Det periodiske system: Sådan blev grundstoffernes skema opbygget
Hvis forskere havde holdtrøjer, ville fysikernes være påtrykt Einsteins formel E = mc2, biologerne ville bære DNA-molekylet, og kemikerne det periodiske system. Det er ikke uden grund, at kemikerens svar på fysikerens elementarpartikler er det periodiske system.
det periodiske system

Det periodiske system, vi kender i dag, blev første gang præsenteret 6. marts 1869 og er siden blevet udvidet mange gange. (Illustration: Sandbh / CC BY-SA 4.0)

Det periodiske system, vi kender i dag, blev første gang præsenteret 6. marts 1869 og er siden blevet udvidet mange gange. (Illustration: Sandbh / CC BY-SA 4.0)

Partner 50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben

I denne bog gives der en fremstilling af 50 markante gennembrud i naturvidenskaberne, der alle har været med til at skabe det moderne ver

Al kemi er baseret på cirka 100 grundstoffer – der er i alt påvist 118 grundstoffer (ved artiklens udgivelse i år 2014, red.), hvoraf de 91 findes naturligt på Jorden – og det periodiske system angiver meget præcist slægtskabet mellem dem.

Systemet består af perioder og grupper, hvor slægtskabet fremgår af grundstoffer i samme gruppe. Selvom ilt og svovl umiddelbart er meget forskellige stoffer, er de i kemisk henseende forbundne, som var de søskende.

De er derfor anbragt i samme gruppe, men hører til forskellige perioder. Det samme gælder luftarten chlor og det faste stof jod.

Grundstoffernes fælles ophav

Allerede i 1789 kategoriserede den franske kemiker Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) 33 kemiske elementer eller grundstoffer. Men det periodiske system, vi kender i dag, og som er fundamentet for de kemiske videnskaber, stammer fra 1869.

Historien tog rigtig fart i midten af 1800-tallet, hvor det var alment anerkendt, at alle grundstoffer har en karakteristisk atomvægt.

Vægten syntes ikke at fremvise noget mønster, men kemikerne søgte alligevel efter et, for det var en tillokkende tanke, at grundstofferne havde et fælles ophav, og at den formodede enhed i naturen ville give sig til kende ved en afkodning af atomvægtene.

LÆS OGSÅ: Det periodiske system fylder 150 år – men det kunne have set helt anderledes ud

Atomvolumen varierer med atomvægten

En af de kemikere, der var overbevist om et mønster, var den dansk-amerikanske videnskabsmand Gustavus Hinrichs (1836-1923).

Han var ikke blot overbevist om, at grundstofferne kunne inddeles i familier, han mente også, at de alle bestod af kombinationer af et enkelt urstof, som han kaldte pantogen.

Hinrichs, der i 1867 præsenterede sine ideer i et spiralformet system, var en af flere forgængere til det periodesystem, der først blev endeligt formuleret i 1869 af tyskeren Lothar Meyer (1830-1895) og russeren Dmitrij Ivanovitj Mendelejev (1834-1907).

Ud fra de kendte grundstoffers massefylder var Meyer i stand til at vise, at deres 'atomvolumen' – et relativt mål for atomernes størrelse – varierede periodisk med atomvægten.

For eksempel var atomer af de såkaldte alkalimetaller lithium, natrium, kalium og rubidium særlig store. Selv om natriums atomvægt var mindre end magnesiums, havde det et større atomvolumen.

Mendelejevs regnes som skaberen af det periodiske system

Det var imidlertid Mendelejevs klassifikation, der var den mest frugtbare, hvorfor han regnes for skaberen af det periodiske system, sådan som vi kender det i dag.

50 opdagelser

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

Mendelejev var født i Tobolsk i det fjerne Sibirien, den yngste af en børneflok på 14. Det lykkedes ham at komme på universitetet i St. Peterborg, hvor han i 1867 blev professor i kemi og to år senere foreslog det system, der gjorde ham til en stjerne i kemihistorien.

Mendelejevs system var ikke baseret på spekulationer om stoffernes enhed, men var derimod et forsøg på at korrelere grundstoffernes kemiske og fysiske egenskaber med deres atomvægte.

Mendelejevs grupper var baseret på ideen om et 'naturligt system'

Hans omfattende kendskab til stofkemi førte ham til en klassifikation efter stigende atomvægte, hvor grundstoffer med omtrent samme egenskaber var placeret i samme gruppe.

Det var for eksempel kendt, at metallerne magnesium, calcium og strontium, om end de har vidt forskellige atomvægte (henholdsvis 24, 40 og 88), i mange henseender minder om hinanden, og Mendelejev placerede dem derfor i samme gruppe.

Den overordnede idé bag dette 'naturlige system' var, at grundstoffernes egenskaber – for eksempel deres reaktionsvillighed, smeltepunkter og kemiske forbindelser – varierer periodisk med deres atomvægte.

