Vad är ett grundämne?

Som kemiska begrepp är det inte mycket mer grundläggande än grundämnet. Det är en av de första idéer som kemistudenten möter, ofta i den ikoniska tabelleringen av dessa grundläggande ingredienser i naturen som Dmitri Mendelejev först beskrev för 150 år sedan och som firas i år. Ändå kan ingen riktigt säga vad ett grundämne är. Frågan debatterades med stor kraft och stundtals passion under ett möte med International Society for the Philosophy of Chemistry i Bristol i juli 2018 – men fortfarande utan att det ledde till någon konsensus.

Det är ingen överraskning. Några av kemins finaste hjärnor, däribland Antoine Lavoisier, självaste Mendelejev och kärnkemins pionjär Frederick Soddy, har brottats med den, men ändå förblir en kortfattad och heltäckande definition svårfångad. Och några av mötesdeltagarna antydde att detta kanske är för det bästa.

För andra är det en indikation på att kemin har en del allvarligt filosofiskt tänkande att göra. Kemin förstår inte sig själv som en disciplin, säger filosofen Farzad Mahootian vid New York University i USA. Det är inte bara definitionen av ett grundämne; begrepp som molekyler, bindningar och till och med karaktären hos själva det periodiska systemet förblir luddiga: de är bedrägligt bekanta genom att de regelbundet används av praktiker, men saknar en innebörd som alla är överens om. Det finns ett behov av filosofisk reflektion över aspekter av kemi som vi tenderar att lära ut på ett ganska mekaniskt sätt, säger Eric Scerri vid University of California Los Angeles i USA, redaktör för den vetenskapsfilosofiska tidskriften Foundations of Chemistry.

Det verkar rimligt att förvänta sig att kemin ska ge en entydig definition

Bedömningen av ett ”grundämne” är ett favoritämne för diskussion bland kemister som inte är i tjänst. Vi är överens (eller hur?) om att väte är ett grundämne – men vad menar vi med det? Är molekylär vätegas ett grundämne? Eller den isolerade väteatomen? Eller talar vi inte om någon verklig substans utan om en ”transcendental” föreställning om väte som de faktiska atomerna och molekylerna bara är materiella representanter för?

En del kanske säger: vem bryr sig? Vi vet vad vi menar i praktiken. Om jag säger ”Svavel är ett grundämne som bildar ett gult fast ämne med en stickande lukt” förväntar jag mig inga invändningar. På samma sätt om jag säger ”Svavel är det andra grundämnet i grupp 16 i det periodiska systemet”. Men detta är två ganska olika saker.

Enligt den teoretiske kemisten Eugen Schwarz vid universitetet i Siegen i Tyskland är den typiska attityden att säga: ”Jag vet att mitt sätt att tala om grundämnen inte är riktigt korrekt, men alla gör det, och eleverna kommer att komma på det i slutändan”. Men ”min personliga känsla som kemist är att man inte bör ta till sig denna vana”, tillägger han.

Elena Ghibaudi vid universitetet i Turin i Italien oroar sig för att detta misslyckande med att definiera ett grundämne exakt ger upphov till problem när det gäller förståelse, kommunikation och förtroende i undervisningen. När två kemiexperter diskuterar grundämnen kan de skilja betydelsen från sammanhanget, men så är det inte i klassrummet, säger hon.

Det kan också bli problem för allmänhetens förståelse av kemi. Schwarz pekar på hur, eftersom vissa grundämnen förknippas med giftiga ämnen – klorgas, till exempel, eller svavel i den svaveldioxid som frigörs vid förbränning av kol och olja – grundämnet i sig självt kan komma att betraktas som naturligt giftigt och bli sårbart för kemiskt analfabeter som förbjuder det. Jag vet inte hur man ska klargöra för allmänheten att endast vissa föreningar av ett visst grundämne är giftiga, och till och med bara över en viss koncentration, medan för lite av samma grundämne till och med kan orsaka hälsoproblem, säger han.

”Begreppet grundämne är centralt i kemin och tjänar ett antal syften”, säger Ghibaudi. Det anger till exempel vad som förblir oförändrat i ett system som genomgår en kemisk omvandling och skiljer mellan kemiska och nukleära förändringar. Det verkar därför rimligt att förvänta sig att kemin ska tillhandahålla en entydig definition. Kan den det?

Jord, vind och eld?

Som idén om atomer lider element snarare av än drar nytta av en illusion av kontinuitet i en lång tanketradition. Den populära berättelsen säger att de gamla grekerna trodde att det bara fanns fyra element – jord, luft, eld och vatten – men att vi från omkring 1700-talet började inse att det finns fler än fyra, och att inget av dem motsvarar dessa gamla element. Sanningen är mer komplicerad. För det första var de fyra elementen, som tillskrivs Empedokles och som finns inskrivna i Aristoteles filosofi, ingalunda det enda schemat för materiens grundläggande byggstenar i grekiskt tänkande. Och före kemins guldålder under den sena upplysningstiden var systemen för ”element” ganska oklara. Den schweiziska läkaren Paracelsus på 1500-talet föreslog tre grundläggande ”principer”: svavel, salt och kvicksilver, medan flera andra system (inklusive fiktiva element som phlogiston) fick tillfälligt stöd.

