Hvad er et grundstof?

Som kemiske begreber er, kan man ikke få meget mere grundlæggende end grundstoffet. Det er et af de første begreber, som den kemistuderende støder på, ofte i den ikoniske tabel over disse grundlæggende ingredienser i naturen, som Dmitri Mendelejev først beskrev for 150 år siden, og som fejres i år. Og alligevel er der ingen, der kan sige helt præcist, hvad et grundstof er. Spørgsmålet blev debatteret med megen energi og lejlighedsvis lidenskab på et møde i International Society for the Philosophy of Chemistry i Bristol i juli 2018 – men stadig uden at skabe konsensus.

Det er ikke overraskende. Nogle af kemiens fineste hjerner, herunder Antoine Lavoisier, selveste Mendelejev og kernekemiens pioner Frederick Soddy, har kæmpet med det, men alligevel er en kortfattet og omfattende definition stadig uopnåelig. Og nogle af deltagerne på mødet antydede, at det måske er for det bedste.

For andre er det et tegn på, at kemien har nogle seriøse filosofiske overvejelser at gøre. “Kemi forstår ikke sig selv som en disciplin”, siger filosoffen Farzad Mahootian fra New York University i USA. Det er ikke kun definitionen af et grundstof; begreber som molekyler, bindinger og selv karakteren af selve det periodiske system er stadig uklare: de er bedragerisk velkendte fra praktikernes regelmæssige brug, men de mangler en betydning, som alle er enige om. “Der er behov for filosofisk refleksion over aspekter af kemi, som vi har en tendens til at undervise i på en temmelig mekanisk måde”, siger Eric Scerri fra University of California Los Angeles i USA, redaktør af det videnskabsfilosofiske tidsskrift Foundations of Chemistry.

Det virker rimeligt at forvente, at kemi giver en entydig definition

Betydningen af et “grundstof” er et yndet emne for diskussion blandt kemikere uden for arbejdstiden. Vi er enige (ikke sandt?) om, at brint er et grundstof – men hvad mener vi med det? Er molekylær brintgas et grundstof? Eller det isolerede brintatom? Eller refererer vi ikke til et konkret stof, men til et “transcendentalt” begreb om brint, som de faktiske atomer og molekyler blot er materielle repræsentanter for?

Nogle vil måske sige: hvem bekymrer sig om det? Vi ved, hvad vi mener i praksis. Hvis jeg siger: “Svovl er et grundstof, der danner et gult fast stof med en skarp lugt”, forventer jeg ingen indvendinger. Det samme gælder, hvis jeg siger ‘Svovl er det andet grundstof i gruppe 16 i det periodiske system’. Men det er to ret forskellige ting.”

Ifølge den teoretiske kemiker Eugen Schwarz fra universitetet i Siegen i Tyskland er den typiske holdning at sige: “Jeg ved godt, at den måde, jeg taler om grundstoffer på, ikke er helt korrekt, men alle gør det, og de studerende vil finde ud af det til sidst. Men “min personlige følelse som kemiker er, at man ikke bør tage denne vane til sig”, tilføjer han.

Elena Ghibaudi fra universitetet i Torino i Italien er bekymret for, at denne manglende præcise definition af et grundstof giver anledning til problemer med forståelse, kommunikation og tillid i undervisningen. “Når to kemieksperter diskuterer elementer, er de i stand til at skelne betydningen fra konteksten, men det er ikke tilfældet i klasseværelset”, siger hun.

Der kan også være problemer for den offentlige forståelse af kemi. Schwarz peger på, hvordan, fordi nogle grundstoffer bliver associeret med giftige stoffer – klorgas, for eksempel, eller svovl i den svovldioxid, der frigives ved afbrænding af kul og olie – grundstoffet selv kan blive betragtet som iboende giftigt og sårbart over for forbud fra kemisk analfabeters side. “Jeg ved ikke, hvordan man kan gøre det klart for offentligheden, at kun nogle forbindelser af et givet grundstof er giftige, og endda kun over en bestemt koncentration, mens for lidt af det samme grundstof endda kan forårsage sundhedsproblemer”, siger han.

