Mladi profesor, ki je uredil (kemijski) svet

Ko se je mladi profesor kemije na univerzi v Sankt Peterburgu Dimitrij Mendelejev odločil, da bo napisal nov učbenik kemije, najprej ni vedel, kako naj v knjigi smiselno uredi množico podatkov o kemijskih elementih. Po abecedi ali po teži jih ni hotel razvrstiti, saj je nameraval skupaj opisati elemente, ki imajo podobne kemijske lastnosti. Pri iskanju primernega sistema pa je prišel do enega od najpomembnejših odkritij v vsej zgodovini kemije.

Za Mendelejeva pot do akademske kariere in raziskovalnega uspeha ni bila lahka. Rodil se je leta 1834 v sibirskem mestu Tobolsk, kjer je bil njegov oče ravnatelj gimnazije. Oče je kmalu oslepel in izgubil službo, zato je morala številno družino z vodenjem družinske steklarne preživljati mama. Ta je v svojem najmlajšem sinu zaznala talent za študij, zato se je po moževi smrti in požaru, ki je uničil tovarno, odločila, da bo sinu pomagala poiskati visoko šolo.

Leta 1849 se je tako petnajstletni Dimitrij z materjo podal na več tisoč kilometrov dolgo pot. Iz Tobolska sta odpotovala najprej v Moskvo, ker pa tam nista dobila študijskega mesta, sta odšla naprej v Sankt Peterburg. Na koncu se mu je uspelo vpisati na šolo za učitelje, ki jo je obiskoval že njegov oče.

Znanje o kemijskih elementih lahko preverite v spodnjem kvizu:



Mati je le nekaj mesecev po napornem potovanju umrla. Dimitrij je kasneje zapisal, da za njegov študij ni žrtvovala le vseh prihrankov, ampak tudi življenje. Na smrtni postelji mu je svetovala, naj se v življenju opre predvsem na trdo delo, kar je tudi storil.

Ker je po diplomi zbolel za tuberkulozo, se je za nekaj let preselil na Krimski polotok, nato pa je odšel na strokovno izpopolnjevanje v Nemčijo. Kmalu zatem se je poročil, doktoriral, dobil mesto profesorja na sanktpeterburški univerzi in napisal učbenik za organsko kemijo, za katerega je dobil univerzitetno nagrado.

Merjenje teže atomov

V tistem času je bila večina znanstvenikov prepričanih, da ima vsak kemijski element svojo vrsto atoma, ki ima značilno težo. Merjenje, kako težki so atomi posameznega elementa, je bilo zato velik izziv za raziskovalce. Vendar med kemiki ni bilo enotnega pristopa za merjenje atomske mase elementov, zato so se lahko meritve močno razlikovale.

Da bi se poenotili, so se na začetku septembra leta 1860 kemiki zbrali na prvem velikem mednarodnem kongresu v Karlsruheju v Nemčiji, ki se ga je udeležil tudi Mendelejev. Posebej ga je navdušilo predavanje italijanskega kemika Stanislava Cannizzara, ki je predlagal univerzalni način za določanje atomskih mas elementov.

Po kongresu je poskušalo veliko znanstvenikov najti sistem, s katerim bi lahko na temelju novih univerzalnih atomskih mas pregledno uredili elemente. Ugotovili so denimo, da se lastnosti elementov periodično ponavljajo, ko jih uredijo po teži, podobno kot se ponavljajo note v glasbeni lestvici. Vsem je bilo jasno, da so si nekateri elementi podobni, na podlagi česar bi se jih dalo urediti v pregleden sistem, a nikomur ni uspelo ugotoviti, kakšna je notranja logika povezav.

Kako urediti elemente v učbeniku

Prav takrat se je Mendelejev lotil pisanja novega učbenika z naslovom Načela kemije. Leta 1868 je izšel prvi zvezek, nato je takoj začel pisati nadaljevanje. V petek, 14. februarja 1869, je po pošti založniku poslal novi dve poglavji, celoten projekt pa si je želel čim prej končati, saj je potreboval denar za preživljanje družine.
Da bi dodatno zaslužil, je glede kemijske tehnologije občasno svetoval podjetjem. Za ponedeljek je bil dogovorjen, da obišče tovarno sira, vendar je čez konec tedna nenehno premišljeval le o učbeniku. Še vedno namreč ni prav dobro vedel, kako naj zastavi naslednja poglavja. V prvi knjigi je podrobno predstavil osem najbolj razširjenih elementov, kot sta vodik in kisik, vseh tedaj znanih elementov pa je bilo 63. Ker je knjigo naslovil Načela kemije, se mu je zdelo pomembno, da v nadaljevanju podatkov ne navaja po abecedi kot v enciklopediji, ampak da uporabi smiselna vsebinska načela. Za opis preostalih 55 elementov je zato potreboval sistem.



Čeprav je ves čas razmišljal le o ureditvi elementov, rešitve ni našel. Vedel je, da mora elemente s podobnimi lastnostmi obravnavati skupaj, ni pa odkril povezave med skupinami sorodnih elementov. Fluor, klor, brom in jod se denimo pri spajanju z drugimi elementi vedejo podobno, zato tvorijo skupino halogenih elementov. Prav te elemente je poleg vodika in kisika že opisal v prvi knjigi učbenika. Drugo je začel s poglavjem o natriju, kaliju in litiju, ki so jih po skupnih lastnostih imenovali alkalijske kovine.

