Suur lugu: Mendelejevi tabel 150 - pikk ja okkaline tee elementide pusle kokku saamiseni

Tänavu tähistatakse kogu maailmas Mendelejevi perioodilisussüsteemi loomise 150. aastapäeva. See oli teetähis keemilise maailmapildi korrastamises, kuid elementide süstematiseerimine jätkus ka pärast Mendelejevit, kirjutab TÜ emeriitdotsent Lembi Tamm.

1869. aasta märtsis esitas Dmitri Mendelejev Vene Keemia Seltsi koosolekul esimese versiooni oma keemiliste elementide tabelist. 1871 ilmus tabeli teine, põhjalikult täiustatud versioon, mis on mõningate täienduste ja muudatustega olnud aluseks tänapäeval kasutatavale perioodilisussüsteemile.

Keemiliste elementide perioodilisussüsteemi tähtsust tänapäeva keemias on raske üle hinnata. See pole lihtsalt suurt hulka faktimaterjali koondav ja süstematiseeriv tabel. Sellele, kes oskab tabelis kätketud süsteemi lahti mõtestada, on see tohutu teadmiste varasalv, mis peegeldab nii elementide aatomiehituse üksikasju kui ka infot vastavate elementide lihtainete omaduste kohta. Ja mitte ainult, ta võimaldab teha ka mitmekülgseid järeldusi nendest elementidest koosnevate keemiliste ühendite koostise, struktuuri ja omaduste kohta, mõista suundumusi ühendite omadustes piki tabelit üles-alla või vasakule-paremale. Sellise süsteemi olemasolu on keemiateadusele tõepoolest erakordse tähendusega.

Esialgu Mendelejevi perioodilisustabel kuigi suurt tähelepanu ei äratanud, kuid suur tunnustus saabus pärast seda, kui õnnestus avastada elemendid, mille olemasolu oli Mendelejev ette näinud ja neile tabelis tühjad kohad jätnud. Vähe sellest, ta oli kirjeldanud ka oletatavate elementide füüsikalisi ja keemilisi omadusi ning arvutanud analoogia põhjal välja nende aatommassid. 1875. aastal avastati element gallium, mille omadused langesid väga hästi kokku Mendelejevi ennustatud elemendi eka-alumiiniumiga, ainult aatommass oli mõnevõrra erinev. Puhkes äge diskussioon Mendelejevi ja galliumi avastaja Lecoq de Boisbaudrani vahel. Pärast hoolikat kontrollimist selgus lausa jahmatava tõsiasjana, et õige oli just Mendelejevi ennustatud aatommass. See oli Mendelejevi tabeli tõeline triumf, mida tugevdas veelgi kahe järgmise ennustatud elemendi germaaniumi ja skandiumi (ekasiliitsiumi ja ekaboori) avastamine.

Sellest, kuidas Mendelejev oma avastuseni jõudis, on kirjutatud mitu raamatut. On kirjeldatud, kuidas tal hommikusöögilauas tekkis ootamatu mõte, mil viisil oma uues keemiaõpikus keemilisi elemente süstematiseerida, kuidas ta hakkas üksteise kõrvale laduma kaardikesi elementide nimetuste ja omaduste kirjeldustega, reastades neid elemendi aatommassi järgi jne. Nendest kirjeldustest võib jääda mulje, et Mendelejev jõudis oma avastuseni üsna juhuslikult, geniaalse mõttevälgatuse tulemusena ning enne teda polnud ükski teadlane tulnud mõttele reastada elemente nende aatommassi järgi.

Enamasti ei teki loodusteaduslikud avastused siiski päris tühjalt kohalt, lähtudes vaid geniaalse teadlase intuitsioonist. Uudsed ideed, mis teadust edasi viivad, vajavad tekkimiseks piisavat teoreetilist taset vastavas valdkonnas ja selge mõistete süsteemi olemasolu. Selleks peab kindlasti olema kogunenud ka küllaldasel hulgal faktilisi andmeid. Keemiliste elementide süsteemi loomiseks pidi kahtlemata olema selge, mis ikkagi on keemilised elemendid, samuti oli vaja piisaval tasemel tunda nende omadusi.

