DET PERIODISKE SYSTEMET
| 1 | 18 | ||||||||||||||||
| H | 2 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | He | ||||||||||
| Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||
| Na | Mg | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | Al | Si | P | S | Cl | Ar |
| K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr |
| Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe |
| Cs | Ba | La | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
| Fr | Ra | Ac | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | ? | ? | ? | ? | ? | ? | |||
| Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | ||||
| Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr |
På en måte er det kjemien som er vitenskapenes dronning, fordi den danner grunnlaget for forståelsen av de prosessene som foregår i astronomien, biologien, psykologien og de andre vitenskapene, og beskriver hva de tingene som deltar i prosessene består av og hvordan de er sammensatt. Jeg ble interessert i kjemi i 10-årsalderen, og undringen over å kunne bygge molekyler, leke med symboler, bli kjent med det periodiske systemet og observere forvandlingen av et stoff med veldefinert farge, lukt og andre egenskaper til et helt annet har alltid fengslet meg.
Det at et molekyl bytter ut et par atomer og plutselig ikke er seg selv lenger, men et helt annet stoff, gjerne med vidt forskjellige egenskaper, er et merkelig faktum som ikke minst har betydningen for forståelsen av livets opphav. Det er jo det samme molekylet, bare litt forandret, men det har på en måte byttet lag, omtrent slik en forballspiller får seg ny kontrakt og trøye og går over fra å være Arsenalspiller til å være Liverpoolspiller. Identiteten til et molekyl og en fotballspiller er en flytende ting. Mer om dette i fortellingen om karbon.
Ved å klikke på et av grunnstoffene i det periodiske systemet her over, kommer du til en artikkel med mange interessante opplysninger om det grunnstoffet. Disse artiklene har en gang stått på en BBS, og er derfor litt primitive grafisk. Jeg har valgt å legge dem ut i hvitt på svart for å beholde atmosfæren rundt dem og bruke en skrifttype med lik tegnlengde for at alle molekylmodellene fortsatt skal bli leselige. Etterhvert som jeg oppdaterer filene og legger inn de som mangler vil jeg nok gå over til et mer moderne grafisk tilsnitt, med bl.a. mer vekt på illustrasjoner. Jeg har eksperimentert med et mer brukervennlig opplegg i fila som jeg har lagt ut om litium og setter pris på evt. tilbakemelding om hvilket format som foretrekkes av leserne.
Hver av filene er organisert i seksjoner som viser de forskjellige aspektene av grunnstoffet. De grunnleggende fysiske egenskapene kommer først, deretter en historisk seksjon, også med opprinnelsen til navnet, en geologisk seksjon, den kjemiske seksjonen med underavdelinger for analyse, fremstilling og demonstrasjoner og noen eksempler på viktige forbindelser, deretter seksjoner om biologi og menneskelig utnyttelse av grunnstoffet og til slutt de viktigste kildene. Det er et overordnet mål at artiklene skal være nyttige for kjemielever og kjemilærere på alle nivåer. Du vil finne alle de viktigste faktaene og mange interessante og morsomme opplysninger med et godt utvalg av mer avansert materiale. Jeg setter pris på alle kommentarer og eventuelle korreksjoner til artiklene.
Den observante vil kanskje merke seg at jeg avviker fra det som idag er standard for oppsett av systemet, fordi jeg ikke har hørt noen tvingende grunn til at lantanidene skulle være representert i hovedoppsettet med lutetium og actinidene ved lawrencium. Et annet avvik som vil vise seg i artiklene er at jeg nekter å godta endringen av oksyd til oksid. Dette er en forferdelig smakløs skrivemåte etter min mening, og jeg vil gjerne ha underskriftene til alle som er enige med meg. Disse avvikene gjelder selvsagt bare private skriblerier som disse her, i jobbsammenheng følger jeg standarden. Men jeg mener i det hele tatt at det er for mye unødige nomenklaturendringer i kjemien. De som styrer og steller i IUPAC og den norske ekvivalenten har det tydeligvis godt og finner lite nyttig å henge fingrene i, altså går de løs på språket. Altfor ofte gjøres det vedtak som ikke innebærer noen egentlig forbedring. Det er kanskje ikke tvingende nødvendig at det skal være noen vits i det man gjør i alle deler av livet, men i et slikt utvalg som sitter og skal bestemme hva man skal kalle de forskjellige tingene man driver på med i det daglige arbeidet synes jeg det kan være en fordel.
