Ko se je mladi profesor kemije na univerzi v Sankt Peterburgu Dimitrij Mendelejev odločil, da bo napisal nov učbenik kemije, sprva ni vedel, kako naj v knjigi smiselno uredi množico podatkov o kemijskih elementih. Po abecedi ali po teži jih ni hotel razvrstiti, saj je želel skupaj opisati elemente, ki imajo podobne kemijske lastnosti. Pri iskanju primernega sistema za ureditev vsebine učbenika pa je prišel do izjemno pomembnega odkritja. Ugotovil je namreč, kako elemente po lastnostih urediti v periodni sistem, kar velja za eno izmed najpomembnejših odkritij v vsej zgodovini kemije.

Dimitrij Mendelejev leta 1861.

Pot do akademske kariere in raziskovalnega uspeha za Mendelejeva nikakor ni bila lahka. Rodil se je leta 1834 v sibirskem mestu Tobolsk, kjer je bil njegov oče ravnatelj gimnazije. Žal je oče 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 smrti moža in požaru, ki je uničil tovarno, odločila, da sinu pomaga poiskati visoko šolo, na kateri bi lahko študiral.

Mendelejeva mati in oče.

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

Mati je žal le nekaj mesecev po koncu napornega potovanja umrla. Dimitrij je kasneje zapisal, da mati za njegov študij ni žrtvovala le vseh svojih prihrankov, ampak tudi svoje 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 Univerzi v Sankt Peterburgu 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 pomemben izziv za takratne raziskovalce. Vendar med kemiki ni bilo enotnega pristopa, ki bi določal, kako se izmeri atomska masa elementov, zato so se lahko meritve medsebojno tudi močno razlikovale.

Da bi se poenotili, so se v začetku septembra leta 1860 kemiki zbrali na prvem velikem mednarodnem kongresu v nemškem mestu Karlsruhe, 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 pomočjo katerega bi lahko na osnovi novih univerzalnih atomskih mas pregledno uredili vse 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 nekaterimi elementi podobni, na osnovi česar bi se jih dalo urediti v pregleden sistem, a žal nikomur ni uspelo ugotoviti, kakšna natančno je notranja logika povezav.

Dimitrij Mendelejev leta 1869.

Kako urediti elemente v učbeniku

Prav takrat se je Mendelejev lotil pisanja novega učbenika z naslovom Načela kemije. Leta 1868 je izdal prvi zvezek ter takoj začel s pisanjem nadaljevanja. V petek 14. februarja 1869 je po pošti založniku poslal dve novi poglavji, celotni projekt pa je želel čim prej zaključiti, saj je potreboval denar za preživljanje družine.

Da bi dodatno zaslužil, je glede kemijske tehnologije občasno svetoval tudi podjetjem. Za ponedeljek je bil dogovorjen, da obišče tovarno sira, vendar je čez vikend neprestano razmišljal le o pisanju učbenika. Še vedno namreč ni prav dobro vedel, kako naj se loti poglavij v nadaljevanju. 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 neprestano razmišljal le o ureditvi elementov, rešitve ni našel. Vedel je, da mora elemente s podobnimi lastnostmi obravnavati skupaj, ni mu pa bilo jasno, ali obstaja povezava tudi med skupinami sorodnih elementov. Flor, klor, brom in jod se denimo pri spajanju z drugimi elementi obnašajo podobno, zato tvorijo skupino halogenih elementov. Prav te elemente je poleg vodika in kisika že opisal v prvi knjigi učbenika. Drugo knjigo je začel s poglavjem o natriju, kaliju in litiju, ki so jih po skupnih lastnostih imenovali alkalijske kovine.

Težava, o kateri je intenzivno razmišljal cel vikend je bila, kako na enak način naseljevati predstavljanje elementov v učbeniku. Ni se mogel odločiti, katere elemente naj izbere za naslednje poglavje oziroma smiselno celoto.

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.

Mendelejevi zapiski.

Začel je računati še razlike med atomskimi masami drugih elementov in hitro ugotovil, da lahko tudi zanje najde enaka razmerja. Ideja notranje simetrije, ki jo je zasledil, ga je povsem prevzela. Na papirju je začel sestavljati periodno preglednico, v katero je uvrstil vse že znane elementi, 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 on elemente urediti po teži in kemijskih lastnostih.

Nekaj zapiskov, ki jih je naredil tisti vikend, 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 postopal v primeru, če bi igral pasjanso z nepopolnim snopom 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 želel 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 jodom. To se žal ni skladalo z lastnostmi obeh elementov, saj je bil jod očitno del halogenov. Ko pa 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.

Rokopis periodnega sistema 17. februarja 1869.

Ko se je naslednje jutro končno odpravil v tovarno sira je že vedel, da je prišel na sled enemu najpomembnejših odkritij v vsej 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 izmed največjih težav takratne kemije.

Leta 1871 je objavil še članek, v katerem je na osnovi 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, saj 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 nikjer ni bilo primernega mesta. Ko je Mendelejev izvedel za odkritje, je sprva podvomil, da gre res za novi element, saj je bil inerten, kar je pomenilo, da kemijsko ni bil reaktiven. Kmalu zatem je Ramsay izoliral še helij, ki so ga pred tem s pomočjo spektroskopije 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 na 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, zaradi katere se je 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 za kemijo, 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 tudi za eno izmed v splošni javnosti najbolj prepoznavnih podob iz sveta znanosti.

Sestavek lahko poslušate tudi v novem podkastu Od genov do zvezd.