De oorsprong van de scheikunde – de alchemie – schuilt in de droomwens om lood in goud te veranderen. Achteraf blijkt die droom niet eens zo gek. De 2 metalen staan slechts 3 plekjes van elkaar verwijderd in het periodiek systeem der elementen.
Over dat periodiek systeem schreef de joodse chemicus Primo Levi: ‘Je moet het stoffelijke begrijpen om het heelal en jezelf te kunnen begrijpen. Het periodiek systeem van Mendelejev is daarom poëzie, verhevener en grootser dan alle gedichten, die we op het lyceum hebben doorgeworsteld. Als je goed kijkt, rijmt het zelfs!’
Het periodiek systeem is een tabel, die alle verschillende elementen (atomen) bevat. Letterlijk alle materie is met het honderdtal elementen te bouwen, zoals je woorden maakt met de letters van het alfabet. Het periodiek systeem is het alfabet van het universum. Op aarde zijn er ruwweg 20 miljoen verschillende moleculen. En terwijl Hottentottententententoonstelling met 33 letters een erg lang woord is, bestaan de meeste moleculen uit veel meer atomen. Het hemoglobinemolecuul bijvoorbeeld, dat zuurstof door het lichaam transporteert, bestaat ui koolstof (symbool: C), waterstof (H), stikstof (N), zuurstof (O), zwavel (S) en ijzer (Fe) in de verhouding C₂₉₅₂H₄₆₆₄N₈₁₂O₈₃₂S₈Fe_4.
Eeuwenlang dacht de mens, dat alles was opgebouwd uit 5 elementen: water, lucht, vuur, aarde en ether, zoals bepaald door Aristoteles. Dat duurde tot de 18^e eeuw, toen Lavoisier water wist te maken uit waterstof en zuurstof, en ook water splitst in dezelfde 2 elementen. Hij liet zien, dat waterstof en zuurstof echte, ondeelbare elementen zijn.
Lavoisier deed de eerste kwantitatieve chemische experimenten. Hij bewees, dat de massa van het zuurstof en waterstof behouden blijven als ze water vormen. Hij ontdekte, kortom, dat water het ons welbekende H₂O is.
Verder liet hij zien, dat ook het 2^e Griekse element, lucht geen echt element is, en eigenlijk uit zuurstof en stikstof bestaat. Met de analyse van het Griekse element ‘vuur’ had Lavoisier meer moeite. Hij concludeerde uiteindelijk, dat vuur moest bestaan uit de ‘elementen’ licht en warmte. Tegenwoordig weten wij, dat een vlam bestaat uit hete moleculen en atomen, die licht uitzenden. Desondanks hebben Lavoisier en zijn tijdgenoten met hun experimenten het bestaan van elementen bewezen.
Het was destijds al duidelijk, dat sommige van de elementen veel op elkaar lijken, maar hoe en waarom was niet duidelijk. Het antwoord op die vragen kwam in de nacht van 17 februari 1869, toen Dmitri Mendelejev de oplossing droomde. Hij rangschikte de elementen in een tabel. Dat lukte hem wonderbaarlijk goed, het periodiek systeem der elementen, dat de wandkaart van ieder scheikundelokaal vandaag de dag siert, was geboren.
De ordening van de elementen, zoals voorgesteld door Mendelejev, berust erop, dat hij elementen met oplopende massa naast elkaar zette. Op bepaalde plaatsen kapte hij de regel af, om op de volgende reeks verder te gaan. Elementen met dezelfde eigenschappen kwamen daardoor in een kolom pal onder elkaar terecht (‘groepen’). Deze periodiciteit maakte de ordening van Mendelejev zo geniaal. Het element silicium (Si) staat bijvoorbeeld pal onder koolstof (C). Deze 2 elementen hebben veel gemeen en staan daarom in dezelfde groep in het periodiek systeem.
Mendelejevs ordening was niet alleen beschrijvend, maar ook voorspellend. Aan de hand van het periodieksysteem is te voorspellen of, en zo ja hoe, bepaalde elementen met elkaar zullen reageren.
Net als letters in woorden zijn ook atomen niet in elke willekeurige volgorde aan elkaar te plakken. Silicium en koolstof willen bijvoorbeeld graag 4 verbindingen met andere elementen aangaan. Stikstof en fosfor in de groep ernaast het liefst 3.
Aan de hand van die simpele regels zijn eindeloos veel nieuwe moleculen aan te maken, en dat is wat in vele onderzoeksgroepen op de wereld ook al jarenlang gebeurd. Zo bouwden chemici in 1985 een ‘voetbal’ van 60 koolstofatomen (ongeveer 1 nanometer groot).
De systematiek van het periodiek systeem is zo dwingend, dat Mendelejev een plaatsje vrijhield voor onder meer de elementen gallium en germanium, die toen nog niet ontdekt waren. Andere elementen, die oorspronkelijk witte vlekken waren in het periodiek systeem, komen niet van nature op aarde voor, omdat ze spontaan uit elkaar vallen. Maar het is scheikundigen in de loop der jaren wel gelukt zo’n 20-tal kort levende elementen te produceren. Technetium (naar het Griekse woord kunstmatig) was de eerste en later kreeg een ander de toepasselijke naam mendelevium.
Het intuïtieve karakter van Mendelejevs periodiek systeem, en de brille van zijn inzichten, zijn evident als we ons realiseren, dat het nog zo’n 50 jaar duurde voordat de onderneming van Mendelejev volledig kon worden verklaard. Het periodiek systeem volgt eenvoudig en logisch uit de opbouw van de atomen. De verschillende elementen verschillen in de hoeveelheid van 3 bouwstenen waaruit ze zijn opgebouwd: neutronen, protonen en elektronen. De atoomkern bestaat uit neutronen en positieve protonen. Elektronen zijn negatief geladen en draaien vliegensvlug om de positieve kern. De kwantummechanica dicteert echter, dat de elektronen maar een beperkt aantal banen kunnen innemen, de zogenoemde schillen om de kern.
Atomen met dezelfde hoeveelheid elektronen in de buitenste schil hebben dezelfde chemische eigenschappen en verschijnen in het periodiek systeem onder elkaar, in dezelfde groep. Mendelejev rangschikte zonder het te weten de elementen op dit criterium. Zijn droom was dus werkelijk visionair.
En goud maken uit lood? Dat is ondertussen ook gelukt. Met dezelfde deeltjesversneller als waarmee technetium is gemaakt. Dat kost weliswaar meer dan het oplevert in waarde van het goud, maar is een onbetaalbaar wetenschappelijk kunststuk.