Folk har arbeidet med kjemikalier omtrent siden de fikk redskaper i hendene. De gamle egypterne, sumererne og kineserne for 5-6000 år siden visste mye om en rekke forskjellige nyttige substanser, hvordan de kunne blande og omvandle dem og bruke dem til forskjellige ting. Den teoretiske bakgrunnen tok det atskillig lengre tid å komme fram til. De greske filosofene var jo utpregede teoretikere, og la på 500-tallet før vår tidsregning det første spede grunnlaget til den teoretiske kjemien. Men de første forsøkene var heller famlende og sto ikke på noen måte i stil til den langt framskredne praktiske kjemien på det tidspunktet. De ville fram til en slags ur-materie, noe som var alle andre tings opphav. Noen gjettet på at alt hadde oppstått av vann, andre at ild var alle tings opphav, mens atter andre mente at alt hadde vokst opp av jord, og så videre. Hadde de spekulert videre på denne tråden hadde de kanskje til slutt kommet fram til kvarker eller superstrenger, hvem vet. Men de skjønte etterhvert at de ikke kunne bli enige om et enkelt urstoff, og som et kompromiss kom de fram til at det var fire urstoffer: jord, vann, luft og ild. De hadde altså en representant for hver av de tre aggregattilstandene: fast, flytende og gassformet, mens ilden representerer de forskjellige energiformene.
Dette systemet med de fire urstoffene eller elementene utviklet seg med tiden til et finurlig og forunderlig idékompleks. Men på siden av dette oppsto det et annet system, grunnlagt på 400-tallet f.v.t. av Leukippos og hans elev Demokritos fra Abdera i Trakia, noe utenfor den vanlige sofistikerte greske kultursfære. De antok at hvis materien kunne deles opp i det uendelige ville materiedelene til slutt bli uendelig små, d.v.s. lik null, slik at materien egentlig ikke kunne eksistere. Derfor mente de at det var en minste udelelig del av alle stoffer som de kalte atom, nettopp fordi den var udelelig. De fikk en tallrik tilhengerskare som kalte seg atomister, og noen av dem mente at også andre ting enn materien besto av atomer, f.eks. lys, musikk, tanker, bevegelse, altså en slags ekstrem kvanteteori. Atomistene mente at det var formen på atomene som bestemte egenskapene til stoffene de var en del av. Særlig hvis vi tenker på atomene deres som molekyler var de jo ikke så langt fra sannheten. Atomteorien ble glemt da de klassiske sivilisasjonene sank i grus, men da Boyle, Newton og Dalton prøvde å få ny forståelse av materiens natur på 16- og 17-hundretallet hadde de god nytte av atomistenes skrifter.
I mellomtiden opprettet Platon det første akademiet i Athen, og den fremste eleven hans, Aristoteles, som vel kanskje var den første som hadde som jobb å være vitenskapsmann, gjorde et arbeid med kunnskapsamling og systematisering som ga ham en veldig berømmelse og respekt, og da han forkastet atomteorien var den dødsdømt for et par tusen års tid. Men han grunnla de fleste av de vitenskapelige hovedgrenene vi kjenner idag og skapte en vitenskapelig metodikk som har vært basis for alt senere vitenskapelig arbeid.
