Hoppa till huvudinnehåll

Periodiska systemet fyller 150
- men det finns också rådd i systemet

Det periodiska systemet har hållit koll på elementen i 150 år, men under den eleganta ytan finns det några saker som sticker upp.

Vissa grundämnen är allmänna och vardagliga - som järn (Fe) och fluor (F), andra är mer sällsynta och dyrbara, som guld (Au) och silver (Ag). Vissa är reserverade för specialisterna: har du till exempel hört talas om vanadin (V) eller praseodym (Pr)?

En del grundämnen finns nästan överallt. Jordens atmosfär består nästan helt av kväve (N) och syre (O). Andra uppträder endast flyktigt under mycket speciella förhållanden i laboratorier, såsom nihonium (Nh) och oganesson (Og).

Vissa grundämnen är fullkomligt nödvändiga för själva överlevnaden: utan kol (C) hade livet inte kommit långt. Å andra sidan klarar vi oss bara fint utan tenness (Ts).

De 118 grundämnena är de bitar som utgör det pussel vi känner till som det periodiska systemet. Men alla delarna passar inte lika bra in i pusslet.

Mendelejev-myten

År 1869 var den ryske kemisten Dmitrij Mendelejev professor i S: t Petersburg. Han hade själv full koll på de 63 element som var kända vid den tiden, men han saknade uppdaterade läroböcker som han kunde använda i undervisningen.

Så Mendelejev jobbade på sin egen lärobok. Den första volymen hade kommit ut året innan, men nu hade han kört fast. Hur skulle kapitlen ordnas? Vilka delar tillhörde vilka kapitel?

Myten säger att kabbalisten Mendelejev en måndagsmorgon för precis 150 år sedan beslöt sig för att testa ett helt nytt sätt att angripa problemet.

Grundämne nummer 101, mendelevium, är uppkallad efter Dmitrij Mendelejev. Det finns också en krater vid namn Mendelejev, närmare bestämt på månen.

Mendelejev gav varje grundämne sitt eget kort och på dem antecknade han ämnets grundläggande egenskaper. På det sättet kunde han enkelt flytta korten runt bordet och leta efter samband.

Mendelejev ska efter det här ha somnat och i en dröm sägs han ha sett hur grundämnena hängde samman. Så snart han vaknade skrev han ned ett i stora drag färdigt system.

Det hela är en fenomenal vetenskaplig legend – läcker att återberätta, men aningen svår att ta på allvar. Precis som det där med Newton som bara råkade få ett äpple i huvudet och plötsligt förstod han hur gravitationen fungerade.

Mycket lite indikerar att storyn med Mendelejevs dröm faktiskt hände på riktigt. Den mindre kända men mycket troligare förklaringen är att han gjorde det som forskare gör för det mesta - försökte och misslyckades, tills han fick det att klaffa. Det var förmodligen också fallet för Newtons del.

Det som däremot är säkert är att Mendelejev faktiskt skickade artikeln kallad ”Ett försök till ett grundämnessystem baserat på deras atomvikt och kemiska släktskap” till tryckning.

Mendelejevs försök till att sätta grundämnena in i ett system visade sig vara en fullträff som idé. Den gav inte upphov till någon omedelbar reaktionsstorm i kemisternas värld, men med tiden lade den grunden för planschen som fortfarande hänger i klassrum runt om i världen.

Men kommer tabellen fortfarande att vara densamma om 100 år?

Från väte till oganesson

För att förstå varför det periodiska systemet ser ut som det gör och varför det eventuellt är i behov av förnyelse, måste vi börja med några av de mest grundläggande sakerna som vi vet om: själva grundämnena.

Det här är lågstadiekunskap, men förmodligen har många hunnit glömma det som sades i skolan, så vi friskar upp minnet en aning.

Definitionen av ett grundämne är alltså ett ämne som består av endast en sorts atomer. Atomerna består av ännu mindre partiklar - en kärna av protoner och neutroner, med elektroner fördelade på ett eller flera elektronskal.

Väte, som är grundämnet med atomnummer ett, har en proton i kärnan och en elektron som snurrar omkring den.

Helium, det andra grundämnet i ordningen, har två protoner i kärnan och två elektroner som roterar runt den.

Järn, grundämnet med nummer 26, har 26 protoner i kärnan och 26 elektroner som roterar runt den.

