Kylmänä talviaamuna vuonna 1869 venäläinen kemisti Dmitri Mendelejev istui kotonaan Pietarissa pöydän ääressä ja latoi pöydälle kortteja.
Menossa ei ollut tavallinen korttipeli. Ruutujen, herttojen, patojen ja ristien sijaan korteissa oli alkuaineiden nimiä ja tietoja niiden ominaisuuksista ja reaktioista.
Mendelejevin tavoitteena oli luoda tunnetuista 63 alkuaineesta looginen järjestelmä, joka perustui niiden ominaisuuksiin. Hän tiesi, että jokaisella aineella oli sille tunnusomainen paino ja joidenkin aineiden tapa reagoida muiden aineiden kanssa oli hyvin samankaltainen.
Kun Mendelejev alkoi asetella alkuainekorttejaan järjestykseen aineiden painon mukaan, hän äkkiä huomasi niissä johdonmukaisuuden: kortit voitiin järjestää loogisesti niin, että samankaltaiset aineet päätyivät lähelle toisiaan. Kemian pasianssi siis näytti menevän läpi.
Dmitri Mendelejev kehitti jaksollisen järjestelmän 1869. 86 vuotta myöhemmin hänen mukaansa nimettiin alkuaine numero 101, mendelevium.
Mendelejev kirjoitti alkuaineiden järjestyksen käsillä olleen kirjekuoren kääntöpuolelle ja tuli samalla piirtäneeksi ensimmäisen alkuainetaulukon eli alkuaineiden jaksollisen järjestelmän. Saman vuoden maaliskuussa hän esitteli keksintönsä Venäjän kemistien seuran kokouksessa. Taulukko hyväksyttiin tieteelliseksi tavaksi esittää ja luokitella alkuaineet.
Vaikka Mendelejevin korttipelistä on kulunut jo 150 vuotta, hänen jaksollinen järjestelmänsä on edelleen yleisin tieteellinen tapa järjestää alkuaineet. Nykyään järjestelmässä on kaikkiaan 118 alkuainetta.
Alkuaineet jaetaan 18 pystyriviin eli ryhmään sen mukaan, mitä yhtäläisyyksiä niiden kemiallisissa reaktioissa on. Järjestelmän vaakarivejä kutsutaan jaksoiksi. Niitä on seitsemän. Jakson numero kertoo, miten monta elektronikuorta aineilla on.
11 kertaa on Nobelin fysiikanpalkinto myönnetty uuden alkuaineen löytämisestä. Jaksollisen järjestelmän kehittänyt Mendelejev ei saanut palkintoa.
Järjestelmä ei ole vielä valmis. Parhaillaan on menossa kokeita, joilla pyritään valmistamaan alkuaine numero 119. Se aloittaisi taulukon kahdeksannen jakson.
Alkuaine on 1700-luvun keksintö
80 vuotta ennen Mendelejevin korttipeliä ranskalainen Antoine Lavoisier loi perustan kemialle nykyaikaisena tieteenä. Hän myös loi määritelmän ”yksinkertaiselle aineelle”, jota ei voida pilkkoa yksinkertaisemmiksi aineiksi eli nykytermein alkuaineiksi. Ranskalaiskemisti todisti kokeillaan muun muassa, että vesi ei ole alkuaine vaan se voidaan hajottaa osiinsa eli vedyksi ja hapeksi.
Kaikkiaan Lavoisier löysi 33 alkuainetta. Hän jaotteli ne kaasuihin, metalleihin, epämetalleihin ja maa-aineisiin.
79 Au: Kulta on niin pehmeää ja helposti muokattavaa, että riisinjyvän kokoisen, gramman painoisen hipun voi levittää neliömetrin kokoiseksi kalvoksi
Alkuaineen määritelmä oli suuri edistysaskel, joka loi pohjan myös Mendelejevin työlle, mutta Lavoisier'n alkuaineiden luokittelu ei poikennut paljonkaan antiikin kreikkalaisten jaottelusta.
Heidän mukaansa alkuaineita olivat maa, vesi, ilma ja tuli. Vasta Mendelejevin jaksollinen järjestelmä mahdollisti alkuaineiden tarkan luokittelun niiden fyysisten ja kemiallisten ominaisuuksien mukaan.
Mendelejev havaitsi, että ominaisuudet vaihtelevat sen mukaan, mitä raskaampia aineet ovat. Mendelejev luotti omaan luokitteluunsa niin lujasti, että hän kyseenalaisti sen perusteella muiden tutkijoiden tekemät mittaukset.
Mittausten mukaan esimerkiksi beryllium-alkuaineen atomimassa oli 14, eli se oli 14 kertaa niin raskasta kuin kevyin alkuaine vety.
Luku oli ristiriidassa jaksollisen järjestelmän kanssa, sillä sellainen atomipaino olisi vienyt berylliumin samaan ryhmään alumiinin kanssa, ja kokeiden perusteella alumiini ja beryllium eivät juuri muistuttaneet toisiaan.
13 Al: Nykyään alumiinia käytetään lentokoneissa, säilykepurkeissa ja talousfoliossa. 1850-luvulla se oli kalliimpaa kuin kulta, koska sitä oli vaikea valmistaa.
Sen sijaan berylliumilla oli kokeiden mukaan paljon yhtäläisyyksiä magnesiumin ja kalsiumin kanssa. Niinpä Mendelejev päätteli, että berylliumin atomimassa on yhdeksän ja sijoitti sen ryhmään kaksi. Myöhemmät mittaukset osoittivat, että hän oli oikeassa.
Taulukko ennusti uusia aineita
Mendelejev oli alkuaineiden sijoittelussa niin huolellinen, että alkuainetaulukkoon jäi aukkoja. Hän jätti ne tarkoituksella, koska hän päätteli, että niihin sopivat alkuaineet olivat kyllä olemassa mutta niitä ei vain ollut vielä löydetty.
Järjestelmänsä pohjalta Mendelejev myös ennusti, mikä tulevaisuudessa löydettäviä aineiden atomimassa, tiheys ja sulamispiste olisivat ja miten ne reagoisivat muihin alkuaineisiin. Hän perusti ennustuksensa siihen, millaiset ominaisuudet niiden naapuriaineilla on.
Yksi alkuaineista, joiden Mendelejevin mukaan piti olla olemassa, oli gallium, joka nykyään on alkuainetaulukossa alumiinin alapuolella. Mendelejev antoi sille nimen eka-aluminium eli ensimmäinen alumiinin alapuolella. Sen löysi vuonna 1875 ranskalainen Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, ja sillä oli tarkalleen ne ominaisuudet, jotka Mendelejev oli ennustanut.
31, Ga: asteen lämpötila riittää sulattamaan galliumin. Se on hopeanharmaa harvinainen metalli, joka muutta olomuotoaan kiinteästä nesteeksi vaikkapa kämmenen lämmössä.
Uusia alkuaineita etsittiin mineraaleista kuumentamalla, upottamalla ne happoon tai johtamalla niihin sähköä, kun ne oli sulatettu tai liuotettu. Näin atomien väliset sidokset katkeavat ja yhdisteet hajoavat, ja jäljelle jäävät puhtaat alkuaineet.
Alkuaineiden etsijät saivat myös apua fyysikoilta, jotka kehittivät spektroskopian. 1860-luvulla Saksassa fyysikko Gustav Kirchhoff ja kemisti Robert Bunsen alkoivat yhdessä tutkia valoa, joka syntyi, kun erilaisia aineita poltettiin kaasuliekillä.
Palaessaan liekissä aineen atomit saivat energiaa, jonka ne luovuttivat valona. Tutkijat huomasivat, että jokainen alkuaine tuotti palaessaan eriväristä valoa. Valon väreistä tuli esiin myös aineita, joita ei ollut aikaisemmin tunnettu. Näin saatiin eristettyä muun muassa alkuaineet cesium ja rubidium.
2, He: Helium painaa vajaat 0,2 grammaa litraa kohti. Se on vähemmän kuin seitsemäsosa ilman painosta. Siksi helium pitää ilmapallot ja ilmalaivat leijumassa.
Spektroskopiaa voidaan käyttää avuksi myös kaukaisten kohteiden analysoinnissa. Vuonna 1868 ranskalainen astronomi Jules Janssen sai sen avulla selville, mitä alkuaineita Auringossa on.
Hänen huomionsa kiinnitti kirkas keltainen valo, jonka aallonpituus oli 587,49 nanometriä. Koska mikään tunnettu alkuaine ei säteillyt valoa sillä aallonpituudella, Janssen päätteli, että kyseessä täytyi olla tuntematon alkuaine. Se sai nimen helium. Nimen taustalla on Aurinkoa tarkoittava kreikan kielen helios-sana.
Maan päällä helium eristettiin vasta 1895. Työn teki skotlantilainen kemisti William Ramsay. Hänen ansiostaan jaksolliseen järjestelmään lisättiin kokonainen alkuaineryhmä: jalokaasut.
Ne ovat vaikeasti havaittavia, koska ne eivät juuri reagoi muiden aineiden kanssa. Ramsay sai eristettyä ne muista kaasuista jäähdyttämällä ilman nestemäiseksi ja tislaamalla sen. Näin hän eristi heliumin lisäksi argonin, kryptonin, neonin ja ksenonin.
10, Ne: Neon on jalokaasu, joka säteilee kirkasta valoa, kun sen läpi johdetaan sähkövirtaa. Neonloisteputkia käytetään etenkin valomainoksissa.
Atomin rakenne selvisi
1800-luvun lopulla löydettiin niin monta alkuainetta, että alkuainetaulukko alkoi jo muistuttaa nykyistä.
Silloin tutkijat eivät kuitenkaan olleet vielä oivaltaneet, että atomi ei ole aineen pienin osanen. Tietämättömyys atomin rakenteesta johti siihen, että Mendelejev oli järjestänyt jotkin aineet väärin atomipainon mukaan.
Esimerkiksi jodi tuli telluurin jälkeen, koska Mendelejev piti jodia raskaampana.
Kokeet osoittivat päinvastaista, mutta Mendelejev oli varma, että kokeissa oli virhe.
32 alkuainetta on nimetty paikannimen mukaan. Niiden joukossa ovat muun muassa kalifornium ja moskovium.
Vuonna 1911 brittiläinen fyysikko Ernest Rutherford havaitsi, että atomeilla on tiivis positiivisesti varautunut ydin, jossa on protoneja, ja sitä ympäröivät negatiivisesti varautuneet elektronit.
Kaksi vuotta myöhemmin oivallettiin, että alkuaineita ei pidä järjestää painon vaan atomiytimessä olevien protonien määrän mukaan. Vuonna 1932 toinen brittifyysikko James Chadwick havaitsi, että protonien lisäksi atomiytimessä on hiukkasia, joilla ei ole sähkövarausta. Ne saivat nimen neutroni.
Sekä protonit että neutronit vaikuttavat atomin massaan, kun taas elektronien massa on hyvin pieni. Neutronien määrä voi vaihdella. Atomi, jossa on vähemmän protoneja kuin toisessa, voi silti olla raskaampi, jos siinä on enemmän neutroneja. Tämä havainto selitti, miksi jodi on kevyempää kuin telluuri.
Havainto selitti senkin, miksi saman alkuaineen atomeilla voi olla eri massa: niillä on eri määrä neutroneja. Tällaisia saman aineen eri versioita kutsutaan isotoopeiksi.
29, Cu: Kupari johtaa erittäin hyvin sähköä, ja sitä käytetäänkin sähköjohdoissa ja elektroniikassa. Keskivertokodin laitteissa on yli 100 kiloa kuparia.
Uusia alkuaineita laboratoriosta
1930-luvulla alkuainetaulukossa oli aukko numeron 43 kohdalla mangaanin alapuolella. Mendelejev oli antanut puuttuvalle aineelle nimen eka-mangaani.
Sitä ei tahtonut löytyä millään. Nykyään tiedetään syykin: aine on radioaktiivista, eikä sillä ole lainkaan vakaita isotooppeja eli se hajoaa saman tien muiksi aineiksi. Siksi sitä on vaikeaa löytää luonnosta.
Kun tutkijat lopulta saivat mangaanin naapurin käsiinsä vuonna 1937, sitä ei löydetty luonnosta vaan se valmistettiin laboratoriossa. Yhdysvaltalaistutkijat olivat tehneet kokeen, jossa he pommittivat hiukkaskiihdyttimellä molybdeenia eli alkuainetta numero 42 raskailla vedyn ytimillä.
Italialaiset Emilio Segrè ja Carlo Perrier päättivät selvittää, mitä kokeen jäljiltä oli syntynyt. He löysivät molybdeenin ja vedyn yhteensulautumasta alkuaineen numero 43, joka sai sittemmin nimen teknetium.
3, Li: Litium on alkalimetalli, joka on useimmissa kännyköissä ja kannettavissa tietokoneissa käytettävien uudelleen ladattavien akkujen tärkein materiaali.
Italialaistutkijoiden löydöstä alkoi kokonaan uusi aikakausi alkuaineiden tutkimuksessa.
Tutkijat oivalsivat, että alkuaineita pystyttiin luomaan keinotekoisesti. Kaikki jaksollisen järjestelmän alkuaineet, jotka ovat raskaampia kuin alkuaine numero 94 eli plutonium, ovatkin keinotekoisia. Niitä on esiintynyt vain ydinkokeiden yhteydessä, ydinreaktoreissa tai hiukkaskiihdyttimillä tehdyissä kokeissa.
Viimeisin alkuaine syntyi vuonna 2010, kun tutkijat onnistuivat luomaan kuusi atomia alkuainetta numero 117 eli tennessiiniä. Tennessiini saatiin aikaan pommittamalla berkeliumia, jonka ytimessä on 97 protonia ja 152 neutronia, kalsiumatomeilla, joiden ytimessä on 20 protonia ja 28 neutronia. Koe tehtiin Venäjällä Dubnan ydintutkimuskeskuksessa Moskovan pohjoispuolella.
Koe oli kestänyt viisi kuukautta, ennen kuin hiukkaskiihdyttimen ilmaisin ilmoitti havainneensa uuden raskaan atomin. Ilmaisimen pitää olla todella nopea, sillä tennessiini on niin radioaktiivista, että sen puoliintumisaika on sekunnin kahdeskymmenesosa. Atomi siis hajosi lähes saman tien, kun se oli syntynyt.
55, Cs: Cesium on herkimmin reagoiva metalli. Se räjähtää heti joutuessaan kosketuksiin veden kanssa.
Kahdeksan vuotta aiemmin oli valmistettu oganessonia, jonka järjestysnumero on 118, ja sen jälkeen saatiin aikaan alkuaineet 115 ja 113 eli moskovium ja nihonium. Kun nämä neljä alkuainetta olivat koossa, koko alkuainetaulukon seitsemäs jakso oli täynnä.
Aineiden viralliset nimet vahvistettiin vasta kesäkuussa 2016, koska nimeämisestä vastaava järjestö, kansainvälinen kemian unioni IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), halusi ensin varmistaa, että tulokset ovat oikein.
Uusien alkuaineiden nimen päättävät tutkijat, jotka ovat löytäneet ne. Nimi voidaan antaa esimerkiksi henkilön, alueen tai taivaankappaleen mukaan.
Mendelejev on saanut oman alkuaineensa mendeleviumin, ja muun muassa kalifornium ja moskovium on nimetty sen paikan mukaan, jossa ne löytänyt tutkimuslaitos sijaitsee. IUPAC kuitenkin aina vahvistaa alkuaineen nimen ja sen kemiallisen merkin.
19, K: 100 grammassa banaania on 347 milligrammaa kaliumia. 0,012 prosenttia luonnon kaliumista on radioaktiivista. Banaanikin on hieman radioaktiivista.
Alkuainejahti jatkuu
Ei ole mitään syytä uskoa, että alkuaineen numero 117 jälkeen alkuainejärjestelmä olisi valmis.
Alkuainetta numero 119 etsitään jo täyttä päätä. Etsintä alkoi joulukuussa 2017 Rikenin tutkimuskeskuksessa Japanissa. Siellä on meneillään koe, jossa alkuainetta numero 96, curiumia, pommitetaan vanadiumatomeilla. Vanadium on alkuaine numero 23.
Toiveena on se, että aineiden atomit sulautuvat yhteen ja muodostavat uuden alkuaineen. Aineelle on jo annettu väliaikainen nimi: ununennium.
Samaa ainetta yritetään saada aikaan myös Venäjän Dubnassa. Venäläisten hanke alkaa vielä tämän vuoden puolella. He yrittävät ohittaa japanilaiset käyttämällä muita raaka-aineita: berkeliumia eli alkuainetta 97 pommitetaan alkuaineen 22 eli titaanin atomiytimillä.
Tutkijat uskovat, että uusi alkuaine syntyy ennen pitkää ja sen jälkeenkin tulee vielä monta lisää. Vielä on epäselvää, mihin alkuainetaulukko päättyy.
Ehkä kahdeksannessa jaksossa on paljon enemmän aineita kuin seitsemässä edellisessä – ja ehkä sen jälkeen löytyy vielä yhdeksäs jakso.