Aristoteles anerkjente læren om de fire elementene, og derfor ble den også grunnlaget for all tenkning om stoffomvandling og stoffenes sammensetning i århundrene som fulgte. Dermed ble den teoretiske kjemien gående og famle i blinde, og den praktiske kjemien fortsatte å utvikle seg atskilt fra den i samsvar med menneskenes daglige behov. Kanskje er dette ikke så dumt, men noen forståelse av materiens og omvandlingenes natur førte det ikke til.
Likevel ble det en del som beskjeftiget seg med kjemiteori. Med utspring i oldtidens Alexandria hvor egypternes store praktiske kunnskaper i kjemi dannet grunnlaget, og med impulser fra hele det hellenistiske verdensriket vokste det fram en klasse av alkymister som svermet rundt de aristoteliske elementteoriene. De fortsatte å spre seg gjennom de senere romerske og arabiske verdensrikene, med tilslutning fra en parallelt voksende alkymistgruppe i Kina. Alkymi er et arabisk ord som stammer fra gresk khemeia, et ord som betyr å helle noe ut eller over i noe, en aktivitet alkymistene drev en del med. De utviklet en del laboratorieutstyr, særlig i forbindelse med destillasjon, og oppdaget enkelte nye stoffer, som av og til kom i praktisk bruk slik at de kunne selge dem for å tjene til livets opphold. Men hoveddelen av arbeidet deres viet de til at mål som aldri ble nådd. Å fremstille gull.
I oldtiden var det kjent like mange metaller som himmellegemer, og derfor forbandt alkymistene dem med hverandre og ga dem de samme symbolene. Merkur var kvikksølv (fortsatt mercury på engelsk), Saturn sink, Mars jern, Jupiter tinn, Venus kobber, Månen sølv og Sola gull. Hvert av himmellegemene styrte sitt metall, og man trodde at metallene spirte og vokste nede i jorda og ble edlere og edlere jo lengre de fikk bli der nede. De håpte å gjenskape denne prosessen i laboratoriet. At de kunne holde på slik i århundre etter århundre er egentlig ufattelig, men det oppsto nok stadig rykter om at den eller den hadde klart det, men tviholdt på hemmeligheten. Målet, som jo også innebar grenseløs rikdom, må også ha virket lokkende.
De grunnstoffene som var kjent i oldtiden var karbon, svovel, jern, kobber, sink, sølv, tinn, gull, kvikksølv og bly, men ingen tenkte på dem som grunnstoffer, de visste ingen grunn til at de ikke skulle kunne forvandles innbyrdes slik som andre stoffer. Blant alle de stoffene alkymistene, med noe hjelp fra gruvearbeidere, oppdaget inntil det 17. århundre var også noen grunnstoffer: fosfor, arsen, antimon, platina og vismut. Alle disse nye metallene innebar litt problemer for verdensbildet, for hvilke planeter styrte dem? Det hjalp litt da Galileo Galilei oppdaget de fire månene til Jupiter, og rundt 1800, da alkymien sto for fall, forsvarte den seg krampaktig ved å vise til Uranus og alle de nye asteroidene som ble oppdaget.
Etter vel overstått middelalder begynte enkelte alkymister å tenke mer selvstendig, og en av dem, Theophrastus Bombastus von Hohenheim, som forståelig nok valgte å kalle seg Paracelsus, skilte lag med dem tidlig på 1500-tallet og grunnla iatrokjemien, som hadde som hovedmål å fremstille legemidler og utforske livsprosessene. Denne grenen ble tilfluktsted for de mer seriøst arbeidende kjemikerne i de neste par århundrene. I 1662 utga den irske naturforskeren Robert Boyle boken "The Sceptical Chemist", hvor han tok avstand fra gullmakeriet og omdefinerte ordet element omtrent slik vi bruker grunnstoffbegrepet idag. Han skjelnet også mellom mekanisk blanding og kjemisk forbindelse. I 1789 revolusjonerte Antoine Laurent Lavoisier kjemien da han utga "Traité élémentaire de chimie", hvor han formulerte grunnstoffdefinisjonen klart og presenterte den første listen over grunnstoffene, innførte kjemiske likninger og en nomenklatur for navngiving av uorganiske stoffer. Dessverre første en annen revolusjon til at han mistet livet i 1793. John Dalton grunnla den moderne atomteorien med sitt verk "System of Chemical Philosophy" i 1807. Han fant ut at grunnstoffene kombinerte seg med hverandre i enkle tallforhold og presenterte den første listen over atomvekter.
