de vader van het periodiek systeem

de drang om patronen in onze omgeving te ontdekken blijkt een fundamentele menselijke eigenschap te zijn. Duizenden jaren geleden bouwden onze verre voorouders enorme stenen monumenten die precies uitgelijnd waren op belangrijke punten in de jaarlijkse zonnecyclus. In de 19e eeuw merkten bedachtzame chemici familiale gelijkenissen tussen de elementen op en probeerden ze te verankeren in een verklarend paradigma.,anderhalve eeuw geleden nam Dmitri Mendelejev een cruciale stap in zijn zoektocht naar orde tussen de elementen door het eerste ontwerp van zijn periodiek systeem te publiceren. In 2019 viert de wereldwijde gemeenschap van chemici dit jubileum, en terecht. Net als Stonehenge weerspiegelt de tabel regelmatigheden in de natuur die te wijten waren aan oorzaken die mysterieus bleven toen het oorspronkelijk werd gebouwd. Maar hoe kwam Mendelejev aan zijn monument?,

vroege jaren

Dmitri groeide op in Siberië, aan de rand van de westerse beschaving. Zijn huis, Tobolsk, is 1000km dichter bij Beijing dan naar Parijs, en zijn pad van daar naar wetenschappelijke eminentie was moeilijk., Hij was de jongste van meer dan een dozijn Mendelejev broers en zussen, en kort na zijn geboorte in 1834 een slechte gezondheid gedwongen zijn vader Ivan, een middelbare school leraar, in pensioen. De ontoereikendheid van Ivan ‘ s pensioen dreef zijn vrouw Maria ertoe om het beheer over te nemen van een semi-vervallen glasfabriek, voorheen gerund door haar broer.

deze onderneming ondersteunde de familie tot 1848, toen het afbrandde. Daarna stierf Ivan en in 1849 nam Maria haar twee jongste kinderen mee naar Moskou, in de hoop dat haar broer Dmitri zou helpen om daar naar de universiteit te gaan., Toen dit plan mislukte, verhuisden ze naar Sint-Petersburg en in 1850 werd Dmitri (enigszins met tegenzin) geaccepteerd door het college waar zijn vader was opgeleid als leraar. Een docent daar – Alexander Voskresensky, die in Duitsland had gestudeerd onder Justus Liebig-moedigde Dmitri ‘ s interesse in chemie aan.hij studeerde af in 1855 en zijn proefschrift – over isomorfisme en andere relaties tussen fysische vorm en chemische samenstelling – werd gepubliceerd in een mijntijdschrift. Verdere artikelen voor wetenschappelijke en technische tijdschriften volgden, maar hij miste een vast inkomen., Tegen die tijd waren zowel zijn moeder als zijn zus overleden en leed hij zelf aan wat tuberculose leek te zijn. Echter, een jaar lesgeven in het meer goedaardige klimaat van de Krim verbeterde zijn gezondheid aanzienlijk, en een nieuwe arts vertrouwen verwierp de vorige diagnose.in het najaar van 1856 verdedigde Mendelejev met succes een masterscriptie over de relatie tussen de specifieke volumes van stoffen en hun kristallografische en chemische eigenschappen. Kort daarna gaf de Universiteit van Sint-Petersburg hem een vergunning als docent scheikunde, waardoor hij toegang kreeg tot het laboratorium., In 1859 ontving hij staatsfinanciering voor twee jaar gevorderde studie in het buitenland.Mendelejev begon een carrière aan de Universiteit van Heidelberg in Duitsland en deed onderzoek naar verschillende onderwerpen, waaronder oppervlaktespanning, capillariteit en verdamping. In 1860 woonde hij de Conferentie van Karlsruhe bij, waar de Italiaanse chemicus Stanislau Cannizzaro een baanbrekend artikel over atoomgewichten (nu relatieve atoommassa ‘ s genoemd) afleverde., Dit was een cruciale stap in de richting van het periodiek systeem, aangezien er voorheen veel onenigheid was geweest over het toekennen van atoomgewichten aan de elementen.

