Iedereen kent de tabel van Mendelejev. Wie was haar geestelijke vader? En staat zijn periodiek systeem van de elementen na honderdvijftig jaar nog altijd pal overeind, of is het einde van de Moeder aller Tabellen nabij?
De tabel van Mendelejev is twee keer jarig. De eerste keer was op 16 februari. Een populair wetenschapsverhaal wil dat Dmitri Ivanovitsj Mendelejev (1834-1907) anderhalve eeuw geleden op die dag wakker werd uit een inmiddels welbekende droom. In de droom zag hij zijn Periodiek Systeem van de Elementen voor zich. Of toch zijn versie ervan – zoals zoveel wetenschappelijke doorbraken is dit geen verhaal van één man die helemaal uit het niets een Steen der Wijzen presenteerde.
Mendelejev klopte aan de deur van de wetenschappelijke vooruitgang op een moment dat in de scheikunde chaos regeerde. Het was een tijdvak waarin meer vragen waren dan antwoorden, en er kwamen er alleen maar bij. Neuroloog-wetenschapshistoricus Oliver Sacks vatte het later zo samen: ‘Sinds de 18de eeuw al was de chemie aan het ontbolsteren vanuit haar wortels in de alchemie. Deels door het voortdurend ontdekken van nieuwe elementen: niet minder dan veertig, tussen 1735 en 1826.’
Tot voor die tijd kenden geleerden slechts negen elementen. ‘Koper, zilver, goud en al die andere die al in de oudheid of in de middeleeuwen geïdentificeerd waren’, schrijft Sacks. ‘Daar kwamen dan in een ijltempo fosfor, chloor, broom, jodium bij, en noem maar op. Elke scheikundige zat met de handen in het haar. Want hoeveel elementen waren er nu eigenlijk? Zou hun aantal onbeperkt zijn? Waren ze op een of andere manier met elkaar verwant? En als dat zo was: hoe konden ze dan worden gerangschikt en geordend?’
Dmitri Mendelejev werd drie keer genomineerd voor de Nobelprijs. Steeds bleef de beloning uit.
Ook Mendelejev worstelde met die chaos. Als jonge docent anorganische scheikunde vond hij maar geen geschikt handboek. Hij schreef er dan maar zelf een, dat in 1861 in Rusland bekroond werd met de prestigieuze Demidov-prijs. Tussen 1868 en 1871 werkte hij aan een tweede handboek: Osnovy khimii, of De principes van de scheikunde. Zijn collega’s hadden niet stilgezeten. In 1862 al publiceerde de Franse geoloog Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois een voorloper van de tabel. Alleen had zijn zogenoemde tellurische helix twee problemen. Ze bleek niet toepasbaar te zijn voor alle elementen. En door zijn vormgeving was hij sowieso veel te onhandig in het gebruik. Je moest hem oprollen tot een cilinder.
De Britse scheikundige John A.R. Newlands stootte op een andere drempel. Zijn periodiek systeem klopte als een bus. Dat gaven zelfs critici toe die het om allerlei academische en andere redenen toch al op hem hadden gemunt. Maar Newlands reikte hen onbewust zelf de bekende stok aan om de hond te slaan. Bepaalde eigenschappen van elementen, stelde hij, komen terug met een regelmaat. Met, kort samengevat, tussenpozen van acht elementen. Om die reden gaf Newlands zijn systeem de naam ‘Wet van de Octaven’, naar de muziekterm. ‘En hoe kun je een wet met zo’n frivole naam nu wetenschappelijk ernstig nemen?’ schamperden zijn tegenstanders.
Newlands presenteerde zijn Wet op 1 mei 1866 tijdens een lezing voor de Chemistry Society, de voorloper van de huidige Royal Society of Chemistry. Die weigerde het te publiceren, met als wel heel bizarre argumentatie dat ‘dergelijke theoretische beschouwingen te controversieel zouden kunnen zijn.’
Fascinatie die maar niet vervaagt
Dat brengt ons bij de tweede verjaardag van het schema dat we allemaal kennen uit de les scheikunde: het Periodiek Systeem van de Elementen. Op 6 maart 1869 maakte ook Mendelejev zijn tabel openbaar. Dat deed hij met een presentatie voor het overkoepelend Russisch Scheikundig Genootschap, vandaag wereldwijd bekend onder zijn Engelse benaming: de Mendeleev Russian Chemical Society.
Op 6 maart 1869 maakte Mendelejev zijn tabel openbaar
De tabel had succes. Anders dan de pogingen van collega’s van Mendelejev steunt ze op twee pijlers. Enerzijds is er de overzichtelijkheid en het gebruikscomfort, anderzijds het gegeven dat ze toelaat voorspellingen te doen over de eigenschappen van bestaande en nog te ontdekken elementen. Mendelejev was zelf alvast zo vooruitziend om plekken open te laten voor die toekomstige nieuwe vondsten. Linus C. Pauling liet er weinig twijfel over bestaan in zijn vandaag nog steeds gebruikte bijdrage in de Encyclopaedia Britannica: ‘Zijn systeem is van onschatbare waarde geweest voor de ontwikkeling van de scheikunde. Pas in het tweede decennium van de 20ste eeuw volgde de erkenning dat de volgorde van de elementen in het periodieke systeem samenhangt met hun atoomnummers.’
