fadern till det periodiska bordet

uppmaningen att upptäcka mönster i vår omgivning verkar vara ett grundläggande mänskligt drag. För tusentals år sedan byggde våra avlägsna förfäder massiva stenmonument som exakt var inriktade på betydande punkter i den årliga solcykeln. Och på 1800-talet märkte tankeväckande kemister familjelikheter bland elementen och försökte bädda in dem i ett förklarande paradigm.,

För ett och ett halvt år sedan tog Dmitri Mendeleev ett avgörande steg i denna sökning efter ordning bland elementen genom att publicera det första utkastet till sitt periodiska bord. År 2019 firar det världsomspännande samhället av kemister denna årsdag, och det med rätta. Liksom Stonehenge speglar bordet regelbundenhet i naturen som berodde på orsaker som var mystiska när den ursprungligen konstruerades. Men hur kom Mendeleev för att bygga sitt monument?,

tidiga år

Dmitri växte upp i Sibirien, på ytterkanten av västerländsk civilisation. Hans hem, Tobolsk, är 1000km närmare Peking än till Paris, och hans väg därifrån till vetenskaplig eminens var svår., Han var den yngsta av mer än ett dussin Mendeleev syskon, och strax efter hans födelse 1834 tvingade ohälsa sin far Ivan, en gymnasielärare,till pension. Otillräckligheten i Ivan pension drev sin fru Maria att ta på sig förvaltningen av en halvderelict glasverk, som tidigare drevs av sin bror.

detta företag stödde familjen fram till 1848, när den brann ner. Sedan dog Ivan, och 1849 tog Maria sina två yngsta barn till Moskva och hoppades att hennes bror skulle hjälpa Dmitri att komma in på universitetet där., När planen misslyckades flyttade de till St Petersburg och 1850 accepterades Dmitri (något motvilligt) av högskolan där hans far hade utbildat sig som lärare. En föreläsare där – Alexander Voskresensky, som hade studerat i Tyskland under Justus Liebig – uppmuntrade Dmitris intresse för kemi.

han tog examen 1855, och hans avhandling-om isomorfism och andra relationer mellan fysisk form och kemisk sammansättning – publicerades i en gruvtidning. Ytterligare artiklar för vetenskapliga och tekniska tidskrifter följde, men han saknade en säker inkomst., Då hade både hans mor och syster dött, och han själv led av vad som verkade vara tuberkulos. Men ett års undervisning i Krimens mer godartade klimat förbättrade sin hälsa avsevärt, och en ny läkare avskedade med säkerhet den tidigare diagnosen.

hösten 1856 försvarade Mendeleev framgångsrikt en masteruppsats om förhållandet mellan de specifika volymerna av ämnen och deras kristallografiska och kemiska egenskaper. Kort därefter licensierade universitetet i St Petersburg honom som kemihandledare, vilket gav honom tillgång till sitt laboratorium., År 1859 fick han statlig finansiering för två års avancerade studier utomlands.

etablera en karriär

vid Heidelbergs universitet i Gemany, gjorde Mendeleev forskning om flera ämnen, inklusive ytspänning, kapillaritet och avdunstning, och han behöll ett intresse för intermolekylära styrkor under hela sin karriär. År 1860 deltog han i Karlsruhe-konferensen, där den italienska kemisten Stanislau Cannizzaro levererade ett banbrytande papper på atomvikter (nu kallade relativa atommassor)., Detta var ett avgörande steg mot det periodiska systemet, eftersom det tidigare hade varit en stor tvist om att tilldela atomvikter till elementen.

vissa kemister hävdade att dessa vikter var irrelevanta eller förnekade den fysiska existensen av atomer helt och hållet. Andra föredrog ett system baserat på en atomvikt på åtta för syre, förutsatt att vattnets formel var HO, snarare än H2O. men i Karlsruhe återupplivade Cannizzarro idéerna från hans landsman Amadeo Avogadro för att stödja H2o-vattenformeln och en atomvikt på 16 för syre., Under 1860-talet skiftade opinionen till hans fördel-lyckligtvis för Mendeleev, eftersom de regelbundenheter som pekade honom mot det periodiska systemet skulle ha varit mindre synliga på det äldre systemet.

Efter att ha återvänt till St Petersburg 1861 återupptog Mendeleev undervisningen vid universitetet, samtidigt som han föreläste vid stadens Tekniska Institut. Dessutom publicerade han en lärobok om organisk kemi och flera artiklar för en teknisk encyklopedi, samt reser i stor utsträckning på jakt efter möjligheter att tillämpa vetenskapliga upptäckter på Rysslands ekonomiska utveckling., Ett besök på Baku oilfields i 1863 började sitt långsiktiga engagemang för den framväxande petrokemiska industrin, till exempel.