sommige chemici beweerden dat deze gewichten irrelevant waren, of ontkenden het fysieke bestaan van atomen helemaal. Anderen gaven de voorkeur aan een systeem gebaseerd op een atoomgewicht van acht voor zuurstof, ervan uitgaande dat de formule van water HO was, in plaats van H2O. maar in Karlsruhe herleefde Cannizzarro de ideeën van zijn landgenoot Amadeo Avogadro om de H2o-waterformule te ondersteunen, en een atoomgewicht van 16 voor zuurstof., In de jaren 1860 verschoof de mening in zijn voordeel – gelukkig voor Mendelejev, omdat de regelmatigheden die hem naar het periodiek systeem wezen minder zichtbaar zouden zijn geweest op het oudere systeem.na zijn terugkeer naar Sint-Petersburg in 1861 hervatte Mendelejev het onderwijs aan de universiteit, terwijl hij ook doceerde aan het Technologisch Instituut van de stad. Daarnaast publiceerde hij een handboek organische chemie en verschillende artikelen voor een technische encyclopedie, en reisde hij op grote schaal op zoek naar mogelijkheden om wetenschappelijke ontdekkingen toe te passen op de economische ontwikkeling van Rusland., Een bezoek aan de olievelden van Bakoe in 1863 begon zijn lange termijn inzet voor de opkomende petrochemische industrie, bijvoorbeeld.Mendelejev ‘ s proefschrift (over de oplossingstheorie) werd in 1865 aanvaard en in 1867 benoemde de universiteit hem tot hoogleraar algemene chemie. Hij moest een lezing geven over anorganische chemie, en omdat er geen bevredigend Russisch leerboek was, begon hij er een te schrijven. Dit focuste zijn geest op de uitdaging om de chemische elementen in een ordelijk patroon te rangschikken., Verschillende anderen – waaronder Leopold Gmelin in Duitsland, Jean Baptiste Dumas in Frankrijk en John Newlands in Engeland-hadden dit geprobeerd, met beperkt succes. Mendelejev was zich bewust van een aantal van deze inspanningen, maar zijn eigen aanpak was onderscheidend in belangrijke opzichten.de doorbraak kwam begin 1869, toen Mendelejev zich voorbereidde op een nieuwe industriële tour – deze keer om de technieken voor het maken van kaas te onderzoeken en te verbeteren. Ondertussen, na het eerste deel van zijn leerboek te hebben voltooid, worstelde hij om een kader voor het tweede vast te stellen.,”
d Mendelejev, Principles of Chemistry, 1905 (cursivering)

Mendelejev legde zijn kaarten in kolommen en Rijen, alsof in een spel van Patience of geduld – een favoriete tijdverdrijf van hem tijdens treinreizen., De verticale kolommen somden de bekende elementen op in volgorde van toename van het atoomgewicht, waarbij een nieuwe kolom werd gestart wanneer dit hem in staat stelde om elementen met vergelijkbare kenmerken in dezelfde horizontale rij te plaatsen.

zoals andere chemici hadden opgemerkt, behoorden enkele groepen elementen – in het bijzonder de alkalimetalen en de halogenen – duidelijk tot elkaar. Maar vele anderen – vooral de zeldzame aardelementen (lanthaniden) – presenteerden problemen, hoe ze ook werden gerangschikt. Op dit moment weigerde Mendelejev, in tegenstelling tot de meeste van zijn voorgangers, de strijd op te geven.,

als de positie van een element in zijn tabel abnormaal leek, was hij bereid zijn atoomgewicht aan te passen om het meer compatibele metgezellen te geven. Hij stelde bijvoorbeeld voor dat de formule voor berylliumoxide BeO was, in plaats van de geaccepteerde Be2O3. Dit verlaagde beryllium ‘ s atoomgewicht, waardoor hij het kon lokaliseren met magnesium in plaats van aluminium.op 6 maart 1869 werd de eerste ruwe schets van zijn tafel gepresenteerd aan de Russian Chemical Society (een organisatie die hij een paar maanden eerder had helpen oprichten)., Later dat jaar publiceerde het tijdschrift van het genootschap een meer doordachte versie, waarvan een korte samenvatting in Duitse vertaling verscheen. Het trok weinig aandacht buiten Rusland, maar Mendelejev volhardde en bleef meer kaarten op zijn tafel leggen.

