Periodiek Systeem

Stel: u zit zich op een regenachtige zondagmiddag voor het vensterraam onnoemlijk te vervelen. U zou wel wat willen maken. Een boek schrijven, bijvoorbeeld, of een nieuwe wereld om u heen scheppen. Het schrijven van een boek is een recht-voor-zijn-raap bezigheid: u hoeft slechts de 26 letters van het alfabet in de juiste volgorde zetten. Met spaties en leestekens, weliswaar, maar verder een overzichtelijke taak - het hoeft tenslotte geen bestseller te worden. Het creëren van een nieuwe wereld is niet zo heel veel moeilijker: u laat het Niets eens flink knallen, en voilà: het begin is er. Het enige wat u nu nog moet doen, is het ontstane honderdtal elementen uit het periodiek systeem zó te combineren dat de door u gewenste wereld ontstaat. Elementen zijn atomen die gecombineerd kunnen worden tot moleculen. Om bijvoorbeeld een hondje te bouwen (om mee te spelen), moet u koolstof, waterstof, zuurstof, een vleugje stikstof, en wat metalen in de juiste verhouding mengen en op de juiste manier combineren. Met de ingrediënten van het periodiek systeem, de tabel die alle elementen bevat, kunt u letterlijk alles bouwen. Het periodiek systeem is het alfabet van het universum.

Maar bij het bouwen van uw moleculen moet u zich realiseren dat de atomen niet in elke willekeurige volgorde gecombineerd kunnen worden - zoals ook niet elke lettercombinatie een woord oplevert: er bestaan in het Nederlands ongeveer 5 miljoen woorden, en ruwweg 20 miljoen moleculen op aarde. Hottentottententententoonstelling is weliswaar een woord dat uit veel (33) letters bestaat, maar de meeste moleculen bestaan uit veel meer atomen. Het hemoglobinemolecuul dat zuurstof transporteert in uw lichaam bestaat bijvoorbeeld uit koolstof (symbool: C), waterstof (H), stikstof (N), zuurstof (O), zwavel (S) en ijzer (Fe), in de verhouding: C2952H4664N812O832S8Fe4, dus in totaal 9272 atomen.

Het leuke van moleculen bouwen, is dat u steeds nieuwe kunt maken zolang u zich maar aan een paar simpele regels houdt: koolstof wil bijvoorbeeld graag 4 bindingen aangaan, waterstof maar 1. Chemici doen dat graag: nieuwe moleculen bouwen. Zo bouwden ze in 1985 een hele kleine 'voetbal' van 60 koolstof atomen (ongeveer 1 nanometer groot), en zijn vele onderzoeksgroepen op zoek naar betere materialen opgebouwd uit nieuwe moleculen. Die zoektocht houdt nooit op, want er zijn letterlijk oneindig veel mogelijkheden voor moleculaire ontwerpen.

Eeuwenlang dacht de mensheid dat alles opgebouwd was uit 5 elementen: water, lucht, vuur, aarde en ether, zoals bepaald door Aristotoles. Dit duurde tot de 18e eeuw, toen Lavoisier water wist te maken uit waterstof en zuurstof, en ook water dissocieerde in diezelfde twee elementen. Hij liet zien dat waterstof en zuurstof echte, ondeelbare elementen zijn. Lavoisier deed de eerste kwantitatieve chemische experimenten: hij bewees dat de massa van het zuurstof en het waterstof behouden blijven als ze water vormen. Hij ontdekte, kortom, dat water het ons welbekende H2O is. Verder liet hij zien dat ook het tweede Griekse element, lucht, geen echt element is, en eigenlijk uit zuurstof en stikstof bestaat. Met de analyse van het Griekse element 'vuur' had Lavoisier duidelijk grotere moeite. Hij bedacht uiteindelijk dat vuur zou bestaan uit de 'elementen' licht en warmte. Tegenwoordig weten wij dat een vlam bestaat uit hete moleculen en atomen die licht uitzenden. Desondanks is het duidelijk dat Lavoisier en zijn tijdgenoten met hun ingenieuze experimenten het bestaan van elementen bewezen: de kleinste bouwstenen van de wereld die niet eenvoudig opgedeeld kan worden in onderdelen.

Naast de bovengenoemde gassen bevatte de verzameling elementen ten tijde van Lavoisier de metalen zoals lood, koper, zilver en goud, de zogenaamde halfgeleiders zoals silicium en koolstof, alsook de stoffen zwavel en fosfor. Het was destijds al duidelijk dat sommige elementen heel veel op elkaar lijken wat betreft hun verschijningsvorm (gas, vaste stof, metaal) en voorkeur voor het aangaan van verbindingen met andere elementen, maar het hoe en waarom hiervan was niet duidelijk.