Lavoisiers liste over grunnstoffer besto av alt som man til da ikke hadde funnet bestanddeler av. Noen var virkelige grunnstoffer: oksygen, nitrogen, hydrogen, svovel, fosfor, trekull(karbon), antimon, arsen, vismut, kobolt, kobber, gull, jern, bly, mangan, kvikksølv, molybden, nikkel, platina, sølv, tinn, wolfram og sink, ialt 23. Andre var "radikalene" av syrer som man mente inneholdt et grunnstoff: saltsyre(klor), flussyre(fluor) og borsyre(bor). Resten var oksyder som man kunne fremstille salter av og trodde var grunnstoffer, men som faktisk inneholdt grunnstoffer: kalk eller kalsiumoksyd, magnesia eller magnsiumoksyd, barytt eller bariumoksyd (også brukt som navn på andre bariumforbindelser), leirjord eller aluminiumoksyd og kisel eller silisiumoksyd. Ialt anerkjente han altså 31 grunnstoffer. I tillegg inneholdt listen lys og varme (eller caloric som Lavoisier kalte den), som idag ikke regnes som kjemiske grunnstoffer. Forbindelser av de to alkalimetallene natrium og kalium hadde vært kjent siden oldtiden, men siden de liknet ammoniumforbindelsene, som man visste besto av hydrogen og nitrogen, mente han at de ikke var grunnstoffer.
Med Lavoisiers liste og definisjon i hendene ble jakten på nye grunnstoffer intensivert. Allerede samme året fant tyskeren Klaproth to nye grunnstoffer, zirkonium som var "essensen" av mineralet zirkon, og uran, som han i samsvar med gammel tenkemåte oppkalte etter en planet, den nyoppdagede Uranus. Klaproth gjorde det samme i 1803, da han oppkalte grunnstoffet cerium etter den nyoppdagede småplaneten Ceres, og en annen nyoppdaget småplanet, Pallas, inspirerte den engelske kjemikeren Wollaston til å kalle sitt nyoppdagede grunnstoff palladium samme året. I mellomtiden var en rekke "jordarter" eller oksyder som var utvunnet av mineraler undersøkt og funnet å inneholde grunnstoffer: tellur (oppkalt etter jorda selv, igjen var Klaproth på ferde), titan, yttrium, beryllium, krom, vanadium, niob, tantal, rhodium og osmium. Den korniske kjemikeren Humphry Davy innførte elektrolysen, som fra 1807 førte til oppdagelsen av en rekke alkalier og halogener: kalium, natrium, magnesium, kalsium, strontium, barium, jod, litium og brom, mens bor, aluminium og silisium for første gang ble isolert og nye analyser av gamle og nye mineraler førte til oppdagelsen av kadmium, selen, ruthenium og thorium.
Så oppdaget den svenske kjemikeren Carl-Gustaf Mosander lantan i 1839, i et mineral som også inneholdt yttrium. Etterhvert fant man ut at yttriumet heller ikke var rent. Det var startskuddet til et tilsynelatende endeløst arbeide med å separere og isolere sjeldne jordartsmetaller som var nesten identiske i de kjemiske egenskapene. Også lantan viste seg å ha flere bestanddeler. Erbium, terbium, ytterbium, samarium, holmium, scandium, thulium, neodym, praseodym, gadolinium, dysprosium, europium og lutetium kom til mellom 1843 og 1907 etter endeløse serier av fraksjonerte krystalliseringer. Tyskerne Wilhelm Bunsen og Gustav Robert Kirchhoff utviklet lysspektroskopet til et fintfølende analyseinstrument og de og andre kjemikere oppdaget cesium, rubidium, thallium, indium og helium ved hjelp av spektrallinjene.