Man behöver inte vara Mendelejev för att se mönstret här, men på Mendelejevs tid hade man inte möjligheten att hantera protoner och elektroner, av det enkla skälet att de ännu inte hade upptäckts.

En ritad väte (H2) atom.
Väte En ritad väte (H2) atom. Bild: Nrk/Tuva Tagseth atom
En ritad helium (He2) atom.
Helium En ritad helium (He2) atom. Bild: Nrk/Tuva Tagseth atom
En ritad järn (Fe) atom.
Järn En ritad järn (Fe) atom. Bild: Nrk/Tuva Tagseth atom

Det som Mendelejev däremot begrep sig på var atommassa. Som tumregel ökar atommassan med antalet protoner i atomkärnan, så det hade inte varit ett problem för Mendelejev att rangordna grundämnena i form av en lista, från det lättaste till det tyngsta.

Problemet med en sådan lista är däremot att den bara skulle ha sagt något om elementens fysikaliska egenskaper. Mendelejev ville däremot också inkludera de kemiska egenskaperna - hur ämnena reagerar med andra ämnen.

Han visste till exempel att fluor, klor, brom och jod kunde påminna om varandra baserat på sättet som de uppför sig då de reagerar med andra ämnen, även om de inte ligger nära varandra i vikt.

Fullt skal, tack


Genom att kombinera kemi och fysik kom Mendelejev att skapa systemet som vi har byggt vidare på i 150 år - ett system baserat på grupper och perioder.
Det periodiska systemet.
Periodiska systemet år 2019. Det periodiska systemet. Bild: Nrk/Tuva Tagseth periodiska systemet

När vi nu tittar närmare på hur periodsystemet är strukturerat, lämnar vi Mendelejevs variant och tar oss an versionen från 2019. Även om huvudprincipen för systemet från 1869 fortfarande står sig, är tolkningen lite annorlunda.

Grupper

Ett grundämnes beteende styrs till stor del av hur många elektroner det har i det yttersta elektronskalet. Exempelvis är grundämnena i grupp ett, där vi bland annat finner nämnda väte och francium, mycket reaktiva.

Den ensamma elektronen i ytterhöljet innebär att de lätt bildar föreningar med andra grundämnen. Ett grundämne strävar som regel efter att ha fullsatt elektronskal.

De som har det kallas ädelgaser och, till skillnad från ämnena med endast en elektron i det yttersta skalet, är de väldigt ointresserade av att ingå i kemiska föreningar med andra grundämnen.

Gruppen längst ned till höger i det periodiska systemet består av grundämnen som har helt fulla elektronskal, till exempel helium och radon. Dessa kallas ädelgaser och, till skillnad från ämnena med endast en elektron i ytterhöljet, bryr de sig väldigt lite om att reagera med andra element.

De horisontella raderna anger vilka grundämnen som ingår i samma period. Vi har sju perioder: varje period innehåller grundämnen som har lika många elektronskal.

Väte och helium har som sagt rätt så olika kemiska egenskaper, men de har lika många elektronskal, det vill säga ett enda, och sorterar därför under samma period.


En bild av det periodiska systemet




En bild av det periodiska systemet
Bild: Nrk/Tuva Tagseth
periodiska systemet

PERIODISERING

Det periodiska systemet har namngetts efter de horisontella perioderna. Grundämnets beteende upprepar sig med förutsägbara intervaller, och varje intervall kallas en period.

En bild på det periodiska systemet, ämnena 1 och 2 är inringade.
En period En bild på det periodiska systemet, ämnena 1 och 2 är inringade. Bild: Nrk/Tuva Tagseth periodiska systemet

Så långt är allting frid och fröjd. Naturen har tydligen en tydlig uppsättning av olika byggstenar som formligen ropar efter att sättas i ett intuitivt och pedagogiskt system.

Väteproblemet

Svårigheterna börjar redan med det första grundämnet, väte. Det vanligaste grundämnet i universum passar helt enkelt inte in i det periodiska systemet.

Gruppens namn sätter fingret på ett par av problemen - väte och alkalimetallerna. Litium, natrium och kalium är alkalimetaller, medan väte inte alls är en metall, det är en gas.

Väte, med sin enda elektron, har lika många elektroner i ytterhöljet som dess metallkamrater, det vill säga en.