Bör varje isotop ha en egen plats i det periodiska systemet?

Dessa var dessutom inte nödvändigtvis konkurrerande alternativ. Idén om ett element, liksom idén om en atom, hade en ganska varierad innebörd och betydde inte nödvändigtvis en ursprunglig typ av materia. Paracelsus tre principer sågs till exempel mer som egenskaper än ingredienser: svavel stod för brännbarhet, salt för fasthet och kvicksilver för flytande.

Robert Boyle har med rätta hyllats för att ha förtydligat begreppet när han i sin bok The Sceptical Chymist från 1665 föreslog att ett grundämne var en substans som inte kunde reduceras (”analyseras”) till något enklare. Boyles definition talar dock bara om när man har ett grundämne, och inte om vad ett grundämne är och vad som skiljer ett grundämne från ett annat. Och den är högst provisorisk, gisslan för din analytiska förmåga. Hur kan du vara säker på att du har ett grundämne och inte bara en förening som ingen ännu har hittat ett sätt att dela upp dess beståndsdelar? Det kunde man faktiskt inte, vilket är anledningen till att oxider som är svåra att dela upp, t.ex. aluminiumoxid och kiseldioxid, förekommer som grundämnen i 1700-talslistor, t.ex. i Antoine Lavoisiers inflytelserika Traité Élémentaire de Chimie från 1789. Lavoisier följde Boyle när han hävdade att ett grundämne representerar det sista steget i analysen.

John Dalton tillförde Lavoisiers definition något mer grundläggande när han 1808 hävdade att grundämnenas specifika egenskaper härrör från egenskaperna hos de atomer som ingår i dem, vilka visualiseras som små, hårda, sfäriska partiklar. Vid Mendelejevs tid i mitten av det århundradet insåg man att olika grundämnen har olika atomvikter, och när Mendelejev upprättade sitt periodiska system använde han sig av en ordning av grundämnena utifrån deras atomvikt. (Han använde själv termen ”elementvikt”, eftersom han inte trodde på atomer.)

Upptäckterna av radiokemister som Soddy, och fysiker som Ernest Rutherford och Henry Moseley, medförde att man på 1920-talet förstod att den mer grundläggande egenskapen hos ett grundämnes atomer är atomnumret Z – protonantalet i atomkärnorna – som är detsamma för alla atomer av ett visst grundämne. Francis Aston upptäckte isotoper 1922, som har samma Z-nummer men olika atommassa. Men om Z skiljer sig åt för två atomer är de olika grundämnen.

Vad menar vi med ”kol”? Diamant, en atom med Z = 6 eller C60

I början kastade dock isotoperna en katt bland duvorna. Deras upptäckt var en utmaning för definitionen av ett grundämne, säger Ghibaudi. ’Det var en livlig debatt om begreppet kemiskt element bland kemister och fysiker. Frågan var om varje isotop skulle ha en egen plats i det periodiska systemet eller inte. År 1923 enades en internationell kommitté om att basera identifieringen av det kemiska elementet på atomnumret i stället för atomvikten.

Detta, skulle man kunna tro, kunde ha varit slutet på saken: element definieras med Z. Problemet är att detta inte riktigt är hur kemister använder ordet. I en banbrytande artikel om definitionen av grundämnen 1932 medgav den tyske kemisten Friedrich Paneth två olika definitioner, som han kallade Einfacher Stoff – vanligtvis översatt som ”enkel substans” – och Grundstoff, eller ”primär/grundläggande substans”. Den första hänvisar till Lavoisiers föreställning om verkliga, fysiska saker som inte kan reduceras med kemiska metoder till mer grundläggande beståndsdelar, den andra till en abstrakt föreställning: ”syre”, till exempel, som en typ av atom med Z = 8.

Ghibaudi tvivlar på att vi har kommit förbi Paneths dualism redan nu. Iupac ger för närvarande en dubbel definition av ”element” i sin ”Gold Book” för kemisk terminologi, som säger att ordet antingen kan hänvisa till en ”atomart” (vilket Ghibaudi ser som besläktat med Paneths ”grundsubstans”) eller, ganska tautologiskt, till en ”ren grundsubstans”.

Denna dubbla innebörd är obekväm. Slå upp ”syre” på en webbsida om grundämnen, och du får sannolikt veta att det har Z = 8, och kanske en viss elektronisk konfiguration och position i det periodiska systemet – men också att det är ett mycket reaktivt ämne med formeln O2 och en kokpunkt på -183 °C. Enligt kemisten Mark Leach, som driver webbplatsen meta-synthesis.com, är detta en slarvig sammanblandning av två helt olika typer av uppgifter: den ena hänvisar till Paneths ”grundsubstans” (ett abstrakt ideal), den andra till hans ”enkla substans” (en verklig substans). Det kan väl inte vara bra?

Vad mer, säger Leach, är att hela vår föreställning om det periodiska systemet blandar ihop de två på ett olämpligt sätt. Vi skulle kunna föreställa oss att det är en tabellering av ”grundämnen” – vilket är ungefär så som Mendelejev såg det. Men hela föreställningen om periodicitet hänvisar till faktiska kemiska egenskaper hos verkliga ämnen: valens i kemiska föreningar, egenskaper som joniseringsenergi, metallisk karaktär och så vidare. Om grundsubstansen bara har egenskapen Z finns det bara en enkel lista, säger Leach. Varifrån kommer då strukturen i det periodiska systemet?”

En del populära versioner av det periodiska systemet visar till och med foton av grundämnenas ”enkla” materiella former: diamant eller grafit för kol, och så vidare. Det är alltså en förvirrande sammanblandning – och kanske måste det vara det. Man behöver en klok kompromiss av både grundläggande och enkla egenskaper för att konstruera den, säger Scerri.

Detta är inte en trivial fråga. Det pågår fortfarande diskussioner, till exempel om huruvida grundämnena under yttrium i grupp 3 ska vara lantan och aktinium eller lutetium och lawrencium. Tvisten handlar om huruvida man anser att tabellen bör återspegla ”grundläggande” egenskaper som elektronkonfiguration eller observerbara egenskaper som kemiskt beteende. Dessa argument blir ännu mer tvetydiga när relativistiska effekter (på grund av de mycket höga hastigheterna hos elektronerna i det inre skalet) börjar spela med den kemiska periodiciteten bland de supertunga grundämnen som skapats av människan.

Det här blir tungt

Det är inte den enda komplikationen som de supertunga ämnena inför. Förvirringen om huruvida ett element är ”stuff” eller ”concept” beror på att de tidigare har varit båda. Men har ett nytt grundämne verkligen riktigt samma anspråk på verkligheten när det bara existerar som en handfull atomer som är stabila i mindre än en sekund, vilket är fallet med några av de nyaste konstgjorda grundämnena, till exempel tennessin? Om grundämnen delvis definieras av sina kemiska egenskaper, var lämnar detta grundämnen som inte existerar tillräckligt länge för att delta i någon meningsfull kemisk interaktion, och som i vilket fall som helst endast framställs som högt laddade joner som aldrig får ett fullständigt komplement av elektroner? I vilken mening är de grundämnen om de bara existerar i en millisekund eller två? frågar sig Scerri. Jag tror inte att vi någonsin kommer att kunna sätta dem i flaskor.”

I vilken mening är de grundämnen om de bara varar i en millisekund eller två?

Radiokemi har alltid suttit lite obekvämt i kemins stall. Ett vanligt sätt att tänka på kemiska grundämnen är som kemins ”bevarade kvantiteter”. Precis som massa och energi aldrig förstörs i fysiken (även om de naturligtvis kan interkonverteras) är kemins grundläggande bevaranderegel att grundämnena består: du lämnar aldrig en reaktion med mindre kol än du började med. Men i radiokemi, där ett grundämne kan sönderfalla till ett annat, gör man det. Huruvida detta gör radiokemi till en del av kemin har varit omtvistat sedan dess tidiga dagar, när Nobelkommittéerna för fysik och kemi tävlade om vem som skulle dela ut priser till sådana som Curies och Rutherford (båda ”hävdar” nu kemin i namnen på grundämnena).

Detta revirstrid har aldrig upphört, vilket framgår av det senaste käbblet mellan de internationella fackföreningarna för ren och tillämpad fysik och kemi (Iupap och Iupac) om vem som ska få uttala sig om bekräftelsen av nya grundämnen. Fysikerna säger att endast de har tillräcklig sakkunskap för att bedöma påståendena från atomkrossande experiment med partikelacceleratorer. Men kemisterna är inte glada över att låta en annan grupp avgöra vad som ska ingå i deras mest uppskattade ikon, det periodiska systemet.