“Begrebet grundstof er centralt i kemien og tjener en række formål”, siger Ghibaudi. “For eksempel identificerer det, hvad der forbliver uændret i et system, der gennemgår en kemisk omdannelse, og det skelner mellem kemiske og nukleare ændringer. Det forekommer derfor rimeligt at forvente, at kemien giver en entydig definition. Men kan den det?

Jord, vind og ild?

Som idéen om atomer lider elementerne snarere under end nyder godt af en illusion om kontinuitet i en lang tradition af tænkning. Den populære historie fortæller, at de gamle grækere troede, at der kun var fire elementer – jord, luft, ild og vand – men at vi fra omkring det 18. århundrede begyndte at forstå, at der er mere end fire elementer, og at ingen af dem svarer til disse gamle elementer. Sandheden er mere kompleks. For det første var de fire elementer, der tilskrives Empedokles og er nedfældet i Aristoteles’ filosofi, på ingen måde det eneste skema for materiens grundlæggende byggesten i græsk tankegang. Og før kemiens gyldne tidsalder i slutningen af oplysningstiden var systemerne for “elementer” ret uklare. Den schweiziske læge Paracelsus fra det 16. århundrede foreslog tre grundlæggende “principper”: svovl, salt og kviksølv, mens flere andre systemer (herunder fiktive elementer som f.eks. phlogiston) fik midlertidig støtte.

Bør hver isotop have sin egen plads i det periodiske system?

Og derudover var der ikke nødvendigvis tale om konkurrerende alternativer. Ideen om et element havde ligesom den om et atom en ret varieret konnotation og betød ikke nødvendigvis en oprindelig type stof. Paracelsus’ tre principper blev f.eks. mere opfattet som egenskaber end som ingredienser: svovl repræsenterede brændbarhed, salt fasthed og kviksølv flydende.

Robert Boyle er med rette berømt for at have bragt en vis klarhed over begrebet, da han i sin bog The Sceptical Chymist fra 1665 foreslog, at et grundstof var et stof, der ikke kunne reduceres (“analyseres”) til noget mere simpelt. Men Boyles definition fortæller kun, hvornår man har et grundstof, og ikke hvad et grundstof er, og hvad der adskiller et grundstof fra et andet. Og den er meget foreløbig og er gidsel for dine analytiske evner. Hvordan kan man være sikker på, at man har et grundstof og ikke bare en forbindelse, som ingen endnu har fundet en måde at splitte op i dens bestanddele på? Det kunne man faktisk ikke, hvilket er grunden til, at oxider, der er svære at opspalte, såsom aluminiumoxid og silica, optræder som grundstoffer i 1700-tallets lister som den i Antoine Lavoisiers indflydelsesrige Traité Élémentaire de Chimie fra 1789. Lavoisier fulgte Boyle i hans påstand om, at et grundstof repræsenterer det sidste trin i analysen.

John Dalton bragte noget mere fundamentalt til Lavoisiers definition, da han i 1808 hævdede, at grundstoffernes specifikke egenskaber stammer fra de egenskaber, der kendetegner de enkelte atomer, der visualiseres som små, hårde, kugleformede partikler. På Mendelejevs tid i midten af det århundrede var det anerkendt, at forskellige grundstoffer har forskellige atomvægte, og ved udarbejdelsen af sit periodiske system anvendte Mendelejev en rækkefølge af grundstoffer baseret på deres atomvægt. (Han brugte selv udtrykket “elementvægt”, da han ikke troede på atomer.)

Radiokemikere som Soddy og fysikere som Ernest Rutherford og Henry Moseley gjorde med deres opdagelser, at man i 1920’erne forstod, at den mere grundlæggende egenskab ved et grundstofs atomer er deres atomnummer Z – protonantallet i deres atomkerner – som er det samme for alle atomer af et givet grundstof. Francis Aston opdagede i 1922 isotoper, som har det samme Z-antal, men forskellig atommasse. Men hvis Z er forskelligt for to atomer, er de forskellige grundstoffer.