Commentaar van Onans Lemming bij dit artikel:
Onans Lemming vond Scheikunde op de middelbare school een leuk vak. Je moest er alleen veel voor leren en dat wasminder leuk. Het leukste waren de proefjes. Vooral omdat ze bijna altijd mislukten. Je zag de leraar dan met een verhit hoofd voor de klas staan, omdat hij ons iets onvergetelijks wou laten zien en wij maar hopen dat de proef zou mislukken. Dit gebeurde ook meestal en soms sprong zelfs de hele proef met een luide knal uit elkaar. Dan wisten we weer, dat school ook leuk kon zijn.
Onans Lemming heeft eens het hoofdstuk opgezocht in het boek dat hij op de middelbare school gebruikte (Scheikunde, voor H.B.S. en Gymnasium, Ir.R.Feis / Drs.E.J.Harmsen / Dr.W.Labruyère en Ir.R.Wyatt, uitgegeven door H.Stam Haarlem in 1962) dat ging over elementen:

Elementen en verbindingen
Bij ontleding van water ontstaan water en zuurstof, Bij ontleding van kwikoxide ontstaan kwik en zuurstof. Kunnen deze ontledingsprodukten nog verder ontleend worden? Proefondervindelijk bleek dit niet mogelijk te zijn. Waterstof, zuurstof en kwik zijn bestand tegen verhitting tot zeer hoge temperaturen en kunnen ook niet door middel van elektrische stroom worden ontleed. Evenmin kunnen deze stoffen bij een verbindingsreactie ontstaan.

Stoffen, die niet ontleed kunnen worden, noemt men elementen.

Er zijn ongeveer 100 elementen bekend. Zij worden in 2 groepen verdeeld: de metalen en de metalloïden (niet-metalen). De metalen herkent men in het algemeen aan hun glans, hun vervormbaarheid en hun groot geleidingsvermogen voor warmte en elektriciteit. De belangrijkste elementen staan in onderstaande tabel:

Belangrijkste elementen

Stoffen, die wel ontleed kunnen worden, noemt men verbindingen.

Er zijn ruim 1.000.000 verbindingen bekend. Het was dikwijls niet eenvoudig om uit te maken of een bepaalde stof een element is of een verbinding. Tal van verbindingen kunnen namelijk moeilijk ontleed worden. Zo heeft men lange tijd gemeend, dat ongebluste kalk een element was. Later ontdekte men, dat bij de verbranding van calcium ongebluste kalk ontstond (reactieschema?). Hierdoor was bewezen, dat ongebluste kalk een verbinding is.

Vanzelfsprekend moesten we alle symbolen van deze elementen uit ons hoofd leren. Er was toen nog geen handig BINAS-boekje. Om dit te onthouden, hadden we het dan ook niet over ijzer maar over ferrum, niet over tin maar over stannum, niet over lood maar plumbum, niet over koper maar cuprum, niet over kwik maar hydrargyrum, niet over zilver maar argentum, niet over goud maar aurum enz.

Al deze elementen hadden ook bijbehorende zogenaamde valentiewaarden. In datzelfde boek stond hierover:

Valentie
Het is gebleken, dat ionen in een verbinding steeds een constante lading bezitten. Zo hebben alle waterstofionen een tekort van 1 elektron: lading 1+. Zuurstofionen hebben een overschot van 2 elektronen: lading 2-. Een molecuul is elektrisch neutraal en bevat dus op 1 zuurstofion 2 waterstofionen. D formule van water is dan ook H₂O.

De lading van een ion noemt men de elektrovalentie of korter valentie.

Men heeft gevonden, dat de metalen alleen maar positieve ionen hebben. Sommige metalen vormen verschillende soorten ionen, die zich onderscheiden door hun valentie. Van ijzer bijvoorbeeld bestaan zowel ferr0-ionen (2+) als ferri-inonen (3+).
De onderstaande tabel geeft een overzicht van de meest voorkomende ionen.

Valenties van de metalen

Bij de metalloïden heeft men in het algemeen een nog grotere verscheidenheid door het optreden van negatieve en positieve valenties.

Valenties van de metalloïden

Maar het belangrijkste dat we moesten leren was de zogenaamde verdringingsreeks. Dit was een opklimmende reeks van zeer onedele metalen (K, Ca) naar zeer edele metalen (Pt, Au). De zeer onedele metalen zijn in staat om bij kamertemperatuur zuurstof aan water te onttrekken. Als je deze niet kende, kon je reen reactievergelijking opstellen. Hij luidde:

K Na Ca Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag Pt Au

We moesten deze, net als de tafels op de lagere school, alsvolgt klassikaal opdreunen:
Kalium, Natrium, Calcium, Magnesium, Zink, Ferrum, Stannum, Plumbum, Cuprum, Hydrargyrum, Argentum, Platina en Aurum.
Als je dit niet kon, kon je de hele scheikunde wel vergeten!