Vilken som än dömer är dessa nya grundämnen inte något man kan hålla i handen. De belyser den nya relevansen av tidsskalor. Man kan hävda att varje sammanslagning av atomkärnor som varar längre än den typiska tidsskalan för kärnspridning, cirka 10-10 s, skulle kunna räknas som bildandet av ett annat grundämne. Men motiverar en förening som mäts i nanosekunder verkligen detta, eller är det bara ett slags resonans? Det är därför, säger Schwarz, ”när vi talar om element bör vi också tala om tidsskalor”. Han undrar om ett ”element” åtminstone borde vara en enhet som i princip kan bilda molekyler. Kemi är ett hantverk och en vetenskap om verkliga material, tillägger han, men för fysiker är en atomkärna ett element. Iupac tillkännagav samtidigt nyligen nya kriterier för upptäckten av supertunga grundämnen som bekräftar att tidsskalan för existensen för att kvalificera sig för grundämnesstatus är endast
10-14s.

Saken i sig själv

Problemet med grundämnen visar att, som Scerri säger, kemi behöver filosofi. Frågan om det ”kemiska elementet”, liksom vissa andra frågor inom kemin som t.ex. begreppen substans och struktur, ger upphov till filosofiska frågor och kan därför inte lösas utan att använda sig av filosofiska idéer, säger Ghibaudi. På sätt och vis går frågan tillbaka till Platon, vars föreställningar om ”ideala” immateriella former låg till grund för hans syn på faktiska fysiska enheter. Paneths abstrakta ”grundsubstans” diskuteras också ibland i termer av Immanuel Kants begrepp Ding an sich – ”tinget i sig självt”, eller den grundläggande aspekten av verkligheten bortom räckhåll för våra (felbara) sinnen.

Innehåller den ”grundläggande” definitionen av ett element alla de ”enkla” egenskaperna i det?

Men om det är en filosofisk fråga som inte kan lösas med hjälp av empirin, så kanske vi helt enkelt måste välja mellan Paneths ”grundsubstans” och ”enkel substans” som definition av ett element? Vissa forskare tror det. Scerri föreslår däremot att ett grundämnes natur inte bara är dubbel utan trefaldig: det som spelar roll för ett grundämnes substans är inte bara egenskaperna hos råmaterialet utan även egenskaperna hos dess föreningar. Det är trots allt ett av kemins bestående underverk att det i natriumklorid inte finns några spår av den reaktiva grå metallen och den giftiga gröna gasen.

Introducera en separat nomenklatur för de ”enkla” och ”grundläggande” definitionerna, så att dihydrogenmolekyler inte längre betraktas som ”grundämnet väte”, skulle kräva att man reformerar ett djupt rotad kemiskt språk. Men Sarah Hijmans från Université Paris-Diderot i Frankrike ifrågasätter om vi behöver gå så långt. Hon föreslår att vi kanske skulle kunna betrakta ordet ”grundämne” som ett ord som är informerat av båda definitionerna. Hon säger att det på Lavoisiers tid inte fanns något annat val än att välja den analytiska definitionen, eftersom vi nästan inte förstod någonting om vad som skiljer grundämnen åt på den grundläggande nivån. Efterhand har balansen tippat mer mot en ”grundläggande” definition i termer av Z. Men det är uppenbart att den empiriska, ”kemiska” synvinkeln fortfarande har ett värde, vilket det periodiska systemet illustrerar.

Frågan är kanske om de två faktiskt står i konflikt med varandra överhuvudtaget. I en mening finns det inget fruktansvärt meningsfullt för kemister om Z överhuvudtaget, eftersom kärnan nästan inte spelar någon direkt roll i det kemiska beteendet. Antalet protoner är bara en ställföreträdare för det som är viktigt för kemin: antalet elektroner, liksom deras konfiguration och energier.

Men dessa är, givet en viss Z, förutbestämda av kvantmekanikens regler. De kan förutsägas. Och utifrån den informationen kan vi i sin tur i princip förutsäga mycket kemiskt beteende, t.ex. vilka typer av föreningar grundämnet kommer att bilda. Vi kan till och med förutsäga de fysiska egenskaperna hos vissa grundämnen: allotropa former, smältpunkter och så vidare. Så innehåller den ”grundläggande” definitionen av ett grundämne alla ”enkla” egenskaper, som kommer att avslöjas i takt med att våra beräkningsmöjligheter blir bättre?

Men kanske måste vi acceptera att en viss vaghet alltid kommer att omgärda begreppet grundämne. Och det kanske inte är så illa. Kemister är trots allt vana vid det – som nobelpristagaren Roald Hoffmann har påpekat använder de i all evighet begrepp som inte har någon unik och exakt definition, t.ex. elektronegativitet och jonisk radie, utan att det minskar deras värde för området. ”Vaghet spelade en nyttig roll i tänkandet”, säger Mahootian. Det viktiga är kanske inte vagheten i sig, menar han, utan att se till att det inte bara är slarv.

Vad är då kol? Svaret, säger Schwarz, kan bero på vem vi pratar med. För olika målgrupper och olika syften kan det vara sot; det kan vara element sex, det kan vara en naturlig blandning av isotoper eller en komponent i metan. Elementärt, verkligen.

Philip Ball är vetenskapsskribent i London, Storbritannien

.