atomene i stoffet tilført energi, som de senere avgir i form av lys i bestemte farger. Forskerne oppdaget at hvert av de kjente grunnstoffene sendte ut et karakteristisk lys. Men de så også lys fra stoffer som ikke var oppdaget enda, for eksempel cesium og rubidium, som de senere isolerte for første gang.

Spektroskopi kunne også brukes på stor avstand. I 1868 brukte den franske astronomen Jules Janssen metoden til å finne ut hvilke grunnstoffer som finnes i sola.

Han undret seg over at den sendte ut et klart, gult lys med en bølgelengde på 587,49 nanometer. Ingen kjente grunnstoffer sendte ut lys ved den bølgelengden, så det måtte være snakk om et nytt grunnstoff. Det fikk navnet helium etter det greske ordet for sola, Helios.

Først i 1895 ble helium isolert av den skotske kjemikeren William Ramsay. Han ble samtidig ansvarlig for at det periodiske systemet ble utvidet med en helt ny gruppe av grunnstoffer – edelgassene.

De inngår nesten aldri i kjemiske forbindelser, og derfor var det veldig vanskelige å oppdage dem. Men Ramsay fant ut at han kunne isolere edelgasser fra andre gasser ved å kjøle ned luft til flytende tilstand og deretter destillere væsken. Dermed oppdaget han også argon, krypton, neon og xenon.

Atomets oppbygning avsløres

På slutten av 1800-tallet ble det oppdaget en lang rekke nye grunnstoffer, og dermed begynte det periodiske systemet å ligne det vi kjenner i dag.

Forskerne hadde imidlertid fortsatt ikke oppdaget at atomer ikke er den enkleste substansen, men er bygget av mindre deler. Den begrensede innsikten i atomers oppbygning innebar at Mendelejev hadde plassert grunnstoffene etter vekt på en litt feil måte.

For eksempel står jod etter tellur, og dermed burde jod være tyngst. Eksperimenter viste imidlertid det motsatte.

Mendelejev var sikker på at det skyldtes feil i målingene, men den virkelige årsaken handlet om atomenes innhold av nøytroner.

I 1911 fant den britiske fysikeren Ernest Rutherford ut at atomer har en kompakt, positivt ladet kjerne med protoner som er omgitt av elektroner med negativ ladning, og to år senere ble det klart at grunnstoffene ikke skal arrangeres etter vekt, men etter antallet protoner i kjernen.

I 1932 oppdaget Rutherfords landsmann James Chadwick at det i atomkjernen også finnes nøytrale partikler, som fikk navnet nøytroner. Både protoner og nøytroner bidrar til atomets vekt, mens elektroner er mye lettere.

Antallet nøytroner kan variere, slik at et atom som har færre protoner, likevel er tyngre – det krever bare ekstra nøytroner. Dermed hadde forskerne funnet forklaringen på hvorfor jod veier mindre enn tellur.

Oppdagelsen forklarer også hvordan to atomer av det samme grunnstoffet kan ha ulik vekt: De er ulike utgaver – isotoper – som ikke har like mange nøytroner.

Fysikere bygger nye grunnstoffer

På 1930-tallet var det fortsatt ett gapende hull midt i det periodiske systemet: Grunnstoffet med nummer 43, under mangan – som Mendelejev kalte eka-mangan – var det ingen som greide å finne.

Og det er det en god forklaring på: Stoffet er radioaktivt og har ingen stabile isotoper, så det henfaller hele tiden til andre grunnstoffer, noe som gjør det uhyre vanskelig å finne det i naturen.

Da grunnstoffet endelig ble oppdaget i 1937, stammet det ikke fra naturlige prosesser. Amerikanske fysikere hadde brukt en av historiens første maskiner som akselererer atomer, til et eksperiment der de bombarderte grunnstoffet molybden (med atomnummer 42) med en stråle av tunge hydrogenkjerner.