Mis on keemiline element?

Antiikaja suured mõtlejad olid veendunud, et kogu maailma ühtsuse ja harmoonia aluseks peab olema mingi ühine alge – algelement ehk stiihia, millest kõik koosneb. Alates Empedoklesest, eriti aga pärast Aristotelese tehtud edasiarendust muutus valdavaks seisukoht, et alg­elemente on neli: maa, vesi, õhk ja tuli. Nende omavahelised kombinatsioonid on aluseks kogu maailma mitmekesisusele. See arvamus jäi püsima paljudeks sajanditeks.

Esimese tänapäevasema elemendikäsitluse esitas inglise teadlane Robert Boyle. Oma 1661. aastal ilmunud teoses «Skeptiline keemik» sõnastas ta elemendi definitsiooni: element on selline aine, mida pole võimalik lihtsamateks osadeks lagundada. Kahjuks ei pakkunud Boyle ise välja ühtegi võimalikku elementi ega võtnud selget seisukohta ka seniarvatud nelja elemendi kohta, kuigi oli nende suhtes skeptiline.

Suure murrangu keemiateaduses tõid kaasa prantsuse teadlase Antoine de Lavoisier’ avastused, teda tuntakse eelkõige kui ainete massi jäävuse seaduse avastajat ja põlemise hapnikteooria väljaarendajat. Vähem tähelepanu on pälvinud Lavoisier’ põlemisteooria järeldus, et metallid on elemendid. Metalle tunti muidugi juba antiikajast, kuid siiani polnud keegi neid elementideks pidanud. Jätkuvalt usuti alkeemikute kombel, et metallid koosnevad elavhõbedast kui metallilisuse printsiibist ja väävlist kui põlevuse printsiibist, ja loodeti nende koostisosade vahekorda muutes muuta odavamaid metalle, näiteks pliid, kullaks, st teha metallide transmutatsiooni. Paljud väljapaistvad teadlased, sealhulgas Isaac Newton, pühendasid palju jõudu ja aega metallide transmutatsiooni saladustesse tungimisele, kuigi sellega tegelemine oli pandud kirikuvande alla ning paljude riikide seadustega keelatud.

1743 - 1794. Grafüüril kujutatud Lavoisier õhu koostist kindlaks tegemas. Foto: Mary Evans Picture Library / Scanpix

Lavoisier näitas ühtlasi, et ka hapnik, vesinik, väävel, süsinik ja paljud teised ained on elemendid. Elemendiks peetud vesi aga ei saagi seda olla, sest teda on võimalik lagundada lihtsamateks aineteks (hapnikuks ja vesinikuks). Seda, et õhk koosneb mitmest ainest, oli tõestatud juba varem. Toetudes kogunenud uurimistulemustele, koostas Lavoisier 1789. aastal, mil Euroopas möllas Suur Prantsuse revolutsioon, esimese tänapäevaste elementide nimekirja. Selles oli kokku 33 elementi, mis olid omaduste järgi jaotatud metallilisteks ja mittemetallilisteks. Eraldi rühma loetelus moodustasid sellised ained, mis olid tegelikult seni veel avastamata elementide ühendid, mida veel ei osatud lagundada (nt lubi ehk kaltsiumoksiid ja alumina ehk alumiiniumoksiid), ning vaid kaks olid täiesti ekslikud: soojus ja valgus.

19. sajandi esimese kolmandiku lõpuks oli teada juba üle 50 keemilise elemendi. Teadlastel tekkis arusaamatus: kui palju neid elemente siis üldse on? Kas on mingi piir või on neid lõpmata palju? Elementidest selgema ülevaate saamiseks hakati otsima võimalusi neid süstematiseerida.

Mille järgi elemente süstematiseerida?

Põhiline keemiliste elementide omadus, mida osati arvuga iseloomustada, oli aatommass (tolleaegse nimetusega aatomkaal), seetõttu püütigi süstematiseerimisel toetuda eelkõige sellele.

