Rysk forskare satte hela världen i system

Väte, syre, kol – och alla andra grundämnen som världen är byggd av. 2019 är det 150 år sedan ryssen Dmitrij Mendelejev för första gången upptäckte en systematik i naturens byggklossar och placerade de vid den tiden 63 kända grundämnena i det periodiska systemet. I dag finns det 118 ämnen i systemet. Men det är faktiskt inte helt färdigt ännu.

Shutterstock

En kall vintermorgon år 1869 sitter den ryske kemisten Dmitrij Mendelejev och lägger patiens i sitt hem i Sankt Petersburg i Ryssland.

Det är emellertid ingen vanlig patiens. Korten i Mendelejevs hemmagjorda patiens har varken ruter, hjärter, klöver eller spader. I stället har de namn på grundämnen och information om hur ämnena ser ut och vad de har för egenskaper.

Mendelejevs mål är att hitta ett system i de 63 grundämnena som forskarna känner till, ett logiskt sätt att ordna dem utifrån deras egenskaper. Han vet att alla grundämnen har en karakteristisk vikt och att vissa av dem reagerar med andra ämnen på ungefär samma sätt.

När Mendelejev börjar lägga korten i ordning utifrån grundämnenas vikt ser han plötsligt en systematik: Korten kan placeras på ett sätt så att ämnen med liknande egenskaper hamnar nära varandra. Den kemiska patiensen har gått ut.

Dmitrij Mendelejev uppfann det periodiska systemet 1869. 86 år senare uppkallades grundämne nummer 101 efter honom.

© CC

Mendelejev skriver ner ämnenas ordning på baksidan av ett kuvert. Därmed har han ritat upp det första periodiska systemet. Den 6 mars samma år presenterar han sin upptäckt på ett möte hos Ryska kemiska sällskapet, varefter tabellen blir det första erkända sättet att visa grundämnena.

Trots att Mendelejevs fick sitt genombrott för 150 år sedan är periodiska systemet fortfarande det sätt på vilket grundämnena ordnas. Sedan dess har ytterligare 55 grundämnen skrivits in i tabellen, som nu innehåller 118 stycken.

De är fördelade i 18 grupper – lodräta kolumner – utifrån likheter i ämnenas kemiska egenskaper. Vågrätt ligger grundämnena tills vidare i sju så kallade perioder, som anger hur många elektronskal ämnena har.

Elva gånger har en forskare fått ett Nobelpris för upptäckten av ett nytt grundämne. Dmitrij Mendelejev, som konstruerade periodiska systemet, fick dock aldrig priset.

Periodiska systemet är dock långt ifrån klart. Forskare arbetar nu med att framställa grundämne 119, som kommer att ingå i systemets åttonde period.

Grundämnen uppfinns

80 år innan Mendelejev uppfann periodiska systemet hade fransmannen Antoine Laurent de Lavoisier grundat kemin som modernt vetenskapsområde. Han låg även bakom definitionen av en ”enkel substans”, det vi i dag kallar ett grundämne, som ett ämne som inte kan brytas ner till enklare ämnen.

I sina försök upptäckte forskaren att vatten inte är ett grundämne, utan att det kan klyvas i beståndsdelarna syre och väte. Totalt fann han 33 grundämnen, som delades upp i kategorierna gaser, metaller, icke-metaller och jordarter.

79 Au: Guld är så pass mjukt och lätt att forma att ett gram, lika stort som ett riskorn, kan rullas ut till en ultratunn folie på en kvadratmeter.

© Shutterstock

Upptäckten av grundämnena lade grunden till Mendelejevs arbete, men Lavoisiers kategorisering av ämnena var bara ett litet framsteg jämfört med de gamla grekernas uppdelning av allt i eld, vatten, jord och luft.

Först i och med periodiska systemet definierades grundämnena, då Mendelejev upptäckte den periodiska upprepning av fysiska och kemiska egenskaper som sker i takt med att grundämnen blir tyngre.

Mendelejev satte så stor tilltro till sin indelning av naturens byggstenar i grupper att han använde den för att ifrågasätta mätningar som andra kemister gjort.

Ämnet beryllium förväntades ha atomvikten 14, det vill säga att det skulle väga 14 gånger mer än det lättaste grundämnet väte.

Det stämde emellertid inte med Mendelejevs periodiska system, för med den atomvikten skulle beryllium grupperas med aluminium, medan experiment hade visat att ämnena inte liknar varandra.

13 Al: I dag används aluminium till flygplan, aluminumfolie och konservburkar, men på 1850-talet var metallen dubbelt så dyr som guld eftersom den var svår att utvinna.

Beryllium har i stället betydligt mer gemensamt med magnesium och kalcium. Därför beslöt Mendelejev att ge beryllium atomvikten nio, så att det hamnade i grupp två. Senare mätningar av ämnet visade att han hade rätt.

Mendelejev förutsäger metaller

Dmitrij Mendelejevs omsorgsfulla placering av grundämnena innebar att det första periodiska systemet inte var komplett. Den ryske forskaren lämnade medvetet luckor mellan sina 63 ämnen för andra ämnen som han ansåg borde existera men som alltså ännu inte hade upptäckts.

