Elementa: Att organisera världens byggstenar

Många minns säkert planschen med det periodiska systemet från skoltidens kemilektioner. De flesta har förmodligen inte ägnat det mycket tanke sedan dess. Det är i så fall en förlust, menar Sten Niklasson, ty bakom rutorna och tecknen ligger flera hundra år av epokgörande forskningsarbete av personer med märkliga livsöden.

Många läsare minns säkert från skoltidens kemilektioner den stora plansch på väggen som innehöll mängder med rutor fyllda med underliga bokstavskombinationer och siffror. Lärarens förklaringar av det som kallas ”det periodiska systemet” kanske gick en och annan elev förbi. Det var i så fall en förlust, ty bakom rutorna och tecknen ligger flera hundra år av epokgörande forskningsarbete av personer med märkliga livsöden.

Ett varningens ord är nu på sin plats. De följande tre styckena kan utgöra en uppförsbacke för den läsare som anser att fysik och kemi är lika stimulerande som en regnig måndagsmorgon. Men håll ut! Det kan löna sig.

Det periodiska systemet är ett sätt att beskriva egenskaperna hos grundämnen. Ett grundämne består av atomer av samma slag. Kärnan i en atom innehåller oladdade neutroner och positivt laddade protoner. Antalet protoner bestämmer ett grundämnes identitet och ger dess ”atomnummer” och därmed dess plats i systemet. Antalet neutroner i samma grundämne kan däremot variera, och varianterna brukar kallas ”isotoper”. Många grundämnen består av atomer i form av två eller flera isotoper, vilka var och en identifieras ett särskilt nummer vid beteckningen på grundämnet. Antalet protoner plus antalet neutroner utgör ”masstalet”. Varje ruta i det periodiska systemet innehåller en förkortning av grundämnets namn, till exempel Ra för radium, dess atomnummer, i radiums fall 88, samt dess atommassa, det vill säga i detta exempel 226. Det var den svenske kemisten Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) som gav de då kända grundämnena korta beteckningar med bokstäver, en praxis som fortfarande tillämpas.

I en stabil eller elektriskt neutral atom är kärnan omgiven av ett moln eller hölje, som innehåller samma antal negativt laddade elektroner som antalet positivt laddade protoner i kärnan. Om elektronantalet avviker från antalet protoner i kärnan, blir atomen en ”jon”. Atomer som har ett underskott av elektroner i sitt omgivande hölje strävar efter att förena sig med atomer i andra grundämnen som har ett överskott och vice versa. Det är denna reaktionsprocess som ger upphov till kemiska föreningar. Vissa grundämnen, till exempel helium och ädelgaser som neon, argon, radon och xenon, har en balanserad uppsättning av protoner och elektroner och reagerar därför ytterst motvilligt med andra ämnen, medan till exempel kalcium med sina två extra elektroner ofta lierar sig med ämnen som behöver komplettera sina atomer med två elektroner, som till exempel syre.

Vissa ämnen har atomkärnor som spontant sönderfaller i andra ämnen under avgivande av radioaktiv strålning. Halveringstid är den tid, efter vilken hälften av en given mängd av ett radioaktivt grundämne har sönderfallit. Halveringstiden kan variera mellan bråkdelar av en sekund till miljarder år.

Med denna knastrigt docerande, men viktiga, basinformation kan finesserna med det periodiska systemet förhoppningsvis lättare uppskattas.

En av de pionjärer som bidrog till skapandet av det periodiska systemet är numera bäst känd som uppfinnare av den gasbrännare som de flesta svenska skolelever har skruvat på under kemilektionerna. Den tyske kemisten Robert Bunsen (1811-1899) inledde sin karriär med att studera grundämnet nummer 33 As, arsenik, som sedan antiken haft ett grundmurat rykte som effektivt gift.*

Det som tillförsäkrade Bunsen en plats i vetenskapshistorien var emellertid inte hans analys av arsenik utan uppfinningen av spektroskopet, det vill säga den apparat som gör det möjligt att studera ett ämnes färgspektrum när det hettas upp. Upphettningen stimulerar elektroner att ”hoppa” till en högre energinivå i partikelmolnet runt atomkärnan. När de sedan faller tillbaka till en lägre nivå, avges energi som elektromagnetisk strålning. En del av denna strålning kan genom ett prisma ses som linjer av ljus i olika färger. Varje grundämne har sitt unika linjespektrum, med vars hjälp man kan avgöra ämnets identitet.

Det var problemet att hetta upp ämnet tillräckligt som Bunsen löste genom att förse en gammaldags gaslampa med en ventil, med vilken man kunde reglera syremängden och därmed förvandla den gulaktiga flamman till en het blå gaslåga. Bunsenbrännaren var därmed född, och med dess hjälp inleddes ett intensivt letande efter grundämnen med spektroskopi. Bunsen själv deltog för övrigt i upptäckten av två nya grundämnen, nummer 55 Cs, cesium, och nummer 37 Rb, rubidium. Ordet cesium kommer från latinet och betyder djupblå, vilket var den färg Bunsen upptäckte i dess spektrum. Efter att ha destillerat 40 ton (!) vatten från en mineralrik källa, fick han till slut fram 17 gram av det nya ämnet. Namnet rubidium kommer från det latinska ordet för mörkröd, rubidus. Som ett kuriosum kan nämnas att isotopen Rb87 beräknas ha en halveringstid om 49 miljarder år, vilket är tre gånger mer än universums beräknade ålder. Det kan man kalla stabilitet!