let op de gaps

het herziene diagram Mendelejev dat in 1871 werd gepubliceerd ziet er meer bekend uit voor moderne ogen. Om het samen te stellen maakte hij verdere veronderstellingen. Bijvoorbeeld, hij verlaagde het atoomgewicht van tellurium, waardoor zijn buurman jodium de zwaarder van de twee., Hierdoor kon hij jodium met de halogenen plaatsen, en tellurium met zwavel en selenium. Dergelijke aanpassingen lagen aantoonbaar binnen het bereik van experimentele fouten op dat moment. Maar Mendelejev kon niet voorzien hebben dat atoomnummer in plaats van atoomgewicht later het rangschikkingsprincipe van de tabel zou worden, of dat de identificatie van isotopen door massaspectrometrie uiteindelijk deze en andere anomalieën zou verklaren.,

met gelijke durf verbeterde Mendelejev de samenhang van zijn tabel door hiaten te laten voor nog onontdekte elementen om het patroon te vervolledigen.voorzien. Naast het voorspellen van hun chemische karakter, gaf hij ze ook fictieve waarden voor fysische eigenschappen zoals soortelijk gewicht en smeltpunt.,de eerste gallium werd spectroscopisch geïdentificeerd door een Franse chemicus, Paul Lecoq de Boisbaudran in 1875. Toen er genoeg van beschikbaar kwam om te testen, kwamen alle eigenschappen van gallium overeen met Mendelejev ‘ s voorspellingen – behalve het soortelijk gewicht, dat 4,7 bleek te zijn. Echter, nadat Mendelejev aanbevolen nieuwe metingen werd gevonden 5.9 – vrijwel identiek met zijn voorspelde cijfer.,de ontdekking van scandium in 1879 en germanium in 1885 – beide vertonen de eigenschappen die Mendelejev voor hen had voorspeld – overtuigde meer chemici dat zijn tabel, ondanks de resterende anomalieën, te nuttig was om te negeren. Ondertussen, andere onderzoekers (met name Lothar Meyer in Duitsland) ook gewezen op periodieke variaties in de fysische eigenschappen van de elementen. Mendelejev merkte later op: ‘Hoewel ik mijn twijfels had over een aantal obscure punten, heb ik nooit getwijfeld aan de universaliteit van deze wet, omdat het onmogelijk het resultaat van toeval kan zijn., hoewel hij gelijk had over het overkoepelende principe van periodiciteit, was Mendelejev niet onfeilbaar als profeet. Hij voorspelde verschillende andere elementen die nooit werden gevonden. En hij argumenteerde tot het einde van zijn leven dat de ether – een essentieel maar niet op te sporen component in de toen geaccepteerde theorieën van licht en elektromagnetisme – was echt een chemisch element, hoewel hij had gefaald om het te isoleren in het laboratorium. Hij suggereerde dat het de lichtste edelgassen zou kunnen zijn, met een atoomgewicht van 0,17.,

