Alle families in het Periodiek Systeem kennen een zwart schaap


De Elementen Het periodiek systeem van Mendelejev kent families van chemische elementen die eigenschappen delen. Maar het zit vol met uitzonderingen.


Illustratie Lynne Brouwer

Elke familie kent wel een zwart schaap, zo gaat de uitdrukking. In het periodiek systeem is het niet anders. „Dat begint al meteen bij het eerste element, waterstof”, zegt Hans Elemans, chemicus aan de Radboud Universiteit in Nijmegen. „Die houdt zich niet aan één van de algemene regels”, vult z’n collega Luuk van Summeren aan. Allebei geven ze colleges anorganische chemie.

Ze hebben er een tekstboek bij gepakt. Binnenin staat een periodiek systeem afgedrukt. Een regel, zegt Van Summeren, is dat de elementen in een kolom – een groep – vergelijkbare chemische eigenschappen hebben. De rij van lithium en verder naar beneden wordt aangeduid als de familie van alkalimetalen. Waterstof staat bovenaan in die rij, maar is geen alkalimetaal. „Het is een uitbijter, een zwart schaap”, zegt Elemans. Van Summeren: „Het zit er vol van.”

Het periodiek systeem is een poging tot orde in de chaos, gaat Van Summeren verder. „Maar het zit vol uitzonderingen en rariteiten.” Over alles valt te discussiëren. Ook over het begrip familie. Vaak worden daarmee de kolommen bedoeld. Maar er zijn ook grotere verzamelingen van elementen, blokken. „Die zou je als een grote familie kunnen beschouwen”, zegt Elemans.

Als voorbeeld noemt hij het d-blok, het grote middenblok, waaronder de vier horizontale rijen van groep 3 tot en met 12 vallen (met uitzondering van lantaan en actinium). In het d-blok, zegt Elemans, is technetium (atoomnummer 43) het absolute zwarte schaap. Alle elementen in dat blok komen in de natuur voor, en hebben minstens één niet-radioactief isotoop. Technetium daarentegen komt niet natuurlijk voor. „Het is man made.” En het is radioactief.

Steeds reactiever

Nog zo’n algemene regel is dat de elementen van het d-blok binnen een groep minder reactief worden als je in het systeem naar beneden gaat. Kijk naar koper, zilver, goud. Koper oxideert relatief gemakkelijk, goud nauwelijks. Het heeft te maken met de schillen, legt Van Summeren uit. Of, in quantummechanische termen, met de orbitalen. Dat zijn de gebieden rondom de atoomkern waar elektronen zich hoogstwaarschijnlijk bevinden. „Naarmate de elementen meer protonen in de kern hebben, hebben ze meer elektronen nodig om de kernlading te compenseren, en krijg je grotere orbitalen. En die elementen zijn beter in staat zichzelf te stabiliseren. Ze reageren minder snel.” Maar dat gaat weer niet op voor de alkalimetalen. Ga je van lithium naar natrium naar kalium naar cesium, dan wordt het steeds reactiever, zegt Elemans. „Als je cesium bij water gooit, ga dan maar rennen.” Hij wil nog wel een kanttekening maken. Het gaat hier specifiek om reactiviteit met water. „Er zijn veel soorten reactiviteit.”

Illustratie Jesse Ceelen

Het begint langzaamaan te duizelen. Elemans en Van Summeren lachen. „Zo voelen de studenten zich soms ook”, zegt Van Summeren. Enthousiast gaan ze nog even door. „Wat te denken van boor”, zegt Elemans. Dat is duidelijk het zwarte schaap in de familie van de verticale rij 13. „Aluminium, gallium, indium zijn helder schijnend; blingbling. Maar boor is, echt waar, zwart.”

Lomp groot

En onder aan het periodiek systeem staan twee rijen, zegt Van Summeren. Dat zijn de families van de lanthaniden en de actiniden. „Die zijn als hele familie eigenlijk een zwart schaap.” De algemene regel is dat de chemische eigenschappen van elementen sterk veranderen als je van links naar rechts gaat. Maar niet bij deze twee families. Chemisch lijken ze juist heel erg op elkaar. „Omdat ze zo lomp groot zijn”, zegt Van Summeren. „Dan doet een verschil in het aantal buitenste elektronen er weinig meer toe.” Maar waarin de lanthaniden en de actiniden dan wel weer van elkaar verschillen, zijn de magnetische eigenschappen.

Aan het begin van de colleges, zegt Van Summeren, denken studenten vaak dat het periodiek systeem een harde systematiek weergeeft. Elemans: „En dan komen ze in dit moeras terecht.” Van Summeren: „Dan vragen ze zich af of er niet een ander, beter systeem is. Dat kun je wel bedenken, maar het wordt er niet begrijpelijker of beter kloppend van. Het periodiek systeem is verre van perfect, maar je komt er een heel eind mee. Net familie.”