Robert Bunsen trodde inte själv på att indela grundämnena med utgångspunkt i deras spektrallinjer, men insåg i alla fall behovet av att organisera dem på ett allmängiltigt och begripligt sätt. Kring sig samlade han en rad begåvade unga forskare med uppgift att kartlägga släktskapsförhållandena bland den växande mängden sådana ämnen. En av dessa unga vetenskapsmän hette Dmitri Mendelejev.

Mendelejev (1834-1907) föddes i Sibirien som den yngste bland fjorton syskon. Hans företagsamma mamma, som ensam fick bära det tunga ansvaret för familjens försörjning sedan fadern gått bort, insåg efterhand sin sons begåvning och tog honom med sig på en 2 000 km lång resa till häst över Uralbergen till Moskva, där emellertid universitetet avvisade Dmitri som utsocknes. Modern gav sig inte utan red vidare med Dmitri till Sankt Petersburg, där universitetsledningen visade sig mera välvillig. Trött och sjuk av sina umbäranden, avled hon en kort tid efter det att sonen skrivits in vid kemifakulteten.

Mendelejevs akademiska karriär fick en skjuts, när han efter några år sökte sig till Bunsens laboratorium i Heidelberg. Men personkemin stämde inte mellan den buttre och vresige ryssen och den livlige och utåtriktade Bunsen. Mendelejev åkte tillbaka till Sankt Petersburg för att tillträda en professur, och det var där han 1869 presenterade det berömda periodiska system, för vilket han tillskrivs äran.** Mendelejevs storhet var den djärva spådomen att de tomma rutor han lämnat i sitt system skulle komma att fyllas med ännu inte upptäckta grundämnen.

Mendelejev uppträdde med tiden alltmer besynnerligt. Möjligen steg berömmelsen honom åt huvudet. Han var gift med Feozva Leshcheva men blev 1876 blixtförälskad i en annan kvinna vid namn Anna Popova. Efter intensiv uppvaktning friade han med hotet att ta livet av sig om hon svarade nej. Efter att ha övervunnit hennes begripliga tvekan – han var fortfarande gift med Feozva – och ha mutat en präst, ingick han och Anna äktenskap. Den ortodoxa kyrkan rasade. Enligt dess regler skulle Mendelejev ha väntat med att gifta om sig tills sju år förflutit från det att äktenskapet med Veozva upplösts. Men ingen vågade ingripa mot den berömde vetenskapsmannen. Till slut nådde klagomålen över Mendelejevs bigami självaste tsaren som påstås ha svarat: ”Jag vet att Mendelejev har två fruar, men jag har bara en Mendelejev.”

Skandalen bidrog till att Mendelejev aldrig invaldes i den ryska vetenskapsakademin. Han avsattes också från sin professur och gjordes till chef för den ryska byrån för mått och vikt, där ett av hans huvuduppdrag blev att utarbeta nya standards för produktionen av vodka. Han nominerades två gånger – 1906 och 1907 – till nobelpriset i kemi, men fick det inte, mest beroende på motstånd från ledamoten av den svenska vetenskapsakademin Svante Arrhenius, vars arbeten han kritiserat.

Mendelejevs periodiska system möttes till en början med skepticism på sina håll. Men när den från början tomma luckan 31 fylldes av det 1875 upptäckta ämnet Ga, gallium, och en annan tom ruta, nummer 38, ett par år senare med ämnet Sr, strontium, ökade acceptansen.

Sten Niklasson är författare och tidigare generaldirektör

Här kan du läsa Elementa del 2.

*Många har fallit offer för giftmord med arsenik. Förgiftningssymptomen liknar maginfluensa med buksmärtor och kräkningar, varför mördarna länge kunde undgå upptäckt i brist på bevis i form av tillförlitliga kemiska analysresultat. I slutet av 1400-talet satte familjen Borgia med påven Alexander VI och dennes barn Cesare och Lucrezia, arsenikmördandet i system. Deras gift gick under namnet Cantarella och utnyttjades bland annat för att ta rika kardinaler av daga, vilkas efterlämnade förmögenhet tillföll kyrkan som dominerades av familjen Borgia.

**2019 kommer UNESCO att hylla 150-årsminnet av Mendelejevs periodiska system. Det sker bland annat genom att uppmärksamma fyra nyupptäckta grundämnen, nämligen nummer 113 Nh, nihonium, nummer 115 Mc, moscovium, nummer 117 Ts, tennessine samt nummer 118 Og, oganesson.