To italienske forskere, Emilio Segrè og Carlo Perrier, bestemte seg senere for å undersøke hva som hadde kommet ut av forsøket. Etter hvert oppdaget de grunnstoffet med nummer 43, technetium, som hadde blitt til da molybden og hydrogen smeltet sammen.

Funnet tok hull på et nytt kapittel i grunnstoffenes historie: Fysikerne fant ut at de kunne føre naturens arbeid videre.

Som moderne alkymister kunne de skape grunnstoffer som aldri var blitt observert i naturen. Grunnstoffene med høyere atomnummer enn plutonium, som er nummer 94, finnes ikke i naturen. De er skapt av mennesker i forbindelse med atombombesprengninger, i atomreaktorer eller i laboratorier ved hjelp av partikkelakseleratorer.

I 2010 kom det foreløpig siste nye grunnstoffet til, da forskere klarte å skape seks atomer av nummer 117, som nå kalles tenness. Forskerne skapte stoffet ved å beskyte berkelium (med 97 protoner og 152 nøytroner i atomkjernen) med en stråle av kalsiumatomer (med 20 protoner og 28 nøytroner i kjernen).

Forsøket, som foregikk på det russiske instituttet for kjerneforskning i Dubna nord for Moskva, varte i fem måneder før detektorene rundt partikkelakseleratoren registrerte det nye, tunge atomet.

Og den manøveren måtte gå raskt: Tenness er svært radioaktivt, med en halveringstid på en tyvendedel av et sekund, så atomene rakk så vidt å bli skapt før de forsvant igjen.

Åtte år tidligere hadde forskere produsert oganesson, med atomnummer 118, og i årene etter fant de fram til nummer 115 og 113, moscovium og nihonium.

Med de fire nye grunnstoffene var hele sjuende rad i det periodiske systemet på plass. Disse grunnstoffene fikk imidlertid sine offisielle navn først i juni 2016.

Årsaken til den store forsinkelsen var at den internasjonale kjemiorganisasjonen, International Union of Pure and Applied Chemistry, først skulle bekrefte at stoffene faktisk var blitt skapt.

Æren av å navngi grunnstoffer tilfaller de forskerne som har oppdaget dem. De kan for eksempel bli oppkalt etter områder, personer eller himmellegemer.

Grunnstoffet mendelevium er oppkalt etter Mendelejev, og californium er oppkalt etter den delstaten det ble oppdaget i. Navnet og den kjemiske forkortelsen må imidlertid godkjennes av kjemiorganisasjonen.

Jakten på grunnstoffer fortsetter

Forskerne har ingen grunn til å tro at det periodiske systemet nå er komplett, selv om nummer 117 har kommet med. Derfor er jakten på grunnstoff 119 allerede i gang.

I desember 2017 begynte fysikere ved det japanske forskningssenteret Riken et forsøk der de bombarderte grunnstoff nummer 96, curium, med vanadium, som er nummer 23, i håp om at de to atomene skulle smelte sammen og danne det nye grunnstoffet med det foreløpige navnet ununennium.

Også på det russiske instituttet for kjerneforskning vil forskerne forsøke å skape dette grunnstoffet. Eksperimentet begynner senere i år, og russerne regner med å kunne slå japanerne ved å bruke andre råmaterialer. De vil skyte en stråle av titan, med atomnummer 22, inn mot berkelium, som har nummer 97.

Antagelig går det ikke lang tid før det nye grunnstoffet dukker opp, men mange flere grunnstoffer venter sannsynligvis fortsatt på å bli oppdaget.

Ingen vet akkurat hvor rekken av grunnstoffer slutter: Forskerne forventer at den åttende perioden inneholder mange flere stoffer enn de sju foregående – og kanskje kan det periodiske systemet faktisk bygges ut med en niende periode.

Alt sammen ut fra den geniale systematikken Mendelejev oppdaget for 150 år siden.