Esimesena hakkas elementide suhtelisi aatommasse mõõtma inglise teadlane John Dalton, tänapäevase atomistika rajaja, kes võttis ühikuks vesiniku aatommassi. Kuna mõõtmised olid küllaltki ligikaudsed, jäi mulje, et elementide aatommassid on kõik täisarvulised. Selle põhjal oletas William Prout, et kõik ülejäänud elemendid koosnevad vesinikust – järelikult vesinik ongi see primaarne mateeria, mida otsisid juba antiikaja filosoofid. Esialgu tundus Prouti hüpotees väga loogiline ja leidis tunnustust. Peagi näitasid aga täpsemad uuringud, et elementide aatommassid on siiski murdarvulised. Prouti hüpotees langes põlu alla ja koos sellega ka mitmed tema saavutused füsioloogia valdkonnas.

Mõningat edu saavutas oma otsingutes saksa keemik Johann Wolfgang Döbereiner, kes avastas 1829. aastal sarnaste omadustega elementide kolmikud ehk triaadid (Cl–Br–I, Ca–Sr–Ba, S–Se–Te, Li–Na–K), milles keskmise elemendi aatommass oli enam-vähem võrdne kahe äärmise elemendi aatommasside aritmeetilise keskmisega. Ka keemilistelt omadustelt oli keskmine element kahe äärmise vahepealne. Lähedaste omadustega triaadide esinemine tundus esialgu küllaltki juhuslikuna, sest triaadidel ei nähtud omavahelist seost ja paljud elemendid jäid üldse kõrvale. Otsingud siiski jätkusid ja leiti veel mõni lähedaste omadustega elementide kogum, avastati isegi üks viiest lähedaste omadustega elemendist koosnev rida (N–P–As–Sb–Bi).

Suurema edu saavutamist elementide süsteemi loomisel takistas siiski tol ajal valitsev segadus aatommassides. Kuna puudusid veel selged arusaamad aatomitest ja molekulidest, kasutati nii mõnegi aine kohta mitut valemit. Seetõttu võisid mõne elemendi eri valemite alusel määratud aatommassid erineda isegi mitu korda. Pöördelise tähtsusega oli Saksamaal Karlsruhes 1860. aastal toimunud esimene keemikute kongress, kus saavutati lõpuks selgus põhimõistetes ning esitati selle alusel korrigeeritud aatommasside tabelid. Kätte oli jõudnud õige aeg ja järgneval aastakümnel pääses elementide süsteemide loomine nagu paisu tagant välja. Loomulikult tõi see kaasa ka suured vaidlused prioriteetide üle.

Kes ikkagi avastas perioodilisusseaduse?

Chancourtois tabelis paiknesid elemendid üksteise suhtes heeliksikujuliselt. Foto: Wikipedia.org

Esimesena püüdis keemilisi elemente nende aatommassi järgi reastada prantsuse geoloog Alexandre de Chancourtois, kes paigutas elemendid aatommassi kasvu järjekorras heeliksikujulisse graafikusse (kruvijoonena ümber silindri). Lähedaste omadustega elemendid paigutusid selles graafikus püsttulpadesse, kusjuures kahe kohakuti oleva elemendi aatommassid erinesid omavahel enamasti 16 ühiku võrra. Chancourtois käsitles saadud sõltuvust elementide omaduste vahelise aritmeetilise seosena ega teinud selle põhjal mingeid sisulisi järeldusi. Töö avaldati 1862. aastal. Kuna artikkel oli suhteliselt raskesti mõistetav, puudutas peamiselt kitsalt geoloogiaprobleeme ja avaldamisel oli graafik välja jäänud, ei äratanud see keemikute tähelepanu.