Mendeleevs doktorsavhandling (om lösningsteori) antogs 1865, och 1867 utsåg universitetet honom till professor i allmän kemi. Han var skyldig att föreläsa om oorganisk kemi, och eftersom det inte fanns någon tillfredsställande Rysk lärobok började han skriva en. Detta fokuserade hans sinne på utmaningen att ordna de kemiska elementen i ett ordnat mönster., Flera andra, däribland Leopold Gmelin i Tyskland, Jean-Baptiste Dumas i Frankrike och John Newlands i England – hade försökt detta, med begränsad framgång. Mendeleev var medveten om några av dessa ansträngningar, men hans eget tillvägagångssätt var distinkt i viktiga avseenden.

sätta sina kort på bordet

genombrottet kom tidigt 1869, eftersom Mendeleev förberedde sig för en annan industriell turné – den här gången för att undersöka och förbättra osttillverkningstekniker. Under tiden, efter att ha avslutat den första volymen av hans lärobok, kämpade han för att skapa en ram för den andra.,och liknande atomvikter på separata kort, och detta övertygade mig snart om att egenskaperna hos elementen är i periodiskt beroende av deras atomvikter…’
D Mendeleev, principer för kemi, 1905 (betoning tillagd)

Mendeleev lade ut sina kort i kolumner och rader, som om i ett spel av Solitaire eller tålamod – en favorit tidsfördriv av hans under järnvägsresor., De vertikala kolumnerna listade de kända elementen i ordning att öka atomvikten, med en ny kolumn som startas när detta gjorde det möjligt för honom att passa element med liknande egenskaper i samma horisontella rad.

som andra kemister hade noterat hörde några grupper av element – särskilt alkalimetallerna och halogenerna – tydligt ihop. Men många andra – särskilt de sällsynta jordelementen (lanthanides) – presenterade problem men de ordnades. Vid denna tidpunkt vägrade Mendeleev, till skillnad från de flesta av sina föregångare, att ge upp kampen.,

om ett element position i sitt bord verkade avvikande, var han villig att justera sin atomvikt för att ge den mer kompatibla följeslagare. Till exempel föreslog han att formeln för berylliumoxid var BeO, snarare än den accepterade Be2O3. Detta sänkte berylliums atomvikt, så att han kunde lokalisera den med magnesium snarare än aluminium.

den 6 mars 1869 presenterades den första grova skissen av hans bord för det ryska Kemiska Samhället (en organisation som han hade hjälpt till att hitta några månader tidigare)., Senare samma år publicerade föreningens tidskrift en mer övervägd version, en kort abstrakt som uppträdde i tysk översättning. Det lockade lite uppmärksamhet utanför Ryssland men Mendeleev framhärdade och fortsatte att lägga ut fler kort på sitt bord.

Tänk på luckorna

det reviderade diagrammet Mendeleev som publicerades 1871 ser mer bekant ut för moderna ögon. För att sammanställa det gjorde han ytterligare antaganden. Till exempel sänkte han telluriums atomvikt, vilket gjorde dess granne jod tyngre av de två., Detta gjorde det möjligt för honom att placera jod med halogenerna och tellurium med svavel och selen. Sådana justeringar var utan tvekan inom intervallet experimentellt fel vid den tiden. Men Mendeleev kunde inte ha förutsett att atomnummer snarare än atomvikt senare skulle bli tabellens beställningsprincip, eller att identifieringen av isotoper genom masspektrometri så småningom skulle förklara dessa och andra anomalier.,

med lika djärvhet förbättrade Mendeleev samstämmigheten i sitt bord genom att lämna luckor för ännu oupptäckta element för att slutföra det mönster han planerade. Förutom att förutsäga deras kemiska karaktär tilldelade han dem också teoretiska värden för fysikaliska egenskaper som Specifik gravitation och smältpunkt.,

den första – gallium-identifierades spektroskopiskt av en fransk kemist, Paul Lecoq de Boisbaudran 1875. När nog av det blev tillgängligt för testning matchade alla galliums egenskaper Mendeleevs förutsägelser-förutom dess specifika gravitation, som tycktes vara 4,7. Men efter Mendeleev rekommenderade färska mätningar visade det sig vara 5,9-praktiskt taget identisk med sin förutspådda figur.,

upptäckten av scandium 1879 och germanium 1885-båda uppvisar egenskaperna Mendeleev hade förutspått för dem-övertalade fler kemister att hans bord, trots dess återstående anomalier, var för användbart för att ignorera. Samtidigt lyfte andra forskare (särskilt Lothar Meyer i Tyskland) också fram periodiska variationer i elementens fysikaliska egenskaper. Mendeleev påpekade senare: ”även om jag har haft mina tvivel om några dunkla punkter, har jag ändå aldrig en gång tvivlat på denna lags universalitet, eftersom det kanske inte kan vara resultatet av slumpen.,’