latere jaren

in zijn privéleven was Mendelejev beslist onconventioneel. Hij liet zijn haar en baard slechts één keer per jaar knippen, waarbij hij weigerde deze gewoonte te variëren, zelfs voor een publiek met de tsaar. Ook zijn huiselijke regelingen waren enigszins onregelmatig. In 1862 trouwde hij met Feosva Lescheva, die in haar richting werd gestuurd door een goedbedoelende oudere zus die vond dat het tijd was dat hij zich ging vestigen. Het echtpaar had twee kinderen, maar na een periode van toenemende Wederzijdse ontevredenheid kwamen ze overeen om te scheiden, afwisselend bezetten Dmitri ‘ s herenhuis en zijn buitenverblijf.,enkele jaren later werd Dmitri verliefd op Anna Popov, een 17-jarige kunststudent. Toen Anna ‘ s ouders haar wegstuurden om haar studie in Rome voort te zetten, volgde Dmitri haar en in 1881 vroeg de 47-jarige haar ten huwelijk. Anna accepteerde het, maar zelfs na de scheiding van Dmitri en Feosva bleef er nog een obstakel over. De Russisch-orthodoxe kerk erkende burgerlijke echtscheidingen, maar eiste een periode van zeven jaar voor een volgend huwelijk., Niettemin vond Dmitri in 1882 een priester die bereid was (voor een aanzienlijke vergoeding) om de ceremonie voortijdig uit te voeren, en ondanks hun dubbelzinnige – en technisch bigame – situatie, leefden het echtpaar gelukkig samen en voedden vier kinderen op.in de politiek was Mendelejev ook een buitenbeentje-een uitgesproken liberaal die zijn hoogleraarschap in 1890 opgaf om zich te distantiëren van de harde onderdrukking van studentenprotesten door de regering. Dit gebaar werd toegejuicht door zijn studenten, maar leidde tot vijandigheid in officiële kringen., Desondanks waardeerde Sergius Witte, de Russische minister van Financiën van 1892, de waarde van Mendelejev ‘ s bijdragen en benoemde hem in 1893 tot hoofd van het regeringsbureau voor maten en gewichten. Vanuit deze basis bleef hij wetenschappelijke kennis toepassen om de economische ontwikkeling van Rusland te ondersteunen.Mendelejev ‘ s faam en invloed is niet afgenomen in de tussenliggende 150 jaar

in 1905 eerde de Londense Royal Society Mendelejev met zijn Copley medal, die al in 1882 de Davy medal ontving., In 1906 werd hij genomineerd voor de Nobelprijs, maar hoewel het chemiepanel zijn kandidatuur steunde, oordeelde de prijscommissie dat zijn ontdekking niet recent genoeg was om hem in aanmerking te nemen. De beslissing werd waarschijnlijk beïnvloed door de Zweedse fysisch chemicus Svante Arrhenius, die in het verleden met Mendelejev in botsing was gekomen.bijna een halve eeuw na zijn dood in 1907 sloot Mendelejev zich aan bij een nog exclusievere club. In 1955 bombardeerden natuurkundigen van de Berkeley campus van de Universiteit van Californië element 99 (einsteinium) met alfa-deeltjes om sporen van element 101 te produceren., Officieel bevestigd als ‘mendelevium’, heeft dit nieuwe element zijn naam ingebed in het icoon dat hij had gemaakt. Tegen die tijd werd de indeling van de tabel verklaarbaar in termen van sub-atomaire structuren en kwantumenergie-uitwisselingen, op een niveau van detail dat Mendelejev nooit had kunnen voorzien. Dit doet echter geenszins afbreuk aan de status van zijn prestatie.

Anderen Voor hem hadden gesuggereerd dat de lijst van bekende elementen in een zinvol patroon zou kunnen worden gerangschikt. Zij merkten aanzienlijke overeenkomsten op, maar vonden geen definitief beeld., Mendelejev was er echter van overtuigd dat de chemische elementen als een collectieve entiteit moeten worden beschouwd. Gewapend met deze overtuiging gaf hij zijn tafel samenhang door moedig de posities van sommige bekende elementen te herzien, en door gaten voor anderen nog onontdekt te laten. Hoewel sommige van zijn voorspellingen onjuist waren, scoorde hij genoeg hits om zijn tabel als basis voor ons begrip van de elementen vast te stellen, en om zijn status als een van de grondleggers van de moderne chemie te bevestigen.,

Mike Sutton is a science historian based in Newcastle, UK

verder lezen

W h Brock, The Fontana History of Chemistry, Fontana Press, 1993
M Fontani, m Costa and M V Orna, The Lost Elements: The Periodic Table ‘ s Shadow Side, Oxford University Press, 2015
E R Scerri, The Periodic Table: its Story and its Significance, Oxford University Press, 2006