Hvad mener vi med “kulstof”? Diamant, et atom med Z = 6 eller C60

I begyndelsen kastede isotoper dog en kat blandt duerne. “Deres opdagelse var en udfordring for definitionen af et grundstof”, siger Ghibaudi. ‘Der var en livlig debat om begrebet kemisk element blandt kemikere og fysikere. Spørgsmålet var, om hver isotop skulle have sin egen plads i det periodiske system eller ej. I 1923 blev en international komité enig om at basere identifikationen af det kemiske grundstof på atomnummeret i stedet for atomvægten.

Det, kunne man måske tro, kunne have været slutningen på sagen: grundstoffer er defineret ved Z. Problemet er, at det ikke er helt sådan, kemikere bruger ordet. I en banebrydende artikel om definitionen af grundstoffer i 1932 indrømmede den tyske kemiker Friedrich Paneth to forskellige definitioner, som han kaldte Einfacher Stoff – typisk oversat med “simpelt stof” – og Grundstoff, eller “primær/grundstof”. Den første henviser til Lavoisiers begreb om reelle, fysiske stoffer, der ikke kan reduceres med kemiske metoder til mere grundlæggende ingredienser, den anden til et abstrakt begreb: “oxygen”, f.eks. som en atomtype med Z = 8.

Ghibaudi tvivler på, at vi allerede nu er kommet ud over Paneths dualisme. Iupac giver i øjeblikket en dobbeltdefinition af ‘element’ i sin ‘Guldbog’ om kemisk terminologi, som siger, at ordet enten kan henvise til en ‘atomart’ (hvilket Ghibaudi ser som beslægtet med Paneths ‘grundstof’) eller, ret tautologisk, til et ‘rent grundstof’.

Denne dobbeltbetydning er ubehagelig. Slå op på ‘oxygen’ på en elementers hjemmeside, og du vil sandsynligvis få at vide, at det har Z = 8 og måske en bestemt elektronisk konfiguration og position i det periodiske system – men også at det er et meget reaktivt stof med formlen O2 og et kogepunkt på -183°C. Ifølge kemiker Mark Leach, der driver det kemiske ressourcewebsted meta-synthesis.com, er dette en sjusket sammenblanding af to helt forskellige slags data: den ene henviser til Paneths “grundstof” (et abstrakt ideal), den anden til hans “simple stof” (et reelt stof). Det kan vel ikke være godt?

Dertil kommer, siger Leach, at hele vores opfattelse af det periodiske system blander de to ting på en akavet måde. Vi kunne forestille os, at det er en tabel over “grundstoffer” – hvilket stort set er sådan, som Mendelejev så det. Men hele begrebet periodesystem henviser til faktiske kemiske egenskaber ved virkelige stoffer: valens i kemiske forbindelser, egenskaber som ioniseringsenergi, metallisk karakter osv. “Hvis grundstoffet kun har egenskaben Z, er der kun en simpel liste”, siger Leach. “Hvor kommer det periodiske systems struktur så fra?”

I nogle populære gengivelser af det periodiske system er der endda billeder af de “simple” materielle former af grundstofferne: diamant eller grafit for kulstof og så videre. Det er altså en forvirrende sammenblanding – og det skal det måske også være. “Man har brug for et fornuftigt kompromis mellem både de grundlæggende og de simple egenskaber for at konstruere det”, siger Scerri.

Det er ikke en triviel sag. Der er f.eks. stadig stridigheder om, hvorvidt grundstofferne under yttrium i gruppe 3 skal være lanthan og actinium eller lutetium og lawrencium. Striden går på, om man mener, at tabellen skal afspejle “fundamentale” egenskaber som f.eks. elektronisk konfiguration eller observerbare egenskaber som f.eks. kemisk adfærd. Disse argumenter bliver endnu mere tvetydige, når relativistiske virkninger (på grund af de meget høje hastigheder for elektroner i den indre skal) begynder at forstyrre den kemiske periodicitet blandt de menneskeskabte supertunge grundstoffer.

