Historie periodické tabulky: od alchymie k prvku 118

Starověké prvky a alchymie

Deset dnešních prvků bylo známo dávno předtím, než někdo použil slovo prvek v jeho moderním významu: zlato, stříbro, měď, železo, cín, olovo, rtuť, síra, uhlík a antimon. Nikdo neví, kdo je objevil jako první. Staří řečtí myslitelé, navazující na Empedokla a Aristotela, věřili místo toho, že vše je směsí čtyř živlů (země, vody, vzduchu a ohně), což byla myšlenka, která vydržela téměř dva tisíce let.

Alchymisté v islámském světě a ve středověké Evropě se pokoušeli přeměnit obyčejné kovy na zlato. Nepodařilo se jim to, ale zdokonalili laboratorní postupy, například destilaci. V roce 1661 zpochybnil Robert Boyle teorii čtyř živlů ve spise Skeptický chemik a vyzval chemiky, aby důvěřovali pokusům, a v roce 1669 alchymista Hennig Brand objevil fosfor při hledání kamene mudrců, což byl jeden z prvních prvků se zaznamenaným objevitelem.

Lavoisierův seznam jednoduchých látek (1789)

Moderní chemie se zformovala s francouzským chemikem Antoinem Lavoisierem, který pečlivým vážením prokázal, že se při chemických reakcích hmotnost neztrácí, a dal kyslíku a vodíku jejich jména. Ve svém díle Základy chemie z roku 1789 definoval prvek prakticky: jako látku, kterou žádná známá chemická metoda nedokáže rozložit na nic jednoduššího.

Kniha uváděla 33 takových „jednoduchých látek“, rozdělených na plyny, nekovy, kovy a zeminy. Většina z nich byly skutečné prvky, ale na seznamu byly i světlo a teplo a zeminy, jako vápno a křemen, se později ukázaly jako sloučeniny. Přesto Lavoisier dal chemikům jasnou, ověřitelnou definici prvku a první seznam, na kterém mohli stavět.

Dalton a vážení atomů

Kolem roku 1803 navrhl anglický učitel John Dalton, že každý prvek se skládá z vlastního druhu atomů s vlastní hmotností. Atomy byly příliš malé na to, aby se daly zvážit, a proto odvodil relativní hmotnosti z poměrů, v nichž se prvky slučují, přičemž za jedničku vzal vodík, a publikoval jednu z prvních tabulek atomových hmotností.

Mnohá Daltonova čísla byla nepřesná, protože musel vzorce odhadovat; předpokládal například, že voda je HO, a nikoli H₂O. Švédský chemik Jöns Jacob Berzelius měřil atomové hmotnosti mnohem přesněji a zavedl písmenné značky, které se používají dodnes, ale neshody trvaly až do karlsruheského kongresu v roce 1860, kde Stanislao Cannizzaro ukázal, jak získat ucelenou soustavu atomových hmotností. Mendělejev i Lothar Meyer byli mezi posluchači.

Döbereinerovy triády (1829)

Jeden z prvních jasných náznaků, že atomová hmotnost a chemické chování spolu souvisejí, přinesl německý chemik Johann Wolfgang Döbereiner. V roce 1829 popsal triády, tedy skupiny tří podobných prvků, v nichž se atomová hmotnost prostředního prvku blíží průměru zbývajících dvou: vápník, stroncium a baryum; chlor, brom a jod; a lithium, sodík a draslík.

Triády odhalily přirozené rodiny prvků, ale hodilo se do nich jen několik málo prvků a neexistoval způsob, jak jednu triádu propojit s další.

Spirála a oktáva (1862–1865)

V roce 1862 zapsal francouzský geolog Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois prvky v pořadí podle atomové hmotnosti podél spirály ovinuté kolem válce, takže podobné prvky ležely nad sebou. Jeho telurický šroub, pojmenovaný podle telluru, byl jedním z prvních uspořádání, které ukazovalo opakování vlastností, ale byl publikován bez diagramu a zůstal z velké části bez povšimnutí.

V roce 1865 si anglický chemik John Newlands všiml, že při řazení podle atomové hmotnosti se vlastnosti prvního prvku zdánlivě opakují u každého osmého prvku, podobně jako tóny hudební stupnice. Jeho zákon oktáv fungoval pro lehčí prvky, ale po vápníku selhával, a v roce 1866 londýnská Chemická společnost odmítla jeho práci publikovat.

Mendělejev a Lothar Meyer (1869–1870)

Dmitrij Mendělejev, profesor chemie v Petrohradě, psal učebnici, když začal hledat řád, který se skrývá za prvky. Na začátku roku 1869 uspořádal tehdy známé prvky podle atomové hmotnosti do mřížky, v níž se podobné prvky řadily pod sebe, a v březnu byla jeho práce předložena Ruské chemické společnosti. Vyslovil periodický zákon: při uspořádání podle atomové hmotnosti vykazují prvky vlastnosti, které se opakují v pravidelných odstupech.

Jeho tabulku odlišovala odvaha. Mendělejev dal chemii přednost před přísným pořadím podle hmotnosti, ponechal prázdná místa pro prvky, o nichž věřil, že dosud nebyly objeveny, a tvrdil, že některé uznávané atomové hmotnosti jsou chybné.

V Německu dospěl Lothar Meyer nezávisle k velmi podobné tabulce a publikoval ji v roce 1870 spolu s grafem, který ukazoval, že atomový objem s rostoucí atomovou hmotností vlnovitě stoupá a klesá. V roce 1882 udělila londýnská Královská společnost oběma mužům Davyho medaili.

Potvrzení předpovědí (1875–1886)

Mendělejev podrobně popsal tři chybějící prvky a nazval je ekahliník, ekabor a ekakřemík, od sanskrtského eka, což znamená „jedna“, tedy o jedno místo za známým prvkem. Objevily se jako gallium, které v roce 1875 našel Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, skandium, které v roce 1879 našel Lars Fredrik Nilson, a germanium, které v roce 1886 našel Clemens Winkler.

Shody byly nápadné. Pro ekakřemík Mendělejev předpověděl atomovou hmotnost asi 72 a hustotu asi 5,5 gramu na centimetr krychlový; u germania jsou to hodnoty 72,6 a 5,3. Pochybovači byli přesvědčeni a periodická tabulka se stala ústřední mapou chemie.

Vzácné plyny nacházejí své místo (90. léta 19. století)

V roce 1894 objevili lord Rayleigh a William Ramsay argon, nereaktivní plyn ukrytý v běžném vzduchu. Do roku 1898 Ramsay také izoloval helium na Zemi a spolu s Morrisem Traversem objevil neon, krypton a xenon; radon následoval v letech 1899 a 1900. Žádný z těchto plynů nezapadal do žádného existujícího sloupce.

Řešením byla celá nová skupina mezi halogeny a alkalickými kovy, zprvu nazývaná skupina 0 a dnes skupina 18. Do periodického uspořádání zapadla přesně a v roce 1904 získal Ramsay Nobelovu cenu za chemii a Rayleigh Nobelovu cenu za fyziku.

Moseley a atomové číslo (1913)

Několik dvojic prvků, například argon a draslík nebo kobalt a nikl, stále stálo mimo pořadí podle hmotnosti. V roce 1913 mladý anglický fyzik Henry Moseley, pracující v laboratoři Ernesta Rutherforda v Manchesteru, změřil rentgenové záření vyzařované různými prvky a zjistil, že jeho frekvence rostou od prvku k prvku rovnoměrnými kroky.

Každý krok odpovídal o jednu jednotku většímu kladnému náboji v jádře atomu. Toto atomové číslo se stalo skutečným základem tabulky a ukázalo přesně, které prvky ještě chybějí. Moseley padl v boji u Gallipoli v roce 1915 ve věku 27 let.

Seaborg, aktinoidy a supertěžké prvky (1940–2016)

Vědci se také naučili vyrábět prvky, které jsou v přírodě mimořádně vzácné nebo se tam nevyskytují vůbec. Technecium, vyrobené v roce 1937, bylo prvním uměle vytvořeným prvkem a v roce 1940 se neptunium a plutonium staly prvními prvky za uranem. V roce 1944 Glenn Seaborg navrhl, že prvky od aktinia dále tvoří vlastní řadu, aktinoidy, podobně jako lanthanoidy. Tato myšlenka, publikovaná v roce 1945, je přesunula do samostatného řádku pod hlavní tabulku a dala tabulce její moderní podobu.

Od té doby laboratoře ve Spojených státech, Sovětském svazu a později v Rusku, Německu a Japonsku vytvářejí stále těžší prvky, často jen po několika atomech, slučováním atomových jader. Každý nárok dnes posuzuje společná pracovní skupina IUPAC a IUPAP, mezinárodních svazů pro chemii a fyziku. V roce 2016 byly poslední čtyři potvrzené prvky pojmenovány nihonium, moscovium, tennessin a oganesson, čímž byla dokončena sedmá perioda. Pátrání po prvcích 119 a 120, které by otevřely osmou periodu, pokračuje.