Det enkle middelalderske systemet med fire grunnstoffer var en saga blott. Allerede listen til Lavoisier var lang som et vondt år, men nå var den mer enn fordoblet. Var det noe system i galskapen i det hele tatt? Johann Wolfgang Döbereiner la merke til at noen av de nye grunnstoffene liknet hverandre. I 1829 stilte han opp noen av de kjemisk like grunnstoffene i triader, hvor atomvekten og de fysiske egenskapene til det midtre grunnstoffene lå omtrent midt mellom de to andre: litium-natrium-kalium, kalsium-strontium-barium, nitrogen-fosfor-arsen, svovel-selen-tellur og klor-brom-jod for eksempel. Men de kjemiske grunnstoffene var ikke så pent organisert i grupper på tre og tre, kjemikerne kom etterhvert overens om at magnesium hørte med til kalsiumgruppen, antimon og vismut til nitrogengruppen, oksygen til svovelgruppen og fluor til klorgruppen. Noen av de mest karakteristiske gruppene fikk egne navn, halogener, alkalier (alkalimetaller), alkaliske jordarter (eller jordalkalimetaller), sjeldne jordarter m.m.
I 1862 plottet Alexandre-Émile Beguyer de Chancourtois grunnstoffene på en sylinder etter atomvekten og fant at variasjonene i egenskaper gjentok seg i serie med 16 atomvektenheter mellom de letteste grunnstoffene. Han kalte systemet "den telluriske spiralen". I 1864 arrangerte J.A.R. Newlands de 7 første grunnstoffene på rekke som tonene på en kromatisk skala og fortsatte med nye rekker på 7 under denne rekken. Dermed fikk han loddrette rekker med grunnstoffer som liknet hverandre og formulerte dette som noe han kalte loven om oktaver. Dessverre fungerte dette bare ned til kalsium, siden ble det bare rot, og arbeidet hans ble forkastet av tidsskriftet han hadde prøvd å få det inn i. I 1869 merket Dimitrij Ivanovitsj Mendelejev seg at grunnstoffenes valens steg og sank i perioder. Han organiserte dem i en tabell hvor han grupperte dem loddrett etter hovedvalensen: 1(H,Li,Na,K,Cu,Rb,Ag,Cs,Au), 2(Be,Mg,Ca,Zn,Sr,Cd,Ba,Hg), 3(B,Al,Y,In,La,Tb,Er,Tl), 4(C,Si,Ti,Zr,Sn,Pb), 5 eller -3(N,P,V,As,Nb,Sb,Ta,Bi), 6 eller -2(O,S,Cr,Se,Mo,Te,W), 7 eller -1(F,Cl,Mn,Br,I) og 8(Fe,Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Os,Pt). Dermed løste han problemet til Newlands ved at han lot de senere periodene være lengre enn de første. Systemet var flott og oversiktlig, men mange var skeptisk, bl.a. fordi han hadde byttet om rekkefølgen til noen av grunnstoffene, f.eks. kom jod i systemet hans etter tellur, som har høyere atomvekt, og systemet stemte dårlig i gruppe 8. Han måtte også lage noen tomme plasser i systemet for å få det til å stemme og var dristig nok til å forutsi egenskapene til de manglende grunnstoffene utfra Döbereiners triadeprinsipp. Han kalte bl.a. de to manglende stoffene i gruppe 3 eka-bor og eka-aluminium og det i gruppe 4 eka-silisium. Gallium ble oppdaget i 1875 og viste seg å stemme forbløffende overens med ekaaluminium og det samme skjedde med scandium (ekabor) i 1879 og germanium (ekasilisium) i 1886. Dette var en stor suksess for det periodiske systemet, og det ble akseptert i vide kretser, men det som ennå kastet en skygge av tvil var alle disse nye lantanideoppdagelsene som strømmet inn. Det ble trangt om plassen i gruppe 3.
En ting som ikke var noe problem var de oppdagelsene som ble gjort ved William Ramsays laboratorium i slutten av århundret, en serie gasser som var vel så edle som platinametallene og ble plassert i gruppe med dem: argon, neon, krypton og xenon. Oppdagelsen av radioaktiviteten i 1896 førte også til en rekke nye grunnstoffer som fant sin plass i systemet: radium, polonium, actinium, radon og senere protactinium. Eksperimenter med røntgenstråler viste at atomnummeret ikke bare anga rekkefølgen av grunnstoffene, men også kjerneladningen. Dermed kunne man måle seg fram til at det manglet grunnstoffer med en ladning på 43, 61, 72, 75, 85 og 87 enheter. På 1920-tallet fant man hafnium (72) og rhenium (75) ved grundig finkjemming av mineraler. Mer finkjemming fulgte for å finne grunnstoffene som manglet i posisjon 43 og 61, men det ville ikke lykkes. Siden 85 og 87 manglet i de naturlige radioaktive seriene ventet man ikke å finne dem i naturen.
Nå hadde man funnet ut at atomkjernene ikke var så udelelige som navnet tilsier allikevel. I 1919 utførte Ernest Rutherford den første kunstige kjernereaksjonen ved å bombardere nitrogen med alfapartikler og lage oksygen. Slike bombarderinger skulle det bli mye av i tiden som fulgte, og rekkevidden av kjernereaksjonene ble også utvidet med forskjellige metoder for å akselerere prosjektilene. Slike metoder ble brukt for å fremstille technetium (43) i 1937, det første kunstige grunnstoffet, samt francium (87) i 1939 og astat (85) i 1940. Da hadde det allerede lenge pågått eksperimenter for å finne ut om det kunne finnes grunnstoffer også hinsides uran, såkalte transuraner. Problemet var at når man bestrålte uran med nøytroner for å få tyngre kjerner ble det dannet en mengde lette kjerner i stedet. Det viste seg at uranet spaltet seg. Og beregninger viste at uante mengder energi ble frigjort i prosessen. Dermed ble kjernekjemikerne brått uhyre betydningsfulle mennesker og begynte å spille en rolle i storpolitikken.
Ved hjelp av partikkelakseleratorer fremstilte man neptunium og plutonium i 1940 og deretter curium i 1944. Nøytronbestråling i reaktorer ga americium i 1944 og californium og berkelium i 1949. Promethium (61) ble endelig funnet i 1945 i fisjonsprodukter fra en atomreaktor. Einsteinium ble funnet i 1952 og fermium i 1953 i avfallet etter en kjernefysisk prøvesprenging, de var også dannet ved opptak av nøytroner. Men fermium har en isotop som ikke tåler nøytroner, derfor overtok akseleratorene igjen i grunnstoffsyntesen. De store supermaktene kappet med hverandre om å bygge de største syklotronene og de lengste lineære akseleratorene, men de nye grunnstoffene ble stadig mer ustabile og ble produsert i stadig mindre mengder. Mendelevium kom i 1955, nobelium i 1958, lawrencium i 1961, rutherfordium i 1964, dubnium i 1967, seaborgium i 1974, bohrium i 1976, meitnerium i 1983 og hassium i 1984. De som er oppdaget siden har ennå ikke fått noe navn, det er nr. 110 som kom i 1994, nr. 111 som kom i 1995, nr. 112 som kom i 1996 og 114, 116 og 118 som alle kom i 1999, et år som dermed hittil har gått opp på en delt 5.-plass i antall grunnstoffoppdagelser, bare 1808 (B, Mg, Ca, Sr, Ba), 1898 (Ne, Kr, Xe, Po, Ra), 1879 (Sc, Sm, Ho, Tm) og 1886 (F, Ge, Gd, Dy) går foran. 1803 (Rh, Pd, Ce) og 1940 (At, Np, Pu) deler 5.-plassen.