Men trots att det första elektronskalet bara har utrymme för två elektroner krävs det bara en elektron för att ha det fulla yttre skalet fyllt. Denna situation, med det yttre skalet halvfullt/halvtomt gör det svårt att placera väte i ett fack.

- Det är omöjligt att vara alla till lags när fysiken säger en sak och de kemiska egenskaperna tyder på något annat.

Rolf Jonas Persson är fysiker vid NTNU, Norges teknisk- naturvetenskapliga universitet, och en av initiativtagarna bakom det periodiska systemets år vid nämnda universitet. Persson förklarar att väte inte påminner om något annat grundämne, och att det verkligen inte har någon naturlig plats i ett periodiskt system baserat på endast fysiska egenskaper.

- En fysiker hade förmodligen satt upp det periodiska systemet på ett lite annorlunda sätt. Mendelejev tittade först på kemin, sedan på fysiken. Om både kemi och fysik ska inkluderas är det nästan omöjligt att få dem in i ett tvådimensionellt system.

Det periodiska systemet byggt i en 3d version i lego.
Persson har byggt olika legovarianter av det periodiska systemet. Den här versionen, som visar ämnets densitet, visas på NTNU tillsammans med flera andra modeller. Det periodiska systemet byggt i en 3d version i lego. Bild: Erlend Långe Solbu periodiska systemet

Persson har byggt olika legovarianter av det periodiska systemet. Den här versionen, som visar ämnets densitet, visas på NTNU tillsammans med flera andra modeller.

Relativitetens rariteter

Persson är särskilt bekymrad över så kallade relativistiska effekter i det periodiska systemet. Vilket leder oss till två andra grundämnen som skiljer sig åt en aning: guld och kvicksilver.

Relativistiska effekter, vad är det? Jo, Einsteins relativitetsteori kan inte förklaras med ett par rader, men i ett nötskal så beskriver den hur naturen beter sig när saker rör sig väldigt snabbt, är mycket stora eller mycket tunga.

Elektronerna rör sig extremt snabbt runt atomkärnan. Och ju högre atomnummer ett grundämne har, desto fler protoner har det i kärnan. Fler protoner i kärnan betyder att elektronerna måste röra sig ännu snabbare för att kompensera för krafterna som drar dem mot kärnan.

När vi kommer till guld och kvicksilver, atomnummer 79 och 80, går elektronerna så fort att relativitetsteorin måste tillämpas för att förklara varför ämnena ser ut som de gör.

För kvicksilvrets del har den relativistiska effekten gjort att ämnet är flytande vid rumstemperatur, till skillnad från sina grannar i systemet.

Guld har i sin tur blivit gult, som den enda metallen med den färgen. Bägge grundämnen passar in i systemet rent kemiskt, men fysiskt sticker de ut.

Problem i grupp tre

Den kanske största konflikten i den periodiska systemdesignen handlar om den ständigt problematiska grupp tre, och de två raderna som är förvisade till en evig tillvaro lite utanför.

För att förstå varför de har hamnat där måste vi tala lite om elektronskalkonfiguration.

I de övre raderna går allt intuitivt och smidigt till. Grundämnena fyller elegant upp elektronskalen, från insidan till utsidan. Det fungerar utomordentligt väl, åtminstone ett tag.

Elektronskalen är uppdelade i så kallade orbitaler. Vi kan tänka på orbitalerna som olika zoner reserverade för elektroner med olika energinivåer, vilket onekligen gör saker och ting lite mer invecklade.

När vi kommer till grundämne nummer 57, lantan, dyker det upp en ny orbital, f-orbitalen.

För att få allt att gå ihop och för att undvika att periodsystemet blir ohanterligt brett har man vidtagit drastiska åtgärder. 15 grundämnen i period sex och 15 grundämnen i period sju har placerats i sin egen klunga under resten av periodsystemet, även om de strikt taget hör hemma inuti själva huvudsystemet.

Förvisade!

Lantanoiderna och aktinoiderna placeras oftast under det periodiska ”bordet”, men de tillhör strikt taget hemma i perioderna sex och sju.

Det periodiska systemet där lantanoider och aktinoider är inringade.
Lantanoiderna och aktinoiderna placeras utanför fast dom hör hemma i perioderna sex och sju. Det periodiska systemet där lantanoider och aktinoider är inringade. Bild: Nrk/Tuva Tagseth periodiska systemet

Det visuella utanförskapet är inte det största problemet, även om den nuvarande lösningen inte nödvändigtvis är optimal.

