Verenigingen

De periodieke tabel als didactisch uithangbord

Arsène Lepoivre |
Anorganische chemie, Nanotechnologie

Arsène Lepoivres pleidooi voor de oorspronkelijke periodieke tabel.

In de meeste chemieklassen hangt een grote kaart met een overzicht van 118 chemische elementen. De leerboeken schrijven die zogenoemde periodieke tabel gewoonlijk toe aan Dmitri Mendeleev, maar het is de vraag of die man er zijn ontwerp uit 1869, met maar zo’n 60 elementen, nog in zou herkennen. Wat ooit een vrij duidelijk beeld gaf van de samenhang van wat toen bekend was over de chemische eigenschappen van die elementen, is in moderne tabellen eerder een puzzel geworden vol mysterieuze cijfers, zeker voor leken en beginners in de chemie.

Kijk maar eens onder het element 82, Pb, plumbum, oftewel lood, (Xe)4f145d106s26p2 en je begrijpt wat ik bedoel. De kennis van de atoomstructuur uit de moderne fysica heeft deze oude tabel als het ware overwoekerd.

Maar de manier waarop Mendeleev 150 jaar geleden tot deze ordening is gekomen, is van grote didactische waarde. Ze heeft een cultuurhistorisch belang. Vandaar dat ik hier een pleidooi wil houden om bij de bespreking van deze oorspronkelijke tabel te blijven, althans voor de meeste studierichtingen van het middelbaar onderwijs welke later helemaal niks met chemie te maken hebben. Ik ben weliswaar een outsider van dit onderwijs, maar heb de stille hoop dat ik met dit pleidooi bij de nieuwe afgestudeerden een positiever beeld van de chemie achterlaat.

Ontstaan rangschikking

Waarom kon na 1860 de genoemde rangschikking van de elementen ontstaan?1 De volgorde van atoommassa’s vormt daarbij de grote leidraad en er waren dus twee essentiële voorwaarden om tot een ordening te komen: een voldoend aantal gekende elementen en van elk een betrouwbaar cijfer over de atoommassa. Ook was er een grondige kennis van de kenmerkende eigenschappen van elk element voor nodig. Al die voorwaarden kenden een langzaam groeiproces gedurende die eerste helft van de 19de eeuw. Dat is wel begrijpelijk, omdat de eerste analysemethodes vrij rudimentair waren en je je vaak moest behelpen met onzuivere stoffen.

Ook fundamentele meningsverschillen over een nieuw begrip, de valentie van de elementen, vertroebelden de conclusies. Toch werden heel wat nuttige stapjes vooruitgezet. Een pionier in deze speurtocht was Johann Wolfgang Döbereiner. Hij publiceerde in 1829, met behulp van de vrij nauwkeurige analyses van Jöns Jacob Berzelius, de relatie tussen molecuulmassa van de drie toen gekende halogenen Cl, Br en I. Hij vond tussen elk eenzelfde massaverschil. Hij deed die vaststelling tussen meerdere verwante elementen, zogenoemde ‘Verwandschaften’. Die speculatieve verbanden kregen na 1850 heel wat opvolgers, ‘triades’ genoemd. Dit waren slechts stukjes van de komende grote puzzel.

In 1860 kwam de doorbraak na een internationaal congres in Karlsruhe. De twijfels over valenties van de elementen en hun relatieve molecuulmassa’s verdwenen, voornamelijk omdat de hypothese van Avogadro nu ten volle werd erkend. Het grotere puzzelwerk kon gaan beginnen.

Minstens zes ontdekkers

Hier volgen enkele korte gegevens uit de bloemlezing ‘Chemie historisch bekijken’2. Ondanks dat John Newlands in 1863 niet de voornaamste ontdekker van deze classificatie is, werd zijn ‘wet der octaven’ de grondslag van het periodiek systeem. Newlands was geïnspireerd door de wetmatigheid van de muziek. Zoals in een toonschaal na de eerste do de achtste weer een do is, zijn deze periodes ook in de lijst van elementen volgens toenemende massa te vinden. De benaming ‘octaven’ bleef bestaan toen wetenschappers ontdekten dat je de elementen beter kon opdelen in periodes van 18 stuks.

