De geschiedenis van het periodiek systeem: van alchemie tot element 118

Oude elementen en alchemie

Tien van de huidige elementen waren al lang bekend voordat iemand het woord element in de moderne betekenis gebruikte: goud, zilver, koper, ijzer, tin, lood, kwik, zwavel, koolstof en antimoon. Niemand weet wie ze het eerst ontdekte. Oud-Griekse denkers, in de lijn van Empedocles en Aristoteles, geloofden in plaats daarvan dat alles een mengsel was van vier elementen (aarde, water, lucht en vuur), een idee dat bijna tweeduizend jaar standhield.

Alchemisten in de islamitische wereld en het middeleeuwse Europa probeerden onedele metalen in goud te veranderen. Dat mislukte, maar ze verfijnden laboratoriummethoden zoals destillatie. In 1661 daagde Robert Boyle in The Sceptical Chymist de theorie van de vier elementen uit en riep hij scheikundigen op om op experimenten te vertrouwen, en in 1669 ontdekte de alchemist Hennig Brand fosfor tijdens zijn zoektocht naar de steen der wijzen, een van de eerste elementen met een vastgelegde ontdekker.

Lavoisiers lijst van eenvoudige stoffen (1789)

De moderne scheikunde kreeg vorm met de Franse chemicus Antoine Lavoisier, die door nauwkeurig wegen aantoonde dat massa bij chemische reacties niet verloren gaat en zuurstof en waterstof hun namen gaf. In zijn Traité élémentaire de chimie uit 1789 definieerde hij een element in praktische termen: een stof die met geen enkele bekende chemische methode in iets eenvoudigers te splitsen was.

In het boek stonden 33 van deze „eenvoudige stoffen”, ingedeeld in gassen, niet-metalen, metalen en aarden. De meeste waren echte elementen, maar ook licht en warmte stonden op de lijst, en aarden zoals kalk en silica bleken later verbindingen te zijn. Toch gaf Lavoisier scheikundigen een duidelijke, toetsbare definitie van een element en een eerste lijst om op voort te bouwen.

Dalton en het wegen van atomen

Rond 1803 stelde de Engelse leraar John Dalton voor dat elk element uit zijn eigen soort atomen bestaat met een eigen gewicht. Atomen waren veel te klein om te wegen, dus berekende hij relatieve gewichten uit de verhoudingen waarin elementen zich verbinden, met waterstof als 1, en publiceerde hij een van de eerste tabellen van atoomgewichten.

Veel van Daltons getallen klopten niet omdat hij formules moest raden; hij nam bijvoorbeeld aan dat water HO was in plaats van H₂O. De Zweedse chemicus Jöns Jacob Berzelius mat atoomgewichten veel nauwkeuriger en voerde de letterssymbolen in die we nog steeds gebruiken, maar de meningsverschillen bleven bestaan tot het congres van Karlsruhe in 1860, waar Stanislao Cannizzaro liet zien hoe je een consistente reeks atoomgewichten kon verkrijgen. Mendelejev en Lothar Meyer zaten allebei in de zaal.

Döbereiners triaden (1829)

Een van de eerste duidelijke aanwijzingen dat atoomgewicht en chemisch gedrag met elkaar samenhangen kwam van de Duitse chemicus Johann Wolfgang Döbereiner. In 1829 beschreef hij triaden, groepen van drie verwante elementen waarbij het atoomgewicht van het middelste element dicht bij het gemiddelde van de andere twee ligt: calcium, strontium en barium; chloor, broom en jood; en lithium, natrium en kalium.

Triaden onthulden natuurlijke families van elementen, maar slechts een handvol elementen paste erin, en er was geen manier om de ene triade met de volgende te verbinden.

Een spiraal en een octaaf (1862–1865)

In 1862 schreef de Franse geoloog Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois de elementen op volgorde van atoomgewicht langs een spiraal die om een cilinder was gewikkeld, zodat verwante elementen boven elkaar kwamen te staan. Zijn telluurschroef, genoemd naar telluur, was een van de eerste indelingen waarin eigenschappen zich herhaalden, maar hij werd zonder zijn diagram gepubliceerd en bleef grotendeels onopgemerkt.

In 1865 merkte de Engelse chemicus John Newlands op dat, op volgorde van atoomgewicht, elk achtste element de eigenschappen van het eerste leek te herhalen, net als de tonen van een muziekschaal. Zijn wet van de octaven werkte voor de lichtere elementen, maar viel na calcium uit elkaar, en in 1866 weigerde de Chemical Society in Londen haar te publiceren.