Inglise keemik John Newlands koostas juba tabelikujulise süsteemi, kus keemilised elemendid olid reastatud aatommasside kasvu järjekorras seitsmekaupa tulpadesse (väärisgaasid olid alles avastamata). Kõik elemendid olid nummerdatud, esimene element oli vesinik, nagu tänapäevaseski tabelis. Sarnased elemendid paiknesid tabelis samas reas, nende seas olid ka kõik Döbereineri triaadid. Iga kaheksanda elemendi sarnasus esimesega meenutas Newlandsile oktaave muusikas, kus iga kaheksas noot kordab esimest. Nii nimetaski ta oma avastatud seaduspärasuse oktaavide seaduseks.

Newlandsi süsteemis avaldus omaduste perioodiline korduvus selgelt ainult kolmes esimeses perioodis, alates siirdemetallidest muutus süsteem segaseks – tüüpiliste elementide vahele kiilusid hoopis teistsuguste omadustega siirdemetallid. Segadust suurendas asjaolu, et seni­avastamata elementide jaoks tühje kohti tabelis ei jäetud ning see nihutas mitu järgmist elementi valesse kohta.

Lühiteade Newlandsi avastuse kohta ilmus 1864. aastal, kuid pikemat artiklit avaldamast Inglise Keemia Ühing keeldus. Keemiliste elementide omaduste korduvust peeti juhuslikuks, ilmselt häiris komisjoni ka võrdlus muusikaga. Üks komisjoniliige küsis irooniliselt, ega ta proovinud luua süsteemi, reastades elemente tähestiku järjekorras. Alles 1887. aastal tunnustas Royal Society Newlandsi Davy medaliga ja 1998. aastal avati tema sünnikohas tema kui perioodilisusseaduse avastaja mälestustahvel.

Keemiliste elementide süstematiseerimisega tegelesid veel mitmed teadlased, märkimisväärset edu saavutamata. Liialt keskenduti lähedaste elementide triaadide otsingule või püüti luua midagi Newlandsi tabeli sarnast.

Julius Lothar Meyer Foto: Avalik omand

Järgmiseks etapiks keemiliste elementide süsteemi väljatöötamisel olid saksa keemiku Julius Lothar Meyeri ja vene keemiku Dmitri Mendelejevi tööd. Nende teadlasetee kulges algul küllaltki ühtemoodi: mõlemad tegid oma doktoritööd Heidelbergis [spektraalanalüüsi looja Robert Wilhelm] Bunseni juures, mõlemad osalesid 1860. aastal keemikute kongressil Karlsruhes, mõlemad asusid tööle ülikooli keemiaõppejõuna, üks Saksamaal, teine Venemaal, ning hakkasid seejärel looma uue keemiaõpiku jaoks keemiliste elementide süsteemi.

Nende edasine karjäär kujunes samas erinevaks: 1890. aastal vabastati Mendelejev professori kohalt oma liiga revolutsioonilise meelsuse tõttu – tema noorpõlv oli möödunud Siberis Tobolskis, kus tal olid tekkinud tihedad kontaktid väljasaadetutega. Mendelejev asus tööle Kaalude ja Mõõtude Koja direktorina ning edasi tegeles peamiselt tööstuskeemiaga.

Dmitri Mendelejev ei olnud oma kuulsa tabeli loomise ajal sugugi mitte piltidelt tuntud hall vanake, vaid ligi 35-aastane noor mees. Foto: Avalik omand

1864. aastal koostas Meyer 28 elemendist koosneva esialgse süsteemivariandi. See oli küllaltki ebatäielik, sest suur osa teadaolevaid elemente oli puudu. Viis aastat hiljem koostas ta aga juba täiustatud perioodilisussüsteemi, mis sisaldas kokku umbes 50 elementi. See oli juba küllaltki sarnane tänapäevase tabeliga, selle vahega, et sarnased elemendid ei paiknenud mitte tulpade, vaid ridadena, nagu Newlandsigi tabelis. Erinevalt Newlandsist jättis Meyer tabelisse ka mõningaid tühje kohti, kuid mingeid ennustusi oletatavate elementide kohta ei teinud. Lisaks oli Meyer välja arvutanud elementide suhtelised aatomruumalad ning näitas graafikul nende väärtuse ilmekat perioodilist sõltuvust elementide aatommassist. Töö tulemused ilmusid alles 1870. aastal.