medan han hade rätt om periodicitetsprincipen var Mendeleev inte ofelbar som profet. Han förutspådde flera andra element som aldrig hittades. Och han hävdade fram till slutet av sitt liv att etern – en väsentlig men odetekterbar komponent i då accepterade teorier om ljus och elektromagnetism – verkligen var ett kemiskt element, trots att han hade misslyckats med att isolera det i laboratoriet. Han föreslog att det kan vara den lättaste av ädelgaserna, med en atomvikt på 0,17.,

senare år

i sitt privatliv var Mendeleev okonventionellt. Han hade sitt hårklipp och skägg trimmat bara en gång om året och sjönk för att variera denna anpassning även för en publik med tsaren. Dessutom var hans inhemska arrangemang något oregelbundna. År 1862 gifte han sig med Feosva Lescheva, efter att ha styrts i hennes riktning av en välmenande äldre syster som trodde att det var dags att han bosatte sig. Paret hade två barn, men efter en period av ökande ömsesidig olycka gick de med på att separera, växelvis ockuperar Dmitris hus och hans landreträtt.,

flera år senare blev Dmitri kär i Anna Popov, en 17-årig konststudent. När Annas föräldrar skickade bort henne för att fortsätta sina studier i Rom följde Dmitri henne och 1881 föreslog 47-årige äktenskapet. Anna accepterade, men även efter Dmitri och Feosva skildes ett ytterligare hinder kvar. Den rysk-ortodoxa kyrkan erkände civila skilsmässor, men krävde ett sjuårigt intervall före ett efterföljande äktenskap., Ändå 1882 Dmitri hittade en präst villig (för en betydande avgift) att utföra ceremonin i förtid, och trots sin tvetydiga – och tekniskt bigamous – situation, paret levde lyckligt tillsammans och uppfostrade fyra barn.i politiken var Mendeleev också en maverick – en frispråkig liberal som avgick sin professur 1890 för att skilja sig från regeringens hårda undertryckande av studentprotester. Denna gest applåderades av sina elever men provocerade fientlighet i officiella kretsar., Ändå uppskattade Sergius Witte, Rysslands finansminister från 1892, värdet av Mendeleevs bidrag och 1893 utsåg honom till chef för regeringens byrå för vikter och åtgärder. Från denna bas fortsatte han att tillämpa vetenskaplig kunskap för att hjälpa Rysslands ekonomiska utveckling.

i 1905 hedrade Londons Royal Society Mendeleev med sin Copley-medalj, efter att ha fått sin Davymedalj 1882., År 1906 nominerades han till Nobelpriset, men trots att kemipanelen stödde sin kandidatur fastställde awards-kommittén att hans upptäckt inte var tillräckligt ny för att kvalificera honom för övervägande. Beslutet var förmodligen påverkat av den svenska fysikalisk kemisten Svante Arrhenius, som hade kolliderat med Mendeleev tidigare.

nästan ett halvt sekel efter hans död 1907 gick Mendeleev till en ännu mer exklusiv klubb. 1955 fysiker vid University of California Berkeley campus bombarderas element 99 (einsteinium) med alfa-partiklar för att producera spår av element 101., Officiellt bekräftad som ”mendelevium”, inbäddade detta nya element sitt namn i ikonen som han hade skapat. Vid den tiden blev tabellens layout förklarad när det gäller subatomära strukturer och kvantenergiutbyten, på en detaljnivå kunde Mendeleev aldrig ha förutsett. Detta minskar emellertid inte på något sätt karaktären av hans prestation.

andra före honom hade föreslagit att listan över kända element skulle kunna ordnas i ett meningsfullt mönster. De noterade betydande korrespondenser, men hittade ingen definitiv bild., Mendeleev var dock övertygad om att de kemiska elementen måste ses som en kollektiv enhet. Beväpnad med denna övertygelse gav han sitt bord koherens genom att djärvt revidera positionerna hos några kända element och genom att lämna luckor för andra ännu oupptäckta. Även om några av hans förutsägelser var felaktiga gjorde han tillräckligt med träffar för att fastställa sitt bord som grund för vår förståelse av elementen och för att bekräfta sin status som en av grundarna till modern kemi.,

Mike Sutton är en vetenskap historiker grundar sig i Newcastle, STORBRITANNIEN

för mer att läsa

W H Brock, Fontana Historia av Kemi, Fontana Press, 1993
M Fontani, M Costa och M V Orna, De Förlorade Delar: Den Periodiska Tabellen skuggsidan, Oxford University Press, 2015
E R Scerri, Det Periodiska systemet: dess Historia och dess Betydelse, Oxford University Press, 2006