Na sledi vzorcu

Ko si je na listek izpisal imena in atomske mase že opisanih halogenih elementov in alkalijskih kovin, je opazil zanimiv vzorec. Razlike v teži med elementi posamezne skupine so bile za obe družini elementov enake. Sprva ni vedel, ali je to le naključje ali morda uvid v načelo, ki bi ga lahko uporabil za ureditev preostalih elementov.
Začel je računati še razlike med atomskimi masami drugih elementov in hitro ugotovil, da lahko tudi zanje najde enaka razmerja. Ideja o notranji simetriji ga je povsem prevzela. Na papirju je začel sestavljati periodno preglednico, v katero je uvrstil vse že znane elemente, hkrati pa napovedal mase in lastnosti novih, ki jih v naravi do tedaj še niso odkrili.

Elemente je začel urejati v sistem na podoben način, kot urejamo karte pri pasjansi, ki je bila tudi njegova priljubljena igra s kartami. Podobno kot karte med igro urejamo po velikosti in barvi, je moral elemente urediti po teži in kemijskih lastnostih.

Nekaj zapiskov, ki jih je naredil tisti konec tedna, se je ohranilo do danes. V njih lahko vidimo, kako je poskušal elemente na različne načine razporediti v stolpce in vrstice, pri čemer je imel težave, saj marsikaterega elementa periodnega sistema takrat še niso poznali. V tem primeru je pustil mesto še neznanega elementa prazno, podobno kot bi ravnal, če bi igral pasjanso z nepopolnim kompletom kart.

Ideja periodnega sistema ga je tako prevzela, da tudi v ponedeljek, ko je ponj prišel kočijaž s sanmi, da bi ga odpeljal v tovarno sira, ni hotel zapustiti delovne sobe. Še vedno se je trudil, da bi v sistem razporedil vse znane elemente.

Odkritje periodnega sistema elementov

Do dokončne rešitve sta mu pomagala elementa jod in telurij, ki se po atomski teži zelo malo razlikujeta. Težava je bila, da je telurij malenkost težji od joda, kar pomeni, da bi se moral na razpredelnici uvrstiti za njim. To pa se ni ujemalo z lastnostmi obeh elementov, saj je bil jod očitno del halogenov. Ko ju je zamenjal in porušil pravilo napredovanja teže, se je sistem naenkrat izšel. S podobnimi majhnimi spremembami mu je uspelo do večera sestaviti preglednico, v kateri je po kemijskih lastnostih in teži razporedil vse takrat znane elemente.



Ko se je naslednje jutro končno odpravil v tovarno sira, je že vedel, da je prišel na sled enemu najpomembnejših odkritij v zgodovini kemije. Kmalu zatem je osnutek periodnega sistema elementov po pošti poslal večini uglednih kemikov tistega časa. V razpredelnici je kasneje sicer popravil še nekaj napak, a temelj je bil postavljen. Razrešiti mu je uspelo eno največjih težav takratne kemije.



Leta 1871 je objavil še članek, v katerem je na podlagi periodnega sistema napovedal atomske teže in lastnosti treh tedaj še neznanih elementov. Štiri leta kasneje je neki francoski kemik odkril kovino, ki je postala mehka že, če jo je segrel v dlani. Novi element je poimenoval galij. V periodno tabelo bi se smiselno uvrstil pod aluminijem, a njegova izmerjena teža ni bila ustrezna. Vendar je Mendelejev tako močno zaupal svojemu sistemu, da je Francoza prepričal, naj še enkrat izvede meritve, češ da se je verjetno zmotil.

Ko je francoski kemik ponovil meritve, se je izkazalo, da je imel Mendelejev prav. Skorajda čudežno je znal iz oddaljene Rusije bolj natančno predvideti lastnosti nove kovine kot znanstvenik, ki je imel novi element v roki. Sčasoma so odkrili vse tri napovedane nove elemente, zaradi česar je postal Mendelejev prava mednarodna znanstvena zvezda.

Novi elementi ogrozijo sistem

Leta 1894 sta britanska znanstvenika William Ramsay in lord Rayleigh odkrila plin argon, ki ga ni bilo mogoče umestiti v periodni sistem elementov. Zanj preprosto ni bilo ustreznega mesta. Ko je Mendelejev izvedel za odkritje, je najprej podvomil, da gre res za novi element, saj je inerten, kar pomeni, da kemijsko ni reaktiven. Kmalu zatem je Ramsay izoliral še helij, ki so ga pred tem s spektroskopijo zaznali že na Soncu, zato dvomov, da je treba periodni sistem dopolniti, ni bilo več.

Ko so odkrili še neon, kripton in ksenon s podobnimi lastnostmi kot helij in argon, je postalo očitno, da v periodnem sistemu manjka skupina elementov, ki so jo poimenovali inertni plini. Tudi zanje so namreč veljala enaka pravila razmerij med atomskimi masami, kakršna je zaznal Mendelejev pri drugih skupinah elementov. Odkritje, za katero se je sprva zdelo, da ruši sistem, se je lepo umestilo v nov stolpec periodne preglednice in tako potrdilo, da periodni sistem temelji na zakonitostih narave.

Dimitrij Mendelejev se je leta 1876 zaljubil v slikarko Ano Ivanovo Popovo in se ločil od prve žene. Ločitev je povzročila škandal, ki je preprečil, da bi ga kljub mednarodni slavi sprejeli v rusko akademijo znanosti. Zaradi osebnih zamer pri nekaterih članih švedske akademije tudi nikoli ni dobil Nobelove nagrade, čeprav bi si jo brez dvoma zaslužil. So pa po njem poimenovali sintetični radioaktivni element mendelevium, ki so ga ustvarili leta 1955.

Periodni sistem elementov, ki ga je Mendelejev odkril med pisanjem učbenika pred natanko 150 leti, velja ne le za temelj kemije, ampak je tudi ena od v splošni javnosti najbolj prepoznavnih podob iz sveta znanosti.