Det her bliver tungt

Det er ikke den eneste komplikation, som de superheavies indfører. Forvirringen om, hvorvidt et element er “stuff” eller “concept”, stammer fra det faktum, at de tidligere har været begge dele. Men har et nyt grundstof virkelig helt samme krav på virkelighed, når det kun eksisterer som en håndfuld atomer, der er stabile i mindre end et sekund, som det er tilfældet med nogle af de nyeste kunstige grundstoffer, f.eks. tennessin? Hvis grundstoffer delvist defineres af deres kemiske egenskaber, hvor efterlader det så grundstoffer, der ikke eksisterer længe nok til at indgå i nogen meningsfuld kemisk interaktion, og som under alle omstændigheder kun fremstilles som stærkt ladede ioner, der aldrig får et fuldt supplement af elektroner? “I hvilken forstand er de grundstoffer, hvis de kun eksisterer i et millisekund eller to?” spørger Scerri. “Jeg tror ikke, at vi nogensinde vil være i stand til at sætte dem i flasker.”

I hvilken forstand er de elementer, hvis de kun varer et millisekund eller to?

Radiokemi har altid siddet lidt ubehageligt i kemiens stald. En almindelig måde at tænke på kemiske elementer er som kemiens “bevarede mængder”. Ligesom masse og energi aldrig ødelægges i fysikken (selv om de naturligvis kan omdannes indbyrdes), er kemiens grundlæggende bevaringsregel, at grundstofferne består: man kommer aldrig ud af en reaktion med mindre kulstof, end man startede med. Men i radiokemi, hvor et grundstof kan henfalde til et andet, gør man det. Hvorvidt dette gør radiokemi til en del af kemien, har været omstridt siden dens tidlige dage, hvor Nobelkomitéerne for fysik og kemi konkurrerede om, hvem der skulle tildele priser til folk som Curies og Rutherford (som nu begge “hævder” at være kemien i navnene på grundstofferne).

Denne rivalisering er aldrig ophørt, som det fremgår af de seneste skænderier mellem International Unions of Pure and Applied Physics and Chemistry (Iupap og Iupac) om, hvem der skal have lov til at udtale sig om bekræftelsen af nye grundstoffer. Fysikerne hævder, at kun de har tilstrækkelig ekspertise til at bedømme de påstande, der fremsættes af atomknusende eksperimenter med partikelacceleratorer. Men kemikere er ikke glade for at lade en anden gruppe bestemme, hvad der skal indgå i deres mest værdsatte ikon, det periodiske system.

Hvem der end træffer afgørelsen, så er disse nye grundstoffer ikke noget, man kan holde i hånden. De fremhæver den nye relevans af tidsskalaer. Enhver sammensmeltning af atomkerner, der varer længere end den typiske tidsskala for atomspredning, ca. 10-10 s, kan vel betragtes som dannelsen af et nyt grundstof. Men er en sammenslutning, der måles i nanosekunder, virkelig berettiget, eller er det blot en slags resonans? Det er derfor, siger Schwarz, at “når vi taler om elementer, bør vi også tale om tidsskalaer”. Han spørger sig selv, om et “element” i det mindste burde være en enhed, der i princippet er i stand til at danne molekyler. “Kemi er et håndværk og en videnskab om virkelige materialer”, tilføjer han – men “for fysikere er en kerne et element”. Iupac har i mellemtiden for nylig annonceret nye kriterier for opdagelse af supertunge grundstoffer, der bekræfter, at tidsskalaen for eksistens for at kvalificere sig til elementstatus kun er
10-14s.