Waarom ontdekkers als Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois (1862), William Odling (1864) en Gustavus Detlef Hinrichs (1867) minder bekend zijn geworden dan die grote naam Dmitri Mendeleev (1869) heeft met enkele toevalligheden te maken. Hij was degene, maar ook weer niet de enige, die sommige van de toentertijd nog niet ontdekte elementen voorspelde en op die plekken in zijn rangschikking telkens een ruimte openliet. Bovendien beschreef hij meerdere te verwachten kenmerken van die onbekende elementen.

Doordat al korte tijd later enkele nieuwe elementen werden gevonden waarvan de eigenschappen vrij goed overeenstemden met de voorspellingen, groeide Mendeleevs reputatie.3 Hij bezat dan ook een grondige kennis van de chemie, zoals blijkt uit zijn twee jaar later gepubliceerd leerboek Osnowy Khimii (De principes van de scheikunde). Voornamelijk door zijn publicatie in het veel gelezen tijdschrift Annalen der Chemie is zijn naambekendheid gebleven. Bovendien is zijn leven vrij tumultueus verlopen en was hij een koppige excentrieke figuur die zelfs weigerde in de realiteit van atomen te geloven. Kortom, het is echt voer voor biografen.

Toch moet hier ook de naam Lothar Meyer als belangrijke pionier in de ontwikkeling van het periodiek systeem worden toegevoegd. Hij was een echte scheikundedidacticus en beschreef al in 1870 het verband tussen atoomvolume en atoommassa.4 In vergelijking met Mendeleev was hij een veel groter theoretisch chemicus.

Enkele moderne aspecten

Meyers fysische benadering van het periodiek systeem is later heel belangrijk geworden in de ondersteuning van het atoommodel volgens Niels Bohr. Atoomvolumes werden atoomstralen en atoommassa’s werden vervangen door rangnummers in de tabel. Voor de eerste periode-elementen in het periodiek systeem kun je de afname in atoomvolumes in deze periode van links naar rechts didactisch verklaren door toenemende aantrekkingskrachten op het groeiende aantal elektronen in de buitenste schil.4 Dit verklaart waarom metalen hun buitenste elektronen gemakkelijker verliezen dan elementen die in de tabel aan hun rechterzijde staan, en dus ook waarom een natrium- en een chlooratoom samen op explosieve wijze een elektron kunnen uitruilen.

De ontdekking van de edelgassen gebeurde pas aan het eind van de 19e eeuw.5 Ze gaf een bijzondere aanvulling aan de zogenoemde ‘octetregel’ bij chemische bindingen. Die regel kun je trouwens het best verklaren als je uitgaat van de stabiliteit van de edelgassen - ‘edel’ in de betekenis van niet-reactief. En iedereen begrijpt dan waarom het chloor in keukenzout niet gevaarlijk is.

Een bijzondere voorstelling van het periodiek systeem is elk element te noteren met een lettergrootte in verhouding tot de relatieve aanwezigheid op onze aarde.6 Een leuk verhaal is daarbij de vorming van de elementen in ons sterrenstelsel. Ook zijn diverse varianten van het periodiek systeem in omloop die bij elk element een uitvoerige omschrijving van de toepassingen geven.7


1 De KVCV en Bèta Publishers publiceerden in 2007 een kort stripverhaal over de geschiedenis van het periodiek systeem. De sectie Onderwijs & Opleidingen publiceerde een brochure over het ontstaan van het periodiek systeem.
2 In de KVCV-uitgave EChO-2 (1994, pp. 30-40) over ‘Chemie historisch bekijken’ bespreekt Jan van Spronsen de voornaamste vormgevers aan het periodiek systeem.
3 Verhalen over Mendeleev en vele leuke weetjes over de elementen zijn beschreven in ‘Elementen ontraadseld’ van Sam Kean uit 2011.
4 In de KVCV-uitgave EChO-3 (1995, pp. 21-32) wordt de grootte van de atomen uit de eerste paar perioden toegelicht; daaruit wordt ook de oorzaak voor het verschil tussen metalen en niet-metalen didactisch duidelijk.
5 In de Mens & Molecule-uitgaven in 2009-2010 publiceerde Pieter Thyssen een reeks onder de titel ‘Elementorum Etymologia’ met in MeMo 5 (2010) Sir William Ramsay’s edele zoektocht.
6 www.euchems.eu/euchems-periodic-table.
7 Een fraai voorbeeld is uitgegeven door de VNCI in 1992.

Deel deze pagina
KVCV

Lid worden van de KVCV? Ontdek de voordelen!

Naar boven