Enne Meyeri täiustatud tabelit jõudis ilmuda Mendelejevi perioodilisussüsteemi esimene versioon. Tabelisse olid paigutatud kõik selleks ajaks tuntud umbes 60 keemilist elementi. Siirdemetallide read paiknesid selles eraldi plokina (mõnevõrra sarnaselt tänapäeva perioodilisustabeliga). Elementide paigutuses esines ka mõningaid ebatäpsusi, eelkõige siirdemetallides.

Mendelejevi algne perioodilisustabel. Foto: Avalik omand

Mendelejevi täiustatud perioodilisustabel, mis ilmus 1871. aastal, arvestas ka vahepeal ilmunud Meyeri tööd. Tabeli täiustamisel võttis Mendelejev lisaks aatommassile arvesse ka elementide valentsi (võimet siduda keemiliselt teisi aatomeid – toim), vahetades selle alusel mõnede elementide kohta tabelis (näiteks on telluuri aatommass suurem kui joodil, kuid valentsi järgi tõsteti telluur ettepoole). Mendelejev pidas siiski aatommassi primaarseks, oletades, et aatommassides võis lihtsalt olla ebatäpsusi. Jättes sobivate elementide puududes oma tabelisse tühje kohti, oli ta sügavalt veendunud, et need elemendid on kindlasti olemas, kuigi esialgu veel avastamata. Ta uskus täielikult oma perioodilisussüsteemi õigsusesse.

Peagi puhkes Mendelejevi ja Meyeri vahel pikk dispuut perioodilisusseaduse avastamise prioriteedi üle, kuid samas tunnistas Meyer Mendelejevi süsteemi paremust.

Mendelejevi perioodilisussüsteemi lisakinnituseks oli hiljem avastatud väärisgaasidele täpselt sobiva koha leidmine selles. Mendelejev oli ka ise oletanud uue, seni avastamata rühma olemasolu, arvestades halogeenide ja leelismetallide (VII ja I rühma elementide) aatommasside eriti suurt erinevust. Valentside muutumise seaduspärasuse järgi eeldas ta, et selle rühma elementide valents peaks olema null, st nad ei püüagi moodustada ühendeid. Algselt nimetatigi väärisgaaside rühma null-rühmaks.

Mendelejevi 1871. aasta tabelis olid veel tundmata elemendid kujutatud kriipsudega. Uute, ennustatud elementide avastamine tõestas, et tema tabeli ülemuslikkust. Foto: Avalik omand

Miks siis nimetatakse perioodilisussüsteemi ikkagi just Mendelejevi järgi? Kindlasti ei olnud ta esimene, kes reastas keemilisi elemente nende aatommassi järgi, ega esimene, kes täheldas elementide omaduste perioodilist kordumist. Kahtlemata on üks põhjusi üldine vaimustus, mille põhjustas selliste elementide avastamine, mille omadusi (aatommassi, valentsi, ühendite valemeid jne) oli Mendelejev osanud väga hästi ennustada. Tänu sellele levis Mendelejevi kuulsus kiiresti. Veelgi olulisem põhjus on aga kahtlemata see, et Mendelejev oli mõistnud sügavamalt kui keegi teine perioodilisuse olemust. Ta ei käsitanud seda kui pelgalt formaalset seaduspärasust, vaid tajus põhjuslikku seost elementide omaduste ja aatommasside vahel, kuigi seda polnud tol ajal veel võimalik seletada. Sellegipoolest kehtib ka Mendelejevi kohta hästi hinnang, mille andis endale kuulus füüsik Sir Isaac Newton: kui ta nägigi teistest kaugemale, siis seepärast, et ta seisis hiiglaste õlgadel.

Kuidas arenes perioodilisussüsteem edasi?