Den stora frågan är vilket grundämne som ska räknas som det första i det så kallade f-blocket.

Ser man på elektronskalkonfigurationen faller det sig naturligt att behålla de två raderna som de är, börjande med lantan och aktinium.

Å andra sidan, om man tittar på egenskaper som atomradie och smältpunkt är det mer lämpligt att börja med lutetium och lawrencium.

Det här spörsmålet har blivit en så pass het potatis att den internationella kemistunionen (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) har tillsatt en arbetsgrupp som ska ta ställning till problemet.

Och när IUPAC talar, då lyssnar vetenskapsvärlden. Det här är trots allt samma folk som bland annat bestämmer om namngivningen av grundämnena.

Lars Öhrström, professor vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg, är en av sex medlemmar i gruppen som har arbetat med det här sedan 2016. Han kan inte säga något om hur långt de är ifrån att göra en rekommendation.

Men Öhrström säger att det bästa argumentet för att göra förändringar i det periodiska systemet är det faktum att f-blocket ibland består av 28 grundämnen, medan det ibland har 30.

Vissa periodiska system placerar lantan och aktinium i grupp tre, strax under skandium och yttrium. Andra system lämnar platserna tomma och hänvisar atomnummer 57 och 89 till f-blocket. Ur ett pedagogiskt perspektiv är det inte tillfredsställande, för att inte säga att det är rent ut sagt förvirrande.

Men Öhrström har också argument för att bevara systemet som det är.

- Det är som med mekanik: en styv och icke-flexibel konstruktion går lättare i kras. Att tillåta lite flexibilitet och tvetydighet kan göra att konstruktionen varar längre. Den nuvarande varianten fungerar bra.

Ett otal varianter

Det periodiska systemet som Dmitrij Mendelejev lade grunden för har med tiden blivit det allmänt accepterade sättet att sortera grundämnen, men det beror inte på att det inte finns några alternativ.

Periodiska system finns i otaliga former, färger, former och grader av noggrannhet. Många är byggda enligt samma princip, fast med olika mönster. Flera är spiralformade, vissa är tredimensionella. Vissa är mycket visuella, andra är oftast bara text och siffror.

Periodiska systemet i form av en snigel.
Theodore Benfeys snigelformade spiralvariant börjar med väte i botten och arbetar sig utåt. Grundämnena som idag finns i f-blocket har egna sina egna bihang, liksom även övergångsmetallerna. Periodiska systemet i form av en snigel. Bild: Theodore Benfeys periodiska systemet
En 3d-representation av ett tvådimensionellt periodiskt system.
Tony Grainger har skapat den här tvådimensionella framställningen av ett tredimensionellt periodiskt system. En 3d-representation av ett tvådimensionellt periodiskt system. Bild: Tony Grainger periodiska systemet
Periodiska systemet i form av en cirkel, eller en pizza.
12-årige Marco Piazzalunga har föreslagit en helt rund variant av det periodiska systemet. Periodiska systemet i form av en cirkel, eller en pizza. Bild: Marco Piazzalunga periodiska systemet

Mark Leach är professor i kemi vid Manchester Metropolitan University, och han har tagit som sin uppgift att samla in så många variationer som möjligt. I internetdatabasen för periodiska tabeller har han för närvarande listat upp drygt tusen olika versioner. Men det betyder inte att han längtar efter permanenta förändringar i det allmänt accepterade periodiska systemet.

- Det periodiska systemet behöver inte förändras. Den nuvarande versionen med perioder och grupper fungerar utmärkt, och allt prat om bättre sätt att göra detta är tomt snack.

Klara bud från Leach där.

Persson vid NTNU är inte riktigt lika kategorisk, men inte heller han tror på någon förändring.

- Det periodiska systemet är ett kraftfullt pedagogiskt instrument, och den version som vi använder nu har med tiden blivit ikonisk. Jag tror inte att det kommer att förändras i läroboken under de närmaste 100 åren. Gamla vanor kan vara svåra att bryta, även i vetenskapens värld.

- Vi använder det för att vi har använt det länge. Det fanns där när vi började.

Denna text är en översättning av NRK:s artikel om det periodiska systemet.