Periodiek systeem, een onmisbaar hulpmiddel voor de chemicus

beeld iStock

Het Periodiek Systeem der Elementen boezemt menige leerling die voor het eerst een scheikundelokaal binnenstapt diep ontzag in. En terecht. Het is na 150 jaar nog steeds een van de belangrijkste gereedschappen van scheikundigen.

De betekenis van de tabel is zo groot dat de VN 2019 tot het Internationale Jaar van het Periodiek Systeem der Elementen hebben uitgeroepen. Het periodiek systeem bevat systematisch gerangschikt alle bouwstenen waaruit het heelal bestaat. Het gaat om ruim honderd elementen of atoomsoorten waarmee alle mogelijke stoffen gemaakt kunnen worden, zoals uit de 26 letters van het alfabet alle woorden van dit artikel zijn samengesteld.

De tabel bleek zo handig en raakte zo snel ingeburgerd dat de Russische bedenker, Dmitri Ivanovitsj Mendelejev, in 1901 werd vergeten bij de nominaties voor de Nobelprijs. Schrale troost is dat het element mendelevium naar hem werd genoemd.

Het periodiek systeem is een belangrijk hulpmiddel om de chemie te doorgronden van welke stof dan ook. Of het nu gaat om zeldzame metalen in mobieltjes, het maken van ultralicht plaatstaal voor auto’s, medicijnen of sokken met nanozilver tegen zweetvoetenlucht: het toepassen van al deze materialen vereist begrip van de eigenschappen van de elementen. Het periodiek systeem helpt scheikundigen daarbij.

Zonder het periodiek systeem is het veel moeilijker om eigenschappen van elementen te voorspellen en te begrijpen. Reageren ze gemakkelijk met zuurstof? Vormen ze schitterend gekleurde zouten? Reageren ze helemaal niet? Zijn ze gasvormig, vloeibaar of vast? Ook verschaft de tabel inzicht in de radioactiviteit van elementen, of ze stabiel zijn of snel vervallen tot andere elementen.

Voor een 21e-eeuwer is het vanzelfsprekend dat alle materie bestaat uit atomen. Hij weet dat hij zuurstof inademt, dat koolstof zwart is en dat hij ballonnen kan vullen met helium. Neem het menselijk lichaam of de krant waarin dit artikel is gedrukt. Ze bestaan uit allerlei atoomsoorten en verbindingen daarvan. Veel van deze kennis is echter nog geen honderd jaar oud.

Oudheid

Het periodiek systeem komt dan ook niet uit de lucht vallen. Zoals van zo veel wetenschappelijke hulpmiddelen is de ontwikkeling een kwestie geweest van jaren; in dit geval zelfs van eeuwen.

Al sinds de oudheid filosoferen mensen over het atoom. Bijvoorbeeld de Griekse wijsgeer Leucippus en zijn leerling Democritus. Wie een stuk geitenleer door de helft snijdt, en zo’n helft weer doormidden deelt, houdt op den duur een uiterst klein stukje over dat niet meer te delen valt. Dat is atomos, oftewel ondeelbaar, stellen deze zogeheten atomisten in de vijfde eeuw voor Christus.

Na het pionierswerk van Democritus ligt de ontwikkeling van de kennis van de chemische elementen eeuwenlang stil. Door de eeuwen heen leren natuuronderzoekers steeds meer over de materie. Europese alchemisten, zoals Paracelsus, ontdekken bijvoorbeeld dat het onmogelijk is om lood in goud te veranderen. Het zijn verschillende elementen, met verschillende eigenschappen.

Pas in de zeventiende eeuw blaast de Britse scheikundige Robert Boyle de chemie nieuw leven in. Met zijn boek ”The Sceptical Chymist” steekt hij in 1661 de eeuwenoude definitie van het atoom in een nieuwe jas. Boyle kent aanvankelijk dertig elementen, maar dat worden er snel meer. Door middel van experimenten kunnen scheikundigen ook andere atoomsoorten zuiver verkrijgen. De Fransman Antoine Lavoisier is een van de eersten die een aantal gassen een naam geven. Ook introduceert hij het begrip element.

Uitdaging

Het wordt algauw een ratjetoe van elementen. Van enige orde lijkt geen sprake. De wetenschap staat voor de uitdaging alle bekende elementen op een bruikbare manier te rangschikken, want had Isaac Newton niet gezegd: „God heeft het boek der natuur in de taal van de wiskunde geschreven”? Er moet dus een orde bestaan, die God Zelf in de schepping heeft gelegd.

Een van de eersten die een aanzet geven om orde aan te brengen in de verschillende stoffen, is de Franse scheikundige Étienne Geoffroy (1672-1731). Hij onderscheidt daarin de ”zure geesten” van de ”opslurpende aerde”. Water en zout zijn bij hem ook gerangschikt als elementen, terwijl het verbindingen zijn die bestaan uit meerdere atoomsoorten.

Het werk van de Engelse schoolmeester John Dalton betekent echter een heuse doorbraak. Hij introduceert het idee dat er verschillende elementen bestaan waaruit alle mogelijke materie is opgebouwd. In 1808 publiceert Dalton ”A New System of Chemical Philosophy”, waarin hij een rangschikking van de elementen voorstelt op atoommassa. Waterstof is daarin het lichtste element; alle andere elementen wegen een veelvoud van waterstof.

Maar waarom reageren sommige elementen zo snel met elkaar, en andere helemaal niet? Waarom zijn sommige elementen licht en andere zwaar, en sommige radioactief en andere weer niet? In het systeem van Dalton kunnen scheikundigen met de beste wil van de wereld geen logica ontdekken.

Het valt hen echter wel op dat bepaalde elementen op dezelfde manier met andere stoffen reageren. Ze zijn bijvoorbeeld brandbaar of juist helemaal niet. Met wisselend succes ondernemen chemici pogingen om de elementen onder te brengen in een allesomvattend systeem. Maar tot een echte doorbraak komt het niet.

Ook Mendelejev, een Russische hoogleraar scheikunde aan de universiteit van Sint-Petersburg, worstelt al enige tijd met een zinvolle rangschikking van de elementen. In zijn tijd zijn er 63 elementen bekend. Volgens overlevering brengt een droom over zijn dienstplicht hem op de tabel die een doorbraak zou betekenen (zie ”De droom”). Sommige vakken zijn nog leeg, maar Mendelejev veronderstelt dat daar elementen moeten komen die nog niet zijn ontdekt.

Op 6 maart 1869 maakt hij op een bijeenkomst van het Russisch Scheikundig Genootschap in Sint-Petersburg zijn systematische tabel wereldkundig.

Röntgen

Na verloop van tijd vullen scheikundigen ook de lege vakken op. Er was bijvoorbeeld naast aluminium ruimte voor een metaal met atoommassa 68, een dichtheid van 6 gram per kubieke centimeter en een erg laag smeltpunt. In 1875 ontdekt Paul Émile Lecoq de Boisbaudran het metaal gallium, dat bijna exact aan deze omschrijving voldoet. Ook de andere ontbrekende elementen hebben vrijwel exact de eigenschappen die Mendelejev heeft voorspeld. Ten slotte telt het periodiek systeem 92 atoomsoorten.

De opzet van Mendelejev blijkt goed bruikbaar. Zeker nadat de Duitse arts Heinrich Werner de verticale tabel van Mendelejev in 1905 een slag draait. Daarmee krijgt periodiek systeem de aanblik die het vandaag de dag nog steeds heeft.

De natuurkundige Henry Moseley bevestigt in 1913 het werk van Mendelejev. Op basis van röntgenspectra voor alle bekende elementen stelt hij vast dat elk element een nummer heeft. Dat getal geeft informatie over het inwendige van het atoom. Tussen de bekende elementen met atoomnummer 1 tot en met 92 kan daarom geen ander element voorkomen.

Atoombommen

Hoewel hiermee de basisvorm van het periodiek systeem vaststaat, is de tabel niet af. In restanten van ontplofte atoombommen vinden chemici de radioactieve elementen plutonium en neptunium. Met kernsplijtings- en kernfusiereacties maken wetenschappers de kunstmatige elementen 95 tot en met 118.

De internationale scheikunde-unie IUPAC heeft in 2016 de elementen met atoomnummer 113, 115, 117 en 118 aan de periodieke tabel toegevoegd. Ze kregen elk een plaats in de tabel bepaald door hun eigenschappen. Daarmee is de zevende rij –of periode– van de tabel compleet. Nieuw ontdekte elementen komen dus terecht in de achtste rij.

Voor moderne scheikundigen is het periodiek systeem nog steeds een onmisbaar instrument. Het is niet nodig dat ze de chemische eigenschappen van elk element afzonderlijk uit het hoofd leren. Als ze weten in welke groep het element staat, kunnen ze de eigenschappen er eenvoudig uit afleiden.

----

De droom

Het verhaal gaat dat Dmitri Mendelejev (1834-1907), een Russische hoogleraar scheikunde, op een avond met een ontevreden gevoel naar bed gaat: hoelang is hij nu al bezig om orde te scheppen in al die verschillende scheikundige elementen? Allemaal tevergeefs. Sorteren op soortelijk gewicht? Verschillend smeltpunt? Magnetisme? Het lijkt wel alsof al die eigenschappen zomaar willekeurig over de elementen zijn uitgestrooid.

Die nacht droomt hij van zijn diensttijd in het leger. Hij staat weer als kapitein voor een ongeordende troep soldaten. „Aantreden”, beveelt Mendelejev. Haastig springen de soldaten op. In een lange rij staan ze even later keurig in het gelid.

„Appel”, klinkt het kort daarop. De een na de ander noemt zijn naam. Van één soldaat verstaat Mendelejev de naam niet goed. „Hoe heet u?” vraagt hij nog eens. „Kasanov”, antwoordt de soldaat met het hoofd in het verband. „Kasanov”, herhaalt Mendelejev. Als hij dat zegt, treedt er plotseling een aantal soldaten drie passen naar voren; nummer 4, nummer 12 nummer 20, nummer 28. De ene is lang en de andere kort, maar allemaal dragen ze dezelfde achternaam: Kasanov. Opmerkelijk. De bronzen gong in zijn vestibule wekte hem uit zijn slaap.

Die ochtend schrijft Mendelejev alle elementen en hun eigenschappen op kaartjes en legt die op volgorde van atoommassa. Wanneer hij weer probeert de kaartjes te sorteren, schiet hem ineens de droom van afgelopen nacht te binnen. Terwijl hij rekent en sorteert valt het hem op dat elementen met bepaalde eigenschappen om de acht of om de achttien elementen terugkeren. Die zet hij onder elkaar. Zo verkrijgt hij groepen van bijvoorbeeld alkalimetalen –zoals lithium, natrium en kalium– en aardalkalimetalen –onder meer magnesium, calcium en strontium– elk met hun eigen bijzondere eigenschappen.

Soms klopt het niet helemaal; er ontbreekt een kaartje met een element. Mendelejev veronderstelt dat daar het kaartje moet komen van een element dat nog niet is ontdekt. Hij laat het vak leeg, maar kan van dat onbekende element wel de eigenschappen voorspellen. Zo puzzelt hij die dag zijn periodieke systeem der elementen in elkaar. Op 6 maart 1869 presenteert de Rus zijn eerste versie van de tabel.

----

De handige tabel

Het Periodiek Systeem der Elementen is een tabel die alle scheikundige elementen systematisch gerangschikt weergeeft. De verticale kolommen heten ”groep”, de horizontale rijen ”periode”.

Wat kunnen scheikundigen met het periodiek systeem?

Hiermee kunnen ze onder meer de chemische en fysische eigenschappen van onbekende elementen voorspellen en allerlei eigenschappen van de elementen afleiden.

Wat is het nut van een periode?

Elementen uit dezelfde rij of periode staan naast elkaar. Hieruit kunnen met name fysische eigenschappen worden afgeleid, zoals atoomstraal en elektronegativiteit.

Wat kun je afleiden uit een groep?

Elementen uit dezelfde kolom of groep hebben vergelijkbare chemische eigenschappen. Zo reageren de elementen uit de eerste groep gemakkelijk met water. Helemaal rechts staan de edelgassen, die nauwelijks reageren met andere stoffen.

Wat zegt de tabel over het voorkomen van de elementen in de natuur?

Elementen met een atoomnummer van 82 of hoger zijn radioactief. Elementen die volgen op uraan, nummer 92, komen niet meer in de vrije natuur voor. Ze kunnen alleen kunstmatig worden gemaakt. Dat geldt dus voor de elementen 93 (neptunium) tot en met 118 (oganesson, een edelgas).