Waarmee de Amerikaanse scheikundereus aangaf dat Mendelejev op het moment zelf niet de waardering oogstte die hij verdient. Zelf kreeg Pauling twee keer de Nobelprijs, waaronder in 1954 voor Scheikunde. Mendelejev werd daarvoor wel tot drie keer toe genomineerd, maar de bekroning bleef uit. Vandaar dat zijn naam ontbreekt in het impressionante lijstje prille Nobelprijswinnaars met onder meer Wilhelm Röntgen (Natuurkunde, 1901), Pierre en Marie Curie en Antoine Becquerel (Natuurkunde, 1903) en Ivan Pavlov (Geneeskunde, 1904). Geen van hen kreeg dan weer een laatste groet zoals Mendelejev, nadat hij op zijn 72ste overleed aan griep. Zijn studenten begeleidden hem naar zijn laatste rustplaats met grote plakkaten in de hand. Met daarop een afbeelding van, inderdaad, de tabel.
'De tabel was een kruiswoordraadsel waarvan je de tips zowel horizontaal als verticaal kon lezen'
De tabel blijft lang na zijn dood fascineren. De al aangehaalde Oliver Sacks werd wereldberoemd met boeken als Ontwaken in verbijstering, De man die zijn vrouw voor een hoed hield en Een antropoloog op Mars. Minder bekend is dat hij een groot bewonderaar is van Mendelejev, aan wie hij in 2001 een essay wijdde. ‘Of je nu dacht in termen van verticalen of horizontalen, je kwam altijd in hetzelfde rooster terecht. Het was als een kruiswoordraadsel waarvan je de tips zowel van boven naar beneden als zijwaarts kon lezen’, schreef hij over de tabel in De tuin van Mendelejev.
Met dat verschil, natuurlijk, dat een kruiswoordraadsel arbitrair is. ‘Een puur menselijke constructie’, aldus Sacks. ‘Terwijl de periodieke tabel een diepere orde in de natuur weergaf, want het toonde alle elementen in hun fundamentele relatie met elkaar. Ik had het gevoel dat het een geweldig geheim in zich hield, maar het was een cryptogram zonder sleutel — waarom was dit zo? De nacht na het bekijken van de periodieke tabel kon ik amper slapen van opwinding: het leek me een ongelofelijke verwezenlijking om het ruime en schijnbaar chaotische universum van de scheikunde in een allesomvattende volgorde te plaatsen.’
Botsautootje met atoomkernen
‘De grootste verdienste van Mendelejev is dat hij een systematische classificatie heeft uitgedokterd’, bevestigt fysicus Piet Van Duppen van het departement Kern- en Stralingsfysica aan de KU Leuven. ‘Tot dan slaagden chemici er niet goed in een zekere logica te ontdekken in de eigenschappen van de verschillende stoffen. Dankzij de tabel lukte dat plots wel. Een revolutionair idee waar je alleen maar je hoed voor kan afnemen.’
Van Duppen aarzelt niet om de tabel naar een existentieel en haast metafysisch niveau te tillen. ‘Het intrigerende is dat bijna alle elementen in ons lichaam zitten en dat die atomen in de sterren gemaakt zijn. We zijn dus allemaal gemaakt van sterrenstof. Als je bij wijze van spreken naar buiten gaat en je steekt een schop in de grond, dan zal je ongeveer alle elementen opgraven: veel ijzer, weinig goud. Alleen de zwaarste elementen vind je niet op aarde, omdat ze radioactief zijn. Het zwaarste element dat we hier vinden, is uranium: 92 protonen.’
Van Duppens Leuvense collega en chemicus Pieter Thyssen schreef daar in 2016 het volgende over op de website van Eos: ‘Door hun radioactieve karakter komen de transuranen, chemische elementen met een atoomnummer groter dan 92, niet langer voor in de natuur. We ontdekken ze niet met helm en pikhouweel, maar maken ze kunstmatig aan in deeltjesversnellers door botsautootje te spelen met atoomkernen.’ Zo belanden we op het terrein van de kernfysici. Van Duppen: ‘In 2016 voegden wetenschappers nog vier nieuwe elementen toe aan de tabel, onder meer 118, oganesson (Og), genoemd naar mijn Russische collega Joeri Oganessian.’
Op zich is het al uitzonderlijk dat de naam van een levend persoon aan een element wordt gegeven. Laat staan die van een niet-wetenschapper. Al mag dromen natuurlijk altijd, zelfs in de wildste variant. Zo werd begin 2016 een petitie opgestart om een nieuw ontdekt element ‘lemmium’ te dopen. Naar de dan net overleden Motörhead-zanger Lemmy. Een zwaar metaal, een heavy metal, vandaar.
Over de naam van een nieuw element beslist de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Een Verenigde Naties van de Chemie, zeg maar. ‘Om technische en procedurele redenen kunnen we helaas niet ingaan op uw verzoek’, liet het IUPAC de initiatiefnemers van de lemmium-petitie op 8 juni 2016 weten. De keuze viel op moscovium. Naar de regio Moskou, waar de stad Doebna zich bevindt. Daar is het Gezamenlijk Instituut voor Kernonderzoek (Joint Institute for Nuclear Research) gehuisvest. Een tegenhanger van het CERN, waarin onderzoekers het nieuwe element ontdekten. Of beter: waar moscovium (atoomnummer 115) gemaakt is, want het komt niet voor in de natuur.
Maar, gaf het IUPAC de indieners van de petitie een schouderklopje in een officieel communiqué: ‘We juichen hun enthousiasme voor de wetenschap heel erg toe. Het is prachtig om te zien hoeveel belangstelling er overal ter wereld nog steeds is voor het Periodiek Systeem van de Elementen.’
Af of niet?
Moscovium en oganesson zijn twee van de negen nieuwe elementen die sinds 1964 vanuit het Gezamenlijk Instituut voor Kernonderzoek hun weg vonden naar de tabel. Logische slotvraag: zal het periodiek systeem ooit helemaal áf zijn? Mendelejev liet dus hokjes open voor nieuwe elementen. Maar op een bepaald moment schrok hij toch zelf op. Bij de ontdekking in de jaren 1890 van een geheel nieuwe groep elementen, de edelgassen, vroeg hij zich af of hij zich niet had vergist met zijn open einde. Eerst stond hij er sceptisch tegenover en vermoedde hij dat argon, de eerste nieuwkomer, enkel een iets zwaardere vorm van stikstof was. Maar na de ontdekking van achtereenvolgens helium, neon, krypton, xenon en radon was hij overtuigd: het ging wel degelijk om een periodieke groep. Hij had gelijk: zijn tabel was niet af.
Pieter Thyssen, in 2016: ‘De vraag is hoe lang de tabel nog kan blijven groeien. Sommige kernfysici voorspellen dat we nooit verder zullen raken dan element 137. Anderen plaatsen de ultieme grens rond 172 of 173. De afgelopen jaren zijn er meer en meer scheurtjes verschenen in het periodiek systeem. Wat voor de meesten een vaststaand gegeven is, lijkt hoe langer hoe meer op wankele poten te staan. De periodieke wet is mogelijk in gevaar. Zou de tabel hier ooit zelf aan ten onder gaan? Ik huiver bij de gedachte!’
Wanneer denkt kernfysicus Piet Van Duppen dat het werk erop zal zitten? ‘Op het moment dat de kernkracht die protonen en neutronen samenhoudt niet meer sterk genoeg is. Dan kan ze de afstoting tussen de protonen niet langer compenseren. Zodra het zover komt, kunnen we geen atoomkernen en geen nieuwe elementen meer maken. Maar daar zijn we nog heel ver vandaan.’
Mendelejev werd geboren in 1834 in het West-Siberische Tobolsk, als jongste van vijftien kinderen. Hun leven werd helemaal op zijn kop gezet wanneer hun vader, een leraar, in het jaar van Dmitri’s geboorte plots blind werd. Het betekende het einde van een vrij comfortabel leven. Moeder Mendelejev moest noodgedwongen gaan werken als arbeidster in een glasfabriek. Toen ze er haar draai gevonden had, brandde het bedrijf af, en kort daarna werd ze weduwe. Ze weigerde zich bij het noodlot neer te leggen. Ze vocht als een leeuwin om een goede school te vinden voor haar jongste zoon.
Dat lukte: Dmitri kon in Sint-Petersburg aan zijn studies beginnen. Maar nog voordat hij haar zijn diploma kon tonen, overleed zijn moeder. De zware klap tekende hem, ook in zijn wetenschappelijke beginjaren. Onder meer wanneer hij met een beurs aan de Duitse Universität Heidelberg kon gaan studeren. In plaats van gebruik te maken van de beschikbare onderzoeksfaciliteiten en samen te werken met Robert Bunsen, Emil Erlenmeyer en Friedrich August Kekulé, experimenteerde Mendelejev liever in zijn eentje in een geïmproviseerd lab op zijn studentenkamer.
De tabel toont de 90 natuurlijke elementen en 2 van de 28 synthetische die we vandaag kennen. De grootte en de kleur van de vakken waarin de elementen staan, variëren naargelang de huidige en toekomstige beschikbaarheid ervan op aarde.
