Det periodiska systemets historia: från alkemi till grundämne 118

Antikens grundämnen och alkemin

Tio av dagens grundämnen var kända långt innan någon använde ordet grundämne i dess moderna betydelse: guld, silver, koppar, järn, tenn, bly, kvicksilver, svavel, kol och antimon. Ingen vet vem som upptäckte dem först. Antikens grekiska tänkare, med Empedokles och Aristoteles som förebilder, trodde i stället att allt var en blandning av fyra element (jord, vatten, luft och eld), en idé som höll i nästan två tusen år.

Alkemister i den islamiska världen och i medeltidens Europa försökte förvandla oädla metaller till guld. De misslyckades, men de förfinade laboratoriemetoder som destillation. År 1661 utmanade Robert Boyle teorin om de fyra elementen i The Sceptical Chymist och uppmanade kemister att lita på experiment, och 1669 upptäckte alkemisten Hennig Brand fosfor när han jagade de vises sten, ett av de tidigaste grundämnena med en dokumenterad upptäckare.

Lavoisiers lista över enkla ämnen (1789)

Den moderna kemin tog form med den franske kemisten Antoine Lavoisier, som genom noggranna vägningar visade att massa inte försvinner i kemiska reaktioner och som gav syre och väte deras namn. I sin bok Traité élémentaire de chimie från 1789 definierade han ett grundämne på ett praktiskt sätt: ett ämne som ingen känd kemisk metod kunde bryta ned till något enklare.

Boken listade 33 sådana ”enkla ämnen”, sorterade i gaser, icke-metaller, metaller och jordarter. De flesta var verkliga grundämnen, men ljus och värme fanns också med på listan, och jordarter som kalk och kiseldioxid visade sig senare vara föreningar. Ändå gav Lavoisier kemisterna en tydlig, prövbar definition av ett grundämne och en första lista att bygga vidare på.

Dalton och vägningen av atomer

Omkring 1803 föreslog den engelske läraren John Dalton att varje grundämne består av sin egen sorts atomer med sin egen vikt. Atomer var långt för små för att vägas, så han räknade fram relativa vikter utifrån de proportioner i vilka grundämnen förenas, med väte som 1, och publicerade en av de första tabellerna över atomvikter.

Många av Daltons tal var felaktiga eftersom han var tvungen att gissa formler; han antog till exempel att vatten var HO i stället för H₂O. Den svenske kemisten Jöns Jacob Berzelius mätte atomvikter långt mer exakt och införde de bokstavssymboler som fortfarande används i dag, men meningsskiljaktigheterna höll i sig till kongressen i Karlsruhe 1860, där Stanislao Cannizzaro visade hur man kunde få fram en enhetlig uppsättning atomvikter. Mendelejev och Lothar Meyer fanns båda i publiken.

Döbereiners triader (1829)

En av de första tydliga antydningarna om att atomvikt och kemiska egenskaper hänger ihop kom från den tyske kemisten Johann Wolfgang Döbereiner. År 1829 beskrev han triader, grupper om tre likartade grundämnen där det mellersta grundämnets atomvikt ligger nära medelvärdet av de två andras: kalcium, strontium och barium, klor, brom och jod samt litium, natrium och kalium.

Triaderna avslöjade naturliga familjer av grundämnen, men bara en handfull grundämnen passade in, och det fanns inget sätt att koppla ihop en triad med nästa.

En spiral och en oktav (1862–1865)

År 1862 skrev den franske geologen Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois upp grundämnena i ordning efter atomvikt längs en spiral lindad kring en cylinder, så att likartade grundämnen hamnade ovanpå varandra. Hans tellurskruv, uppkallad efter tellur, var en av de första uppställningarna som visade att egenskaper upprepas, men den publicerades utan sitt diagram och gick i stort sett obemärkt förbi.

År 1865 lade den engelske kemisten John Newlands märke till att, i ordning efter atomvikt, verkade vart åttonde grundämne upprepa det förstas egenskaper, som tonerna i en musikalisk skala. Hans oktavlag fungerade för de lättare grundämnena men föll samman efter kalcium, och 1866 avböjde Chemical Society i London att publicera den.