Den ting i sig selv

Problemet med grundstoffer viser, at kemien, som Scerri siger, har brug for filosofi. “Spørgsmålet om det “kemiske element” rejser ligesom andre spørgsmål inden for kemi, f.eks. begreberne stof og struktur, filosofiske spørgsmål og kan derfor ikke løses uden at tage udgangspunkt i filosofiske idéer”, siger Ghibaudi. På en måde går spørgsmålet helt tilbage til Platon, hvis begreb om “ideelle” uhåndgribelige former var grundlaget for hans opfattelse af de faktiske fysiske enheder. Paneths abstrakte “grundsubstans” diskuteres også nogle gange i forbindelse med Immanuel Kants begreb om Ding an sich – “tingen i sig selv” eller det fundamentale aspekt af virkeligheden uden for vores (fejlbarlige) sansers rækkevidde.

Har den “grundlæggende” definition af et element alle de “simple” egenskaber i sig selv?

Men hvis det er et filosofisk spørgsmål, der ikke kan løses af empirien, må vi måske bare vælge mellem Paneths ‘grundstof’ og ‘simpel stof’ som definition på et element? Det mener nogle forskere. Scerri foreslår i mellemtiden, at et grundstofs natur ikke blot er dobbelt, men tredobbelt: Det, der betyder noget for et grundstofs substans, er ikke blot råstoffets egenskaber, men også egenskaberne ved dets forbindelser. Det er trods alt et af kemiens store undere, at der i natriumklorid ikke er spor af det reaktive grå metal og den giftige grønne gas.

Indførelse af en særskilt nomenklatur for de “simple” og “grundlæggende” definitioner, således at dihydrogenmolekyler ikke længere betragtes som “grundstoffet hydrogen”, ville kræve en reform af et dybt forankret kemisk sprog. Men Sarah Hijmans fra Université Paris-Diderot i Frankrig sætter spørgsmålstegn ved, om vi behøver at gå så langt. Hun foreslår, at vi måske kan betragte ordet “element” som et ord, der er baseret på begge definitioner. Hun siger, at på Lavoisiers tid var der ingen anden mulighed end at vælge den analytiske definition, fordi vi stort set ikke forstod noget om, hvad der adskiller grundstoffer på det grundlæggende niveau. Efterhånden er balancen tippet mere over i retning af en “fundamental” definition i form af Z. Men det er klart, at det empiriske, “kemiske” synspunkt stadig har værdi, som det periodiske system illustrerer.

Spørgsmålet er måske, om de to faktisk er i konflikt med hinanden overhovedet. I en vis forstand er der slet ikke noget forfærdeligt meningsfuldt for kemikere ved Z, da kernen stort set ikke spiller nogen direkte rolle i den kemiske adfærd. Antallet af protoner er blot en erstatning for det, der betyder noget for kemien: antallet af elektroner samt deres konfiguration og energier.

Men disse er, givet et bestemt Z, forudbestemt af kvantemekanikkens regler. De kan forudsiges. Og ud fra disse oplysninger kan vi igen i princippet forudsige meget kemisk adfærd, f.eks. hvilke slags forbindelser grundstoffet vil danne. Vi kan endda forudsige nogle grundstoffers fysiske egenskaber: allotropiske former, smeltepunkter osv. Så indeholder den “grundlæggende” definition af et grundstof alle de “enkle” egenskaber, som vil blive afsløret, efterhånden som vores beregningsevner bliver bedre?

Måske må vi dog acceptere, at begrebet grundstof altid vil være omgivet af en vis uklarhed. Og det er måske ikke så slemt. Kemikere er trods alt vant til det – som nobelpristager Roald Hoffmann har påpeget, bruger de evigt begreber, der ikke har nogen entydig og præcis definition, som f.eks. elektronegativitet og ionradius, uden at det mindsker deres værdi for området. “Uklarhed spillede en nyttig rolle i tankegangen”, siger Mahootian. Måske er det, der er vigtigt, ikke selve uklarheden, men at sikre, at den ikke blot er sløset.

Så hvad er kulstof så? Svaret, siger Schwarz, kan afhænge af, hvem vi taler med. For forskellige målgrupper og forskellige formål kunne det være sod; det kunne være grundstof seks, det kunne være en naturlig blanding af isotoper eller en bestanddel af metan. Elementært, virkelig.

Philip Ball er videnskabelig forfatter i London, Storbritannien