Mendelejev en Lothar Meyer (1869–1870)

Dmitri Mendelejev, hoogleraar scheikunde in Sint-Petersburg, was bezig met het schrijven van een leerboek toen hij op zoek ging naar de orde achter de elementen. Begin 1869 rangschikte hij de toen bekende elementen op atoomgewicht in een rooster waarin verwante elementen onder elkaar stonden, en in maart werd zijn artikel voorgedragen aan de Russische Chemische Vereniging. Hij formuleerde een periodieke wet: gerangschikt op atoomgewicht vertonen de elementen eigenschappen die zich met regelmatige tussenpozen herhalen.

Wat zijn tabel onderscheidde, was de gedurfdheid ervan. Mendelejev plaatste de scheikunde boven een strikte gewichtsvolgorde, liet open plekken over voor elementen waarvan hij geloofde dat ze nog niet ontdekt waren en betoogde dat sommige aanvaarde atoomgewichten onjuist waren.

In Duitsland kwam Lothar Meyer onafhankelijk tot een zeer vergelijkbare tabel en publiceerde die in 1870, samen met een grafiek die liet zien dat het atoomvolume in golven stijgt en daalt naarmate het atoomgewicht toeneemt. In 1882 kende de Royal Society in Londen beide mannen haar Davy-medaille toe.

Voorspellingen bevestigd (1875–1886)

Mendelejev beschreef drie ontbrekende elementen in detail en noemde ze eka-aluminium, eka-boor en eka-silicium, naar het Sanskriet eka, „één”, voor één plaats voorbij een bekend element. Ze doken op als gallium, ontdekt door Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran in 1875, scandium, ontdekt door Lars Fredrik Nilson in 1879, en germanium, ontdekt door Clemens Winkler in 1886.

De overeenkomsten waren opvallend. Voor eka-silicium had Mendelejev een atoomgewicht van ongeveer 72 en een dichtheid van ongeveer 5,5 gram per kubieke centimeter voorspeld; die van germanium zijn 72,6 en 5,3. Twijfelaars raakten overtuigd en het periodiek systeem werd de centrale kaart van de scheikunde.

De edelgassen krijgen een plek (jaren 1890)

In 1894 ontdekten Lord Rayleigh en William Ramsay argon, een onreactief gas dat verborgen zat in gewone lucht. In 1898 had Ramsay ook helium op aarde geïsoleerd en, samen met Morris Travers, neon, krypton en xenon ontdekt; radon volgde in 1899 en 1900. Geen van deze gassen paste in een bestaande kolom.

Het antwoord was een geheel nieuwe groep tussen de halogenen en de alkalimetalen, eerst groep 0 genoemd en nu groep 18. Ze paste netjes in het periodieke patroon, en in 1904 ontving Ramsay de Nobelprijs voor de Scheikunde en Rayleigh de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Moseley en het atoomnummer (1913)

Een paar elementparen, zoals argon en kalium of kobalt en nikkel, stonden nog steeds in de verkeerde volgorde qua gewicht. In 1913 mat de jonge Engelse natuurkundige Henry Moseley, werkend in het laboratorium van Ernest Rutherford in Manchester, de röntgenstraling die verschillende elementen uitzenden en ontdekte hij dat de frequenties in gelijke stappen toenamen van het ene element naar het volgende.

Elke stap kwam overeen met één extra eenheid positieve lading in de kern van het atoom. Dit atoomnummer werd de ware basis van de tabel en liet precies zien welke elementen nog ontbraken. Moseley sneuvelde in 1915 bij Gallipoli, op 27-jarige leeftijd.

Seaborg, de actiniden en de superzware elementen (1940–2016)

Wetenschappers leerden ook elementen te maken die in de natuur uiterst zeldzaam zijn of ontbreken. Technetium, gemaakt in 1937, was het eerste kunstmatig geproduceerde element, en in 1940 werden neptunium en plutonium de eerste elementen na uranium. In 1944 stelde Glenn Seaborg voor dat de elementen vanaf actinium hun eigen reeks vormen, de actiniden, net als de lanthaniden. Dit idee, gepubliceerd in 1945, verplaatste ze naar een aparte rij onder de hoofdtabel en gaf de tabel zijn moderne vorm.

Sindsdien hebben laboratoria in de Verenigde Staten, de Sovjet-Unie en later Rusland, Duitsland en Japan steeds zwaardere elementen gemaakt, vaak maar enkele atomen tegelijk, door atoomkernen te laten fuseren. Een gezamenlijke werkgroep van IUPAC en IUPAP, de internationale unies voor scheikunde en natuurkunde, beoordeelt nu elke claim. In 2016 kregen de laatste vier bevestigde elementen de namen nihonium, moscovium, tennessine en oganesson, waarmee de zevende rij compleet was. De zoektocht naar de elementen 119 en 120, die een achtste rij zouden openen, gaat door.