חפיסת הקלפים ששינתה את עולם הכימיה

כבר לפני אלפי שנים הכירה האנושות כמה יסודות חשובים כמו נחושת, ברזל, כסף וזהב. רשימת היסודות המוכרים נשארה כמעט בלי שינוי מימי השושלות הקדומות של מצרים העתיקה ועד עידן הזוהר של הכימיה באמצע המאה ה-18, אז התגלו בזה אחר זו עוד ועוד יסודות בהם חמצן, חנקן וכלור. כשהכימאי הצרפתי אנטואן לבואזיה ערך ב-1789 את רשימת היסודות המעודכנת, היא כבר כללה 33 חומרים – כפליים ויותר מהיסודות שהיו מוכרים יובל שנים קודם לכן. בתוך כמה עשורים שוב הוכפלה הרשימה, ובאמצע המאה ה-19 היא כבר כללה כ-60 יסודות שונים.

על אף הקצב המסחרר של הגילויים, שרר כאוס מוחלט במדע הכימיה. הכימאים לא הבינו את משמעותו של "יסוד", ורובם שללו את הרעיון שהחומר מורכב מאטומים. ובכל זאת, הידע שהצטבר על היסודות השונים ותכונותיהם כבר היה כה גדול, שמישהו היה צריך לעשות בו סדר. למצוא את ההיגיון שיאפשר להבין את הקשרים בין היסודות השונים, ואולי גם להבין את מהות החומרים עצמם.

מדענים רבים ניסו למצוא דרך הגיונית לארגן את רשימת היסודות באופן שישקף את התכונות השונות שלהם. לא פחות מששה חוקרים פיתחו סידורים שונים המתכתבים פחות או יותר עם העקרונות העומדים כיום בבסיסו של מיון החומרים. אבל כשהתפזר ערפל הקרב על פריצת הדרך המדעית הזו, ניצב מעל כולם חוקר אחד ויחיד ששמו קשור היום באופן בלעדי כמעט ללוח המשבצות המוכר לכל בוגר חטיבת ביניים – הטבלה המחזורית של היסודות.

ההיגיון שמאפשר להבין את הקשרים בין החומרים השונים ואת מהות החומרים עצמם. הטבלה המחזורית | מקור: Shutterstock

תלמיד מצטיין

דמיטרי איבנוביץ' מנדלייב (Дми́трий Ива́нович Менделе́ев) נולד ב-8 בפברואר 1834 בכפר קטן ליד העיר טובולסק שבסיביר. הוא היה הצעיר מ-14 ילדיו של מנהל בית ספר מקומי, אך כשהיה ילד איבד אביו את מאור עיניו ולא היה יכול להמשיך בעבודתו. האם, מריה, נטלה על עצמה את פרנסת המשפחה, ופתחה מחדש בית חרושת לזכוכית שהיה שייך למשפחתה. כשהיה בן 13 מת אביו, וכעבור כמה חודשים נשרף בית החרושת. מריה דמיטרייבנה, שרוב ילדיה הבוגרים כבר עמדו ברשות עצמם, החליטה להשליך את יהבה על כישוריו של הבן הצעיר ביותר, ולהעניק לו חינוך טוב ככל האפשר.

האם ובנה יצאו על סוסים למסע של אלפי קילומטרים מערבה, דרך הרי אורל, עד מוסקבה. אוניברסיטת מוסקבה היוקרתית סירבה לקבל את מנדלייב ללימודים בנימוק שאינו תושב העיר. השניים רכבו עוד כמה מאות קילומטרים לסנקט פטרבורג, בירת רוסיה בימים ההם. גם שם לא התקבל לאוניברסיטה, משום שהיה כפרי מסיביר וחסר אמצעים. האם לא ויתרה, והצליחה בסופו של דבר לרשום אותו לסמינר למורים שבו למד אביו בשעתו. כמה שבועות אחר-כך מתה האם, ודמיטרי נותר לבדו, להגשים את משאלתה של אמו ולהצליח בלימודים.

מנדלייב אכן היה תלמיד מצטיין, וכבר במהלך לימודי ההוראה עסק במחקר בכימיה והתחיל לפרסם מאמרים, אף על פי שחלה בשחפת בתקופת לימודיו. כשקיבל את התואר הראשון נסע לעבוד בחצי האי קרים, בתקווה שהאקלים הנוח יותר יסייע לו להתאושש. כעבור שנה התקבל ללימודי תואר שני, הפעם באוניברסיטת סנקט פטרברג, וב-1856 סיים את התואר. הוא התחיל לעבוד באוניברסיטה, וכעבור שנתיים זכה במלגת לימודים שאיפשרה לו לצאת להשתלם בפריז ובהיידלברג שבגרמניה, שם עבד אצל הכימאי הנודע רוברט בונזן (Bunsen) ובין השאר התמחה בספקטרוסקופיה – תחום צעיר יחסית שאיפשר לזהות יסודות שונים על פי הדפוס שבו פלטו או בלעו אור.

כששב לסנקט פטרבורג ב-1861, מונה למרצה לכימיה בסמינר למורים. הוא הוטרד מרמתם הנמוכה של לימודי הכימיה ברוסיה, לעומת מה שראה בגרמניה, וגם מהעדרם של ספרי לימוד טובים ברוסית. בגיל 27 הוא חיבר בתוך חודשיים ספר לימוד מקיף בכימיה. הספר זכה בפרסים והקנה למנדלייב הכרה בקהילה המדעית בארצו. הוא מונה לפרופסור באוניברסיטת סנקט פטרבורג, ובגיל 33 כבר עמד בראש המחלקה לכימיה במוסד שסירב לקבלו ללימודים פחות משני עשורים קודם לכן.

חלומות מתגשמים

במקביל לכתיבת עוד ספר לימוד חשוב "עקרונות הכימיה", החל מנדלייב לעסוק בשאלת סידור היסודות הכימיים. כשהיה בהיידלברג פגש את הכימאי האיטלקי סטניסלאו קניצארו (Canizzaro), שפרסם ב-1860 רשימה של המשקלים האטומיים של היסודות, ביחס למשקלו של המימן. בעקבותיו מצאו כמה מדענים מחזוריות במשקלים האטומים של היסודות, ואף גילו קשר בין המחזוריות הזו לכמה תכונות של היסודות.

בין המדענים שגילו זאת בנפרד היו הגיאולוג הצרפתי אלכסנדר דה-שנקורטואה (Chancourtois) והכימאי האנגלי ג'ון ניולנדס (Newlands). עבודתו של שנקורטואה זכתה להתעלמות כללית, ככל הנראה משום שלא הצליח להסביר את רעיונותיו בצורה ברורה. הוא עוד היה בר-מזל לעומת ניולנדס, שהרעיונות שלו התקבלו בלעג והאגודה המדעית החשובה של ימיו "החברה המלכותית", סירבה לפרסם את מחקריו. גם וויליאם אודלינג (Odling) האנגלי וגוסטבוס הינריכס (Hinrichs) האמריקאי ניסו לפתח סידורי יסודות על פי עקרונות דומים, אך לא הצליחו לפענח את הסידור המדויק. מי שכן פיתח סידור מוצלח היה הכימאי הגרמני לותר מאייר (Meyer), אך כפי שהוא עצמו הודה, הוא לא העז לפרסם את עבודתו מחשש שתתקבל בלעג.

בניגוד לכמה מקודמיו, מנדלייב היה כימאי מנוסה מאוד בעבודת מעבדה, והכיר היטב את רוב היסודות, לא רק מספרי הלימוד, מה שהקנה לו ידע מוצק מאוד על תכונותיהם. כדי לנסות להתאים ביתר קלות בין המשקל האטומי לתכונות היסוד, הוא הכין לעצמו מעין קלפים, שעל כל אחד מהם פרטיו של אחד מ-63 היסודות שהיו מוכרים אז. מנדלייב נהג לשחק עם הקלפים שלו משחק דמוי "סוליטר", ולנסות לסדר אותם באופן הגיוני. באחד הלילות נרדם על השולחן תוך כדי משחק. "בחלומי ראיתי טבלה שבה כל יסוד היה במקום המתאים לו. כשהתעוררתי, מייד כתבתי לי את הדברים", כתב לימים.

כדי להגשים את החלום, הבין מנדלייב שעליו לעשות כמה שינויים בסידור, אף שמדענים אחרים שללו את הרעיון על הסף. הוא החליף למשל את מקומותיהם של הטלוריום והיוד. אף שהטלוריום מעט יותר כבד, הוא החליט לשבץ את היוד במקומו, בדיוק מתחת לברום, הדומה ליוד בכמה תכונות.

כדי להשלים את הסידור על פי העקרון הזה, של התכונות הדומות, נאלץ מנדלייב להשאיר מקומות ריקים בטבלה. הוא הרהיב עוז לטעון שהיסודות המתאימים למקומות האלה עוד יתגלו, ואף ניבא מה יהיו תכונותיהם הכימיות והעניק להם שמות כמו אקא-סיליקון ואקא אלומיניום, על בסיס מילה בסנסקריט שפירושה "מעֵבֵר ל-". תוך כמה שנים אכן התגלו היסודות החסרים, עם התכונות שחזה מנדלייב, בהם הגַליוּם (אקא-אלומיניום) והגֶרְמַניוּם (אקא-סיליקון). בשנים שלאחר מכן התגלו עוד ועוד יסודות, וכולם שובצו בהצלחה בטבלה הזו, אפילו יסודות מלאכותיים שלא היו קיימים כלל במאה ה-19.

הטבלה של מנדלייב מ-1869. את הגרסה המוכרת פרסם כעבור שנתיים. למעלה: מנדלייב עצמו | צילומים: Science Photo Library

מועמדות אחת

מנדלייב פרסם את הטבלה המחזורית שלו ב-1869. אף על פי שכמו כל חידוש היא התקבלה בחשדנות של הקהילה המדעית, בתוך שנים אחדות זכו הטבלה וממציאה להכרה גורפת. הגילוי האפיל על תרומות אחרות שלו לכימיה, כמו מחקר בדשנים, בדלקים ובחומרי נפץ וכן חקר התכונות הפיזיקליות של חומרים שונים ושל מצבי צבירה.

מנדלייב קנה לעצמו מעמד רם בקהילה המדעית ברוסיה. מעמדו היה כה איתן, עד שהאגדה מספרת שכשהתגרש מאשתו ולא אבה לחכות כמה שנים עד שיישא אחרת לפי דרישת הכנסייה, שיחד כומר שיחתן אותו מייד. כשהדבר התגלה והכומר הודח, אמר הצאר לפקיד שהתלונן על כך "למנדלייב יש אמנם שתי נשים, אבל לי יש רק מנדלייב אחד". בין אם הסיפור נכון ובין אם לאו, ב-1891 אולץ בכל זאת להתפטר בגלל תמיכתו הפוליטית בקבוצות סטודנטים קיצוניות.

כמה שנים לאחר מכן שוב זרחה קרנו והוא מונה לראש הלשכה למידות ומשקולות – מעין מכון תקנים. מנדלייב גם הקים את האגודה הרוסית לכימיה, וקידם את השימוש בשיטה המטרית במדינה. הוא זכה בפרסים מדעיים רבים, אבל החמיץ את הפרס החשוב מכולם. ב-1905 וב-1906 היה מועמד לפרס נובל, אך הפסיד על חודו של קול. הוא לא הספיק להיות מועמד שוב. ב-2 בפברואר 1907 מת משפעת, ימים אחדים לפני יום הולדתו ה-73. בסופו של דבר הוא זכה לכבוד גדול עוד יותר – יסוד מספר 101 נקרא על שמו מנדלביום, וכך הוא הונצח בטבלה המחזורית שהוא עצמו פיתח.