Keemilisi elemente avastati veelgi. Esialgu tekitas raskusi suurele hulgale väga sarnaste omadustega metallidele (haruldastele muldmetallidele) perioodilisussüsteemis sobiva koha leidmine. Olukord lahendati nii, et nad paigutati eraldi reana tabeli alläärde. Neid nimetati lantanoidideks (ehk lantaanisarnasteks). 20. sajandil lisandus veel hulgaliselt uusi elemente, mida polegi nagu õige nimetada keemilisteks, vaid pigem tuumafüüsikalisteks elementideks. Need on tugevalt radioaktiivsed elemendid, mille keemilistest omadustest pole enamasti suurt midagi teada, ja valdavalt on nad saadud tehislikult, looduses leidub neist väga väheseid. Ameerika tuumafüüsik Glenn Seaborg, kes juhtis uute elementide sünteesi USAs, pani ette paigutada need elemendid analoogiliselt lantanoididega tabeli alläärde omaette aktinoidide reana. Seaborg hindas väga kõrgelt Mendelejevi panust teaduse arengusse ning tegi ettepaneku nimetada üks uutest elementidest (101. element) mendeleeviumiks. Seaborgi suure ja tulemusliku töö eest uute elementide sünteesimisel (ta oli osalenud seitsme uue elemendi sünteesimisel ja saanud oma tööde eest 1951. aasta Nobeli auhinna) on tema auks nimetatud 106. element seaborgium.

Perioodilisussüsteemis sisalduvat seaduspärasust aitas palju sügavamalt mõista noore füüsiku Henry Moseley 1914. aasta avastus, et keemilise elemendi järjenumber tabelis on otseselt seotud selle elemendi tuumalaenguga Z (prootonite arvuga tuumas). Selgus, et see number ei näita lihtsalt järjekorda, vaid on sisulise tähendusega. Sellele vastavalt sõnastatakse tänapäeval perioodilisusseadust teisiti kui Mendelejevi ajal: keemiliste elementide omadused on perioodilises sõltuvuses elementide tuumalaengust. Sai selgeks, miks ei tarvitse elemendid paikneda perioodilisussüsteemis alati täpselt aatom­massi järjekorras – määrav on tuumalaeng (nn aatomnumber), mitte aatommass. Moseley avastusele tugineb ka keemilise elemendi tänapäevane määratlus – see on kindla tuumalaenguga aatomite liik.

Elementide perioodilisussüsteemi graafilist kujutamist on hiljemgi muuta üritatud. Üks selline katse oli ameeriklase Theodor Benfey 1960. aasta spiraalse tabeli ettepanek. Foto: Avalik omand

Tänapäeva teadmiste valguses võib Prouti hüpoteesilegi vaadata veidi teise pilguga: kui vesiniku aatomi tuumaks on üks prooton ja kõigi järgmiste elementide aatomituumad sisaldavad järjest rohkem prootoneid, siis on ju sellel hüpoteesil oma tõetera sees.

Ja veel üks kujukas näide selle kohta, et uudsete ideede mõistmiseks ja elluviimiseks on vaja, et teadus oleks jõudnud juba piisavalt kõrgele arengutasemele: 1919. aastal näitas inglise tuumafüüsik Sir Ernest Rutherford (1908. aasta Nobeli auhinna laureaat), et on võimalik teoks teha alkeemikute ammune unistus: muuta ühte elementi teiseks. Kuigi keemiliste reaktsioonidega pole mingit lootust seda teha, on see võimalik tuumareaktsioonis. Nii et pliid saaks siiski muuta kullaks, iseasi, kas see majanduslikult ära tasub.

Tänapäeval kõige enam kasutatav perioodilisustabeli variant on nn poolpikk tabel, kus siirdemetallide rühmad asuvad eraldi plokina tüüpiliste elementide vahel. Varem kasutati põhiliselt nn lühikest tabelivarianti, kus elemendid on rohkem kokku surutud (kaheksasse rühma). Olenemata tabeli kujust on aga tegemist ikka sellesama perioodilisussüsteemiga, mille alused töötas 150 aastat tagasi välja Dmitri Mendelejev.

Kui hästi tunned sina keemilisi elemente? Pane ennast proovile Postimehe keemia-testis: