Elementen – raar en wonderlijk

De Verenigde Naties hebben 2019 uitgeroepen tot het Internationale Jaar van het Periodiek Systeem der Chemische Elementen. Dit om de 150e verjaardag te herdenken van de inspanningen van Dmitri Mendelejev om een periodiek systeem van elementen op te stellen.

Het Periodiek Systeem van Chemische Elementen is een van de belangrijkste prestaties in de wetenschap, die niet alleen de essentie van de scheikunde, maar ook van de natuurkunde en de biologie vastlegt.

Organisatie van de Verenigde Naties voor Onderwijs, Wetenschap en Cultuur

Mensen kennen en gebruiken zuivere vormen van elementen zoals zwavel al duizenden jaren, maar de wetenschap van het isoleren en identificeren van elementen kwam pas echt van de grond in de jaren 1700. Naarmate wetenschappers meer informatie verzamelden, herkenden zij patronen in de eigenschappen van de elementen. Als wetenschappers waren hun volgende stappen het categoriseren van de elementen en het creëren van een zekere orde – zoals beschreven in het artikel Ontwikkeling van het periodiek systeem.

Een element is een element is een element

Een element is een stof die bestaat uit atomen met hetzelfde atoomnummer. Het element ijzer bestaat alleen uit ijzeratomen, en ijzeratomen zijn overal hetzelfde – ijzeratomen op Aarde zijn hetzelfde als ijzeratomen op Mars.

Deze informatie – en de ordelijkheid van het periodiek systeem – kan de elementen enigszins voorspelbaar en saai doen lijken, maar veel van de elementen hebben een aantal ongewone aspecten over hen. Hieronder volgen enkele vreemde en wonderlijke elementaire feiten.

Vaste elementen

De meeste elementen zijn vast bij standaard omstandigheden (kamertemperatuur en druk):

• Jodium (I) is een vaste stof, maar wanneer het wordt verwarmd, sublimeert het gemakkelijk – het gaat direct over in gasvormige toestand – en geeft een paarse damp af.
• Gallium (Ga) kan van een vaste stof in een vloeistof veranderen door alleen maar in je hand te zitten. Het heeft een smeltpunt van 29,8℃. De gemiddelde temperatuur van het menselijk lichaam is 37℃. Het kookpunt is echter vrij hoog – 2.229°C – waardoor gallium nuttig is in thermometers voor hoge temperaturen.
• Bijna alle elementaire metalen zijn zilverkleurig. Goud (Au) en koper (Cu) zijn de enige twee uitzonderingen.
• Het zeldzaamste in de natuur voorkomende element is astatine (At). Er bevindt zich ongeveer 28 g van in de aardkorst. Astatine dankt zijn naam aan het Griekse woord astatos, dat instabiel betekent.
• Koolstof (C) reageert met andere elementen om 10 miljoen verschillende verbindingen te vormen. Koolstof maakt 20% uit van de massa van levende wezens.
• De elementen fermium (Fm) en einsteinium (Es) werden ontdekt als gevolg van de eerste waterstofbomproef in 1952. Drones droegen filterpapier om monsters uit de atmosfeer te verzamelen, en de twee elementen werden gevonden in brokstukken op het papier. Beide elementen zijn synthetisch en radioactief en worden slechts in zeer, zeer kleine hoeveelheden geproduceerd. Beide elementen zijn ook vernoemd naar beroemde wetenschappers.
• Kalium (K) is zo reactief dat het van nature niet in zijn eentje wordt gevonden. Zuiver kalium moet worden opgeslagen in olie of kerosine om te voorkomen dat het in de lucht reageert.
• Caesium (Cs) is een ander reactief element. Het ontbrandt spontaan in lucht en reageert explosief met water. Het wordt gewoonlijk opgeslagen en vervoerd in minerale olie.
• Magnesium (Mg) is nodig voor meer dan 300 biochemische reacties in ons lichaam. Magnesium wielen – beter bekend als mag wielen – werden gebruikt in de jaren 1960. Ze waren licht van gewicht, waardoor ze ideaal waren voor races. Het nadeel was dat ze gevoelig waren voor corrosie en (ten onrechte) ontvlambaar werden geacht. Competitieve race velgen zijn nu gemaakt van een magnesium legering.

Vloeibare elementen

Er zijn slechts twee elementen die onder normale omstandigheden in vloeibare vorm bestaan – kwik en broom:

• Kwik (Hg) lost op en/of tast vele metalen aan, en is daarom gewoonlijk niet toegestaan aan boord van vliegtuigen.
• Broom (Br) is schadelijk voor de atmosfeer. Het is verantwoordelijk voor tot de helft van het verlies van ozon boven Antarctica. De mens is verantwoordelijk voor ongeveer 30% van het broom in de atmosfeer.

Gasvormige elementen

Er zijn 11 gasvormige elementen onder standaardomstandigheden:

• Helium (He) is het op één na meest voorkomende element in het heelal, maar is eigenlijk vrij zeldzaam op aarde. De geluidssnelheid in helium is ongeveer drie keer zo hoog als de geluidssnelheid in de lucht. Dit zorgt ervoor dat de stem van mensen een hoge toon krijgt en gaat piepen als ze helium inademen.
• Waterstof (H) is het lichtste element en de meest overvloedige chemische stof in het heelal. Het leverde de lift voor de eerste betrouwbare vorm van luchtvervoer. Het is ook zeer ontvlambaar, zodat de meeste vliegdiensten op waterstof eind jaren dertig ophielden.
• We associëren neon (Ne) met heldere uithangborden. Neon is verantwoordelijk voor het rood-oranje licht, maar een ander edelgas, krypton (Kr) genaamd, kan in feite verantwoordelijk zijn voor veelkleurige “neon”-reclames. De buizen zijn beschilderd met de gewenste kleur, en de witte ontlading van krypton zorgt voor het gloeiende effect.

Elementen met een onbekende toestand

De elementen in de 7e periode (rij) van rutherfordium (Rf) tot tennessine (Ts) zijn zo kortlevend dat wetenschappers niet in staat zijn om ze betrouwbaar in te delen als vaste stof, vloeistof of gas:

• Tennessine (Ts) kreeg in 2016 officieel een naam. Het wordt kunstmatig geproduceerd, en zijn meest stabiele isotoop heeft een halveringstijd van ongeveer 80 milliseconden.

Elementenschaarste

Op een meer serieuze noot is er bezorgdheid dat de wereld zonder sommige elementen dreigt te komen door beperkte voorraden en gebrek aan recycling. Sommige elementen bevinden zich in gebieden waar conflicten de mijnbouw gevaarlijk maken. De European Chemical Society merkt op dat in de Europese Unie elke maand ongeveer 10 miljoen smartphones worden weggegooid of vervangen. Voor elke smartphone zijn 30 elementen nodig – dat is een aanzienlijk deel van de elementaire materialen die we zouden moeten recyclen.