I sin förutsägelse av grundämnena som saknades gjorde han även kvalificerade gissningar om vad de borde ha för atomvikt, densitet och smältpunkt, och han beskrev hur de okända grundämnena skulle reagera med andra grundämnen enbart utifrån hur grundämnena i dess närhet beter sig.

Ett av de ämnen vars existens Dmitrij Mendelejev förutsade var gallium, ett ämne som i dag ligger rakt under aluminium i periodiska systemet. Han kallade det ekaaluminium, vilket betyder det första grundämnet under aluminium. År 1875 upptäcktes och isolerades metallen av fransmannen Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, och den visade sig ha just de egenskaper som Mendelejev förutsagt.

31, Ga: 30 grader är tillräckligt för att få den silverskimrande metallen gallium att smälta. Det går från fast ämne till flytande genom att värmas upp i handen.

© Shutterstock

Kemisterna upptäckte nya grundämnen genom att studera mineral genom att värma dem kraftigt, lösa dem i syrabad eller sända ström genom dem i antingen smält eller upplöst form.

Med dessa metoder bryts atomernas kemiska bindningar, så att endast det rena grundämnet blir kvar. De fick även hjälp av fysikerna, som utvecklade metoden spektroskopi. I 1860-talets Tyskland samarbetade fysikern Gustav Kirchhoff med kemisten Robert Bunsen med att analysera ljuset från material som förbrändes i en låga från en gasbrännare.

I lågan tillförs atomerna i ämnet energi, som de sedan avger i form av ljus i särskilda färger. Forskarna upptäckte att varje känt grundämne avgav ett karakteristiskt ljus. De såg emellertid även ljus från ämnen som ännu inte upptäckts, exempelvis cesium och rubidium, som de senare isolerade för första gången.

2, He: Helium väger knappt 0,2 gram per liter. Det är mindre än en sjundedel av vad luft väger. Därför kan ädelgasen få ballonger och luftskepp att sväva.

© Shutterstock

Spektroskopi kan även användas på stora avstånd. År 1868 använde den franske astronomen Jules Janssen metoden för att ta reda på vilka grundämnen solen består av.

Han förvånades över att den avgav ett klart, gult ljus med våglängden 587,49 nanometer. Inget då känt grundämne avgav ljus av den våglängden, så det måste röra sig om ett nytt grundämne. Det fick namnet helium efter det grekiska ordet för solen, helios.

Först år 1895 isolerades helium av den skotske kemisten William Ramsay. Han blev därmed ansvarig för att periodiska systemet utökades med en ny grupp grundämnen, ädelgaserna.

De reagerar sällan med andra ämnen och är därför svåra att upptäcka. Ramsay kom dock fram till att han kunde isolera ädelgaser från andra gaser genom att kyla luft till flytande tillstånd och sedan destillera vätskan. På så vis upptäckte han även argon, krypton, neon och xenon.

10, Ne: Neon är den ädelgas som ger mest intensivt ljus när ström leds igenom den. Egenskapen utnyttjas i neonrör, som ofta används i reklamskyltar.

© Shutterstock

Atomens uppbyggnad avslöjas

I och med upptäckten av många nya grundämnen i slutet av 1800-talet började periodiska systemet likna det vi har i dag.

Forskarna hade dock ännu inte förstått att atomer inte är den enklaste substansen, utan utgörs av mindre delar. Denna begränsade insikt i atomernas uppbyggnad innebar att Mendelejev felaktigt ordnade grundämnena efter deras vikt.

Exempelvis står jod efter tellur, och därmed borde jod vara tyngst. Experiment visade emellertid på motsatsen.

Mendelejev var övertygad om att det berodde på fel i mätningarna, men den verkliga orsaken var atomernas innehåll av neutroner.

32 grundämnen är uppkallade efter platser, bland andra californium efter delstaten i USA och moskovium efter Rysslands huvudstad.

År 1911 upptäckte den brittiske fysikern Ernest Rutherford att atomerna har en kompakt, positivt laddad kärna med protoner som omges av negativt laddade elektroner. Två år senare kom man fram till att grundämnena inte bör ordnas efter sin vikt, utan efter antalet protoner i kärnan.

År 1932 upptäckte Rutherfords landsman, fysikern James Chadwick, att atomkärnan även innehåller neutrala partiklar, som fick namnet neutroner. Både protonerna och neutronerna bidrar till atomens vikt medan elektronerna är betydligt lättare.

Antalet neutroner kan variera, så att en atom som har färre protoner ändå är tyngre. Det enda som krävs är extra neutroner. Därmed hade forskarna hittat förklaringen till att jod väger mindre än tellur.

Denna upptäckt förklarar det faktum att två atomer av samma grundämne kan väga olika mycket. Det finns varianter, så kallade isotoper, som inte har lika många neutroner.

29, Cu: Koppar är extremt bra på att leda ström och därför används metallen i elkablar och elektriska apparater. I ett vanligt hushåll finns det vanligtvis drygt 100 kilo koppar.

© Shutterstock

Fysiker bygger nya grundämnen

På 1930-talet fanns det fortfarande en lucka mitt i periodiska systemet. Grundämnet med nummer 43 under mangan, som Mendelejev kallade ekamangan, stod inte att finna.

Det finns en förklaring till detta: Ämnet är radioaktivt och har inga stabila isotoper, varpå det hela tiden sönder-
faller till andra grundämnen, vilket gör det svårt att hitta mangans granne i naturen.

När grundämnet upptäcktes år 1937 kom det därför inte från naturliga processer.Amerikanska fysiker hade använt en av historiens första maskiner som accelererar atomer i ett experiment där de bombarderade grundämnet molybden (som har atomnummer 42) med en stråle av tunga vätekärnor.

Därefter var det två italienska forskare, Emilio Segrè och Carlo Perrier, som undersökte vad som hade kommit fram ur försöket. De upptäckte då det nybildade grundämnet teknetium, med nummer 43, som uppstod genom en hopsmältning av molybden och väte.

3, Li: Litium är den viktigaste ingrediensen i återuppladdningsbara batterier, som i dag ser till att försörja de flesta mobiltelefoner och bärbara datorer med ström.

© Shutterstock

Fyndet innebar att det skrevs ett nytt kapitel i grundämnenas historia.

Fysikerna kom fram till att de kunde föra vidare naturens arbete och likt moderna alkemister skapa grundämnen som aldrig tidigare observerats. Alla ämnen med högre atomnummer än plutonium, nummer 94, förekommer inte i naturen och har sedan dess skapats av människor vid kärnvapensprängningar, i kärnreaktorer eller i laboratorier med hjälp av partikelacceleratorer.

År 2010 skapades det senaste nya grundämnet när man fick fram sex atomer av nummer 117, som har fått namnet tenness. Forskarna skapade ämnet genom att beskjuta berkelium med 97 protoner och 152 neutroner i atomkärnan med en stråle bestående av kalciumatomer som har 20 protoner och 28 neutroner i kärnan.

Försöket på det ryska institutet för kärnforskning i Dubna norr om Moskva pågick i fem månader innan partikelacceleratorns detektor registrerade den nya tunga atomen.

Registreringen måste gå snabbt. Det starkt radioaktiva tenness har nämligen en halveringstid på en tjugondels sekund, så atomerna hann bara precis skapas innan de försvann igen.

55, Cs: Cesium är den mest reaktiva metallen. Den exploderar så fort den kommer i kontakt med vatten.

© Wikimedia

Åtta år tidigare hade forskare producerat oganesson (atomnummer 118) och någ­ra år senare moskovium och nihonium (med nummer 115 respektive 113).

Dessa fyra nya tunga grundämnen fyllde hela sjunde raden i periodiska systemet. Ämnena fick dock sina officiella namn först i juni 2016.

Orsaken till den stora förseningen var att den internationella kemiorganisationen International Union of Pure and Applied Chemistry först var tvungna att bekräfta att ämnena faktiskt hade skapats.

Äran att namnge grundämnen tillfaller forskarna som har upptäckt dem. Ämnena kan uppkallas efter områden, personer eller himlakroppar.

Mendelejev har fått grundämnet mendelevium uppkallat efter sig, medan californium är uppkallat efter delstaten där det upptäcktes. Namnet och den kemiska förkortningen måste dock alltid godkännas av kemiorganisationen.

19, K: Bananer innehåller 347 milligram kalium per 100 gram. 0,012 procent av naturligt kalium är radioaktivt, och det gör att bananer till viss del (om än till en ytterst liten del) är radioaktiva.

© Shutterstock

Jakten på ämnen fortsätter

Forskarna har ingen anledning att tro att periodiska systemet är komplett i och med tillägget av nummer 117, så jakten på grundämne 119 har redan börjat.

I december 2017 inledde fysiker vid det japanska forskningscentrumet Riken sina försök, där de bombarderar curium (grundämne nummer 96) med vanadium (nummer 23) i hopp om att de två atomerna ska smälta samman och bilda ett nytt grundämne med det preliminära namnet ununennium.

Även på det ryska institutet för kärnforskning ska forskarna försöka skapa ämnet. Experimentet inleds senare i år och ryssarna räknar med att hinna före japanerna genom att använda andra råmaterial. De ska skjuta en stråle av titan, med atomnummer 22, mot berkelium, nummer 97.

Det dröjer nog inte länge förrän vi har ett nytt grundämne, och många därtill väntar troligen på att upptäckas. Ingen vet exakt var raden av grundämnen slutar.

Forskarna räknar med att den åttonde perioden innehåller betydligt fler ämnen än de sju föregående.

Kanske kan periodiska systemet till och med utökas med en nionde period, allt utifrån den geniala systematik som Mendelejev upptäckte för 150 år sedan.

Läs också:

Periodiska systemet

Allt är byggt av stjärnstoft

2 minuter
Periodiska systemet – grundämnenas periodiska system
Periodiska systemet

Förstå periodiska systemet på 4 minuter.

4 minuter
Element 115
Periodiska systemet

Periodiska systemet - Forskare framställer nytt grundämne

0 minuter
Mest populära

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!