Het antwoord kwam toen Dmitri Mendeleyev op 17 Februari 1869 naar bed ging, en de oplossing droomde voor dit probleem: hij bracht orde in de chemische elementen. Hij rangschikte de op dat moment bekende elementen in een tabel. Dat lukte hem wonderbaarlijk goed - er is in essentie niets veranderd aan de tabel zoals die door Mendeleyev destijds geformuleerd werd.
Het is veelzeggend dat het periodiek systeem der elementen bij elkaar is gedroomd.
Chemicus Primo Levi - jood en overlevende van Auschwitz - schreef zijn levensverhaal aan de hand van het periodiek systeem. Zijn worsteling met de elementen gebruikt hij als allegorie voor zijn leven, met grote successen en diepe dalen. In de donkere dagen van het fascisme was chemie zijn houvast. Levi zei over Mendeleyev's tabel: '...dat je het stoffelijke moet begrijpen om het heelal en jezelf te kunnen begrijpen; en dat daarom het periodieke systeem van Mendeleyev poëzie is, verhevener en grootser dan alle gedichten die we op het lyceum hadden doorgeworsteld: als je goed toekijkt rijmt het zelfs!'. Chemici - het moge duidelijk zijn - zijn de romantici onder de beta-wetenschappers. De suspecte oorsprong van de chemie - de alchemie - berust dan ook in de droom om lood in goud te veranderen. Achteraf gezien blijkt die droom overigens nog niet eens zo heel gek: de twee elementen staan slechts drie plekjes van elkaar verwijderd in het periodiek systeem.

Tot het moment dat Mendeleyev zijn periodiek systeem voorstelde, was het gebruikelijk om de elementen te ordenen naar hun gewicht. De ordening van de elementen zoals voorgesteld door Mendeleyev berust erop dat hij elementen met oplopende massa naast elkaar zette en op bepaalde plaatsen de regel afkapte en op de volgende regel verder ging. Elementen met dezelfde eigenschappen kwamen daardoor in een kolom pal onder elkaar terecht ('groepen'), ondanks hun grote verschil in gewicht. Deze periodiciteit (vandaar de naam 'periodiek systeem') van de eigenschappen van de elementen maakt de ordening van Mendeleyev zo geniaal: Het element silicium (Si) staat bijvoorbeeld pal onder koolstof (C); deze twee elementen hebben veel gemeen en staan daarom in dezelfde groep in het periodiek systeem. De volgende keer dat u zich voor het vensterraam verveelt, zou u daarom eens kunnen proberen een hondje te maken dat gebaseerd is op silicium, in plaats van koolstof, zoals de ons bekende hondjes. En een computer van koolstof. Science fiction schrijvers doen dit al jaren.

Het periodiek systeem is verbluffend staaltje van chemische intuïtie. Mendeleyev's ordening was niet alleen beschrijvend, maar ook voorspellend: Aan de hand van het periodiek systeem is te voorspellen of, en zoja hoe, bepaalde elementen met elkaar zullen reageren. In ieder scheikundelokaal hangt dan ook het periodiek systeem aan de wand, en menig chemicus kent het periodiek systeem uit zijn hoofd. De systematiek is zo dwingend, dat Mendeleyev een plaatsje vrij hield voor onder andere de elementen Gallium en Germanium, die ten tijde van zijn eerste versie van periodiek systeem nog niet bekend waren. Hij voorspelde feitelijk het bestaan van die twee elementen, die later inderdaad ontdekt werden. Andere elementen die oorspronkelijk witte vlekken waren in het periodiek systeem komen niet van nature op aarde voor, omdat ze spontaan uit elkaar vallen. Ze verworden op die manier tot andere elementen. Het eerste door mensen gemaakte element dat niet op aarde voorkwam, is Technetium (van het griekse 'kunstmatig'). Technetium is gemaakt door zijn lichtere broertje Molybdeen met supersnelle neutronen te bestoken uit een deeltjesversneller. Op diezelfde manier zijn er in de loop van de jaren nog zo'n twintigtal kortlevende elementen geproduceerd, waarvan er één de toepasselijke naam 'Mendelevium' kreeg.

Het intuïtieve karakter van Mendeleyev's periodiek systeem, en de brille van zijn inzichten zijn evident als we ons realiseren dat het nog zo'n 50 jaar duurde voordat de ordening van Mendeleyev volledig kon worden verklaard Het periodiek systeem volgt eenvoudig en logisch uit de opbouw van atomen: De verschillende elementen verschillen in de hoeveelheid van drie bouwstenen waaruit ze zijn opgebouwd: neutronen, protonen en elektronen. De atoomkern bestaat uit neutronen en positieve protonen. Elektronen zijn negatief geladen, en draaien vliegensvlug om de positieve kern. De quantummechanica dicteert echter dat de electronen maar een beperkt aantal banen kunnen innemen, de zogenaamde schillen om de kern. Atomen met dezelfde hoeveelheid electronen in de buitenste schil hebben dezelfde chemische eigenschappen en verschijnen in het periodiek systeem onder elkaar, in dezelfde groep. Mendeleyev rangschikte zonder het te weten te elementen op dit criterium, hetgeen het visionaire karakter van Mendeleyev's periodiek systeem nogmaals onderstreept.

En goud maken uit lood? Dat is ondertussen ook gelukt. Met dezelfde deeltjesversnellers waarmee Technetium is gemaakt. Dat kost weliswaar meer dan het oplevert in waarde van het goud, maar is een onbetaalbaar wetenschappelijk kunststuk. Probeert u het zelf maar eens, als u zich weer verveelt.

geschreven door Micha Bonn op 25-05-2007