Mendelejev och Lothar Meyer (1869–1870)

Dmitrij Mendelejev, professor i kemi i Sankt Petersburg, skrev på en lärobok när han började leta efter ordningen bakom grundämnena. I början av 1869 ordnade han de då kända grundämnena efter atomvikt i ett rutnät där likartade grundämnen hamnade på rad, och i mars presenterades hans uppsats för Ryska kemisamfundet. Han formulerade en periodisk lag: när grundämnena ordnas efter atomvikt uppvisar de egenskaper som upprepas med jämna mellanrum.

Det som skilde hans system från andra var dess djärvhet. Mendelejev satte kemin före strikt viktordning, lämnade tomma platser för grundämnen som han trodde ännu inte var upptäckta och hävdade att vissa godtagna atomvikter var felaktiga.

I Tyskland kom Lothar Meyer oberoende fram till ett mycket likartat system och publicerade det 1870, tillsammans med en graf som visade hur atomvolymen stiger och sjunker i vågor när atomvikten ökar. År 1882 tilldelade Royal Society i London Davymedaljen till båda männen.

Förutsägelser som besannades (1875–1886)

Mendelejev beskrev tre saknade grundämnen i detalj och kallade dem eka-aluminium, eka-bor och eka-kisel, av sanskrit eka, som betyder ”ett”, för en plats bortom ett känt grundämne. De dök upp som gallium, som upptäcktes av Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran 1875, skandium, som upptäcktes av Lars Fredrik Nilson 1879, och germanium, som upptäcktes av Clemens Winkler 1886.

Överensstämmelsen var slående. För eka-kisel hade Mendelejev förutsagt en atomvikt på omkring 72 och en densitet på omkring 5,5 gram per kubikcentimeter; germaniums är 72,6 och 5,3. Tvivlarna övertygades, och det periodiska systemet blev kemins centrala karta.

Ädelgaserna får en plats (1890-talet)

År 1894 upptäckte Lord Rayleigh och William Ramsay argon, en reaktionströg gas som gömde sig i vanlig luft. Vid 1898 hade Ramsay också isolerat helium på jorden och, tillsammans med Morris Travers, upptäckt neon, krypton och xenon; radon följde 1899 och 1900. Ingen av dessa gaser passade in i någon befintlig kolumn.

Svaret var en helt ny grupp mellan halogenerna och alkalimetallerna, först kallad grupp 0 och nu grupp 18. Den passade snyggt in i det periodiska mönstret, och 1904 fick Ramsay Nobelpriset i kemi och Rayleigh Nobelpriset i fysik.

Moseley och atomnumret (1913)

Några par av grundämnen, som argon och kalium eller kobolt och nickel, låg fortfarande fel i viktordning. År 1913 mätte den unge engelske fysikern Henry Moseley, som arbetade i Ernest Rutherfords laboratorium i Manchester, den röntgenstrålning som olika grundämnen sänder ut och fann att dess frekvenser steg i jämna steg från ett grundämne till nästa.

Varje steg motsvarade en enhet till av positiv laddning i atomens kärna. Detta atomnummer blev den verkliga grunden för systemet och visade exakt vilka grundämnen som fortfarande saknades. Moseley stupade i strid vid Gallipoli 1915, 27 år gammal.

Seaborg, aktiniderna och de supertunga grundämnena (1940–2016)

Forskare lärde sig också att framställa grundämnen som är extremt sällsynta eller saknas i naturen. Teknetium, framställt 1937, var det första konstgjorda grundämnet, och 1940 blev neptunium och plutonium de första grundämnena bortom uran. År 1944 föreslog Glenn Seaborg att grundämnena från aktinium och framåt bildar en egen serie, aktiniderna, ungefär som lantaniderna. Idén, som publicerades 1945, flyttade dem till en separat rad under huvudtabellen och gav systemet dess moderna form.

Sedan dess har laboratorier i USA, Sovjetunionen och senare Ryssland, Tyskland och Japan framställt allt tyngre grundämnen, ofta bara några få atomer åt gången, genom att fusionera atomkärnor. En gemensam arbetsgrupp från IUPAC och IUPAP, de internationella förbunden för kemi och fysik, bedömer nu varje anspråk. År 2016 fick de fyra sista bekräftade grundämnena namnen nihonium, moskovium, tennessin och oganesson, vilket fullbordade den sjunde raden. Sökandet efter grundämnena 119 och 120, som skulle inleda en åttonde rad, pågår.