Geschiedenis: Mendelejev en de gaten

In 1869 was ongeveer tweederde van de natuurlijke elementen bekend. Mendelejev liet ruimte voor de rest.

Stel je voor dat je een stapel kaarten sorteert waarvan er een paar ontbreken en niemand je heeft verteld welke. Je zou nog steeds de kleuren en de nummers kunnen neerleggen, en de gaten zouden precies laten zien wat er ontbrak. Dat komt dicht bij wat de Russische scheikundige Dmitri Mendelejev in 1869 met de elementen deed. Hij schreef een scheikundeboek, zette elk bekend element op een kaart met zijn atoomgewicht en eigenschappen, en schoof de kaarten rond tot er een patroon verscheen.

Het systeem van 1869

Op 6 maart 1869 werd Mendelejevs artikel over het verband tussen de eigenschappen van de elementen en hun atoomgewichten voorgelezen aan de Russische Chemische Vereniging in Sint-Petersburg. Mendelejev was afwezig, en zijn collega Nikolaj Mensjoetkin droeg het voor. Het systeem zette de elementen op volgorde van atoomgewicht en plaatste elementen met vergelijkbare scheikunde in dezelfde familie. De Duitse scheikundige Lothar Meyer publiceerde in 1870 onafhankelijk een heel vergelijkbare indeling, en in 1882 gaf de Royal Society of London de Davy Medal aan beide mannen.

Wat Mendelejev onderscheidde, was dat hij het patroon meer vertrouwde dan de lijst van bekende elementen. Paste het volgende element naar gewicht niet in de familie waaronder het zou vallen, dan liet hij een lege plek en nam aan dat er een element ontbrak. Hij wisselde ook een paar elementen om uit gewichtsvolgorde als hun scheikunde dat eiste. Telluur is zwaarder dan jood, maar jood hoort duidelijk bij chloor en broom, dus hij zette telluur eerst. Later werk liet zien dat de ware volgorde op atoomnummer is, en daarop had hij gelijk.

Voorspellingen die uitkwamen

Mendelejev beschreef de ontbrekende elementen in detail, vooral in 1871, met het voorvoegsel eka, Sanskriet voor "één", in de betekenis "één plek verder". Eka-aluminium zou een atoomgewicht rond 68 en een dichtheid van 5.9 g/cm³ moeten hebben. In 1875 vond Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran gallium, atoomgewicht 69.7 en dichtheid 5.91 g/cm³. Eka-boor, rond 44, bleek scandium te zijn, in 1879 gevonden door Lars Fredrik Nilson. Eka-silicium werd voorspeld op ongeveer 72 met een dichtheid van 5.5 g/cm³. Clemens Winkler vond germanium in 1886: 72.6 en 5.32 g/cm³.

Vooral het germaniumresultaat overtuigde scheikundigen dat het systeem meer was dan een handig archiefsysteem: het kon voorspellen. Niet elke voorspelling werkte. Mendelejev had geen plek voor de edelgassen, die niemand vermoedde tot argon in 1894 werd gevonden, en hij voorzag de lange reeks lanthaniden niet. De verklaring waarom het patroon bestaat, kwam pas in de 20e eeuw. In 1913 toonde Henry Moseley met röntgenstralen aan dat elk element een geheel atoomnummer heeft, en de rangschikking van elektronen in schillen verklaarde waarom eigenschappen zich herhalen.

Het systeem is nu compleet tot het eind van periode 7. In 2016 keurde de IUPAC de laatste vier namen goed: nihonium (113), moscovium (115), tennessine (117) en oganesson (118). Nihonium werd gemaakt aan het RIKEN-instituut in Japan, het eerste element dat in een Aziatisch land werd ontdekt. Deze elementen bestaan fracties van een seconde, maar elk werd in zijn kolom geplaatst voordat het werd gemaakt, net zoals Mendelejev gallium plaatste. Zet het model op "Hoogte: Jaar van ontdekking" en de hoogste tegels vullen de onderste rij.