Denne indsigt havde Meyer også, men det var kun Mendelejev, der drog de fulde konsekvenser af den.

LÆS OGSÅ: Sådan lærer du det periodiske system udenad

Atomvægten bestod, når et grundstof dannede forbindelser

Det naturlige eller periodiske system var mere end blot en klassifikation af grundstoffer. Det var også et stærkt argument for atomvægten som den karakteristiske eller endog definerende egenskab for et grundstof.

Ifølge Mendelejev bestod atomvægten, når et grundstof dannede forbindelser, og den var den eneste målelige og permanente egenskab for atomer.

Selv om det periodiske system var opbygget efter atomvægten, erkendte Mendelejev, at systemet ikke passede helt med de målte atomvægte.

Grundstoffet beryllium havde således en atomvægt på 14, hvilket ville gøre det beslægtet med aluminium, i modstrid med alle kemiske erfaringer.

Det priodiske system bragte orden og overblik over grundstofferne

det periodiske system

Russisk frimærke i anledning af 100-året for Mendeleevs opstilling af det periodiske system.

Men Mendelejev havde så stor tiltro til sit system, at han anså atomvægten for at være forkert og i stedet tildelte beryllium atomvægten 9, hvorved han kunne placere det sammen med magnesium og calcium.

Denne dristige tilsidesættelse af eksperimentelle data viste sig at være berettiget, idet forbedrede målinger i 1885 netop resulterede i en atomvægt på 9 for beryllium.

Omkring 1880 havde det periodiske system opnået fuld anerkendelse som et vigtigt gennembrud i kemien.

Når kemikerne villigt accepterede Mendelejevs system, var det til dels, fordi det bragte orden og overblik over de mange grundstoffer, men det var også, fordi systemet havde en bemærkelsesværdig evne til at forudsige nye grundstoffer.

Der var nemlig adskillige 'huller' i systemet i form af pladser, der ikke kunne udfyldes af kendte grundstoffer. Ud fra mønstret i det periodiske system påtog Mendelejev sig at forudsige egenskaberne af de endnu ukendte grundstoffer.

Opdalgelsen af germanium

De berømteste af hans forudsigelser vedrørte de grundstoffer, der sidenhen blev kendt som gallium, scandium og germanium. For det ukendte metal 'eka-silicium' forudsagde han for eksempel en atomvægt på 72 og en vægtfylde på 5,5 g/cm3.

Da den tyske kemiker Clemens Winkler (1838-1904) i 1886 opdagede metallet og navngav det germanium, viste det sig at have atomvægt 73,3 og vægtfylde 5,47. Forudsigelserne af de tre grundstoffer var forbløffende præcise, hvilket forståeligt nok imponerede kemikerne.

Nu var ikke alle af Mendelejevs forudsigelser korrekte, og nogle af dem var endda aldeles forkerte.

For eksempel forudsagde han et grundstof med atomvægt 175, der slet ikke findes. Men fiaskoerne blev ikke tillagt samme vægt som de spektakulære succeser.

Der var tvivl om rækkefølgen på jod og tellur

Et af de erkendte problemer med det periodiske system angik grundstofferne tellur og jod, hvis egenskaber klart viser, at tellur kommer før jod i systemet.

det periodiske system

Det periodiske system findes i mange udformninger. I den usædvanlige cirkulære version stråler grupperne radialt ud, mens grupperne er lodrette og perioderne vandrette i den rektangulære og normalt anvendte version.

Men atomvægtene var bestemt til henholdsvis 128 og 127, således at rækkefølgen burde være jod-tellur, da Mendelejevs system jo var ordnet efter stigende atomvægte. Også i dette tilfælde valgte den russiske kemiker at betvivle de eksperimentelle værdier.

Det slap han dog ikke heldigt fra. Ganske vist syntes målinger i 1880'erne at reducere tellurs vægt til 125, i overensstemmelse med Mendelejevs forventning, men senest i 1900 stod det klart, at tellurs atomvægt faktisk er større end jods.

Selv konfronteret med disse overbevisende data nægtede Mendelejev at tro på dem. Problemet var ægte, og det vedblev at være et problem, indtil det blev forstået, at atomvægten slet ikke er den størrelse, det periodiske system er ordnet efter.

Både kemikere og fysikere omdefinerede grundstofbegrebet

Den nye indsigt fremkom først langt senere, i kølvandet på opdagelsen af isotoper og forståelsen af atomets struktur som en atomkerne omgivet af elektroner. Isotoper er netop grundstofarter med forskellig atomvægt men ikke desto mindre samme placering i periodesystemet.

Navnet isotop, der stammer fra 1913, betyder 'samme sted' på græsk. Kemikere og fysikere blev nu nødt til at omdefinere grundstofbegrebet, så det omkring 1915 blev baseret på atomkernens positive ladning (atomnummeret) og ikke på atomvægten.

Dette er stadig vores definition på et grundstof.

LÆS OGSÅ: Neutronstjerner udspyr guld, jod og det halve periodiske system

Atomerne var måske sammensatte strukturer

Allerede i sidste del af 1800-tallet var der flere spekulationer om, at regulariteten i det periodiske system måske skyldtes, at atomerne var sammensatte strukturer.

Mendelejev selv afviste energisk disse spekulationer som fantasteri og forblev til sin død i 1907 overbevist om, at atomerne var usammensatte såvel som udelelige.

Med opdagelsen omkring 1900 af elektronen som en fælles bestanddel af alle atomer blev det naturligt at søge efter en forklaring på periodesystemet ud fra atomernes opbygning.

Man kunne for eksempel forestille sig, at natrium- og kaliumatomet havde fælles træk i deres elektronstrukturer, og at dette manifesterede sig i den kemiske lighed mellem de to grundstoffer.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Niels Bohr kunne for første gang præsentere atommodeller

Det første seriøse forsøg på at give en atomteoretisk forklaring på det periodiske system skyldtes elektronens opdager, englænderen Joseph J. Thomson (1856-1940), der omkring 1905 foreslog en forklaringsskitse baseret på fordelingen af elektroner i atomet.

det periodiske system

En standardversion af det periodiske system, her med grundstoffer op til nummer 112. Senere er flere kommet til.

Det krævede dog yderligere fremskridt i atomteorien, før der fremkom en troværdig forklaring på Mendelejevs system.

Niels Bohrs (1885-1962) atomteori fra 1913 viste sig særlig frugtbar i denne henseende. I 1922 kunne Bohr for første gang præsentere atommodeller for alle grundstofferne og derved forklare også mange af detaljerne i det periodiske system.

Hans teori var en succes, men ikke den endelige forklaring på systemet. Denne kom et par år senere, da den unge tyske fysiker Wolfgang Pauli (1900-1958) ud fra kvanteteorien formulerede de fysiske principper for grundstoffernes opbygning, der stadig anerkendes.

Med Paulis teori blev Mendelejevs rent kemiske system en del af den nye kvantefysik.

Flere nye grundstoffer blev opdaget løbende

Mendelejevs oprindelige system fra 1869 indeholdt de dengang 63 kendte grundstoffer. Gennem de følgende årtier blev flere og flere nye grundstoffer opdaget, og i alle tilfældene lykkedes det at indplacere dem i systemet – om end det nogle gange krævede opfindsomhed.

Da argon og de andre ædelgasser (helium, neon, xenon og krypton) blev opdaget i 1890'erne, kom det først som en uvelkommen overraskelse for kemikerne:

Mendelejevs system syntes ikke at kunne rumme et nyt grundstof med argons egenskaber. Også i dette tilfælde blev der dog skabt plads i det periodiske system for de nye grundstoffer, nemlig ved at placere dem i en helt ny gruppe, så systemet omfattede i alt 8 grupper.

det periodiske system

Det periodiske system med prøver af grundstofferne, her bl.a. kulstof, nitrogen (kvælstof) og oxygen (ilt) fra anden periode. (Det periodiske system. Foto: Lise Balsby, Anders Trærup og Lars Kruse, AU Kommunikation, Aarhus Universitet.)

Der findes kunstigt frembragte grundstoffer

Brint, hvis atomvægt og atomnummer begge er 1, blev af naturlige grunde altid anbragt i starten af det periodiske system, og indtil 1940 var det lige så naturligt at placere uran, der har atomvægt 238 og atomnummer 92, som afslutning på systemet.

Det viste sig da, at der findes kunstigt frembragte grundstoffer, der er endnu tungere end uran. De to første af disse såkaldte transuraner er neptunium og plutonium med atomnumre 93 og 94.

Under 2. Verdenskrig blev plutonium fremstillet i så store mængder ud fra uran, at det kunne bruges i den atombombe, der den 9. august 1945 blev kastet over Nagasaki i Japan.

Det periodiske system er vokset med tiden

Siden da er det periodiske system vokset betragteligt med skabelsen af endnu tungere og meget kortlevende radioaktive grundstoffer.

Et af dem er grundstof nr. 107, fremstillet af tyske fysikere i 1981, der blev tildelt navnet bohrium (Bh) til ære for Niels Bohr.

I dag kendes hele 26 transuraner, hvoraf det tungeste med atomnummer 118 blev fremstillet ved atomkerneprocesser i 2006. Det er blevet tildelt det midlertidige navn ununoctium, der betyder 118 på latin.

LÆS OGSÅ: Alternativt periodisk system viser, hvilke grundstoffer vi er ved at løbe tør for

LÆS OGSÅ: Store opdagelser: Niels Bohr og atomets struktur

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.



Annonce: