תולדות הטבלה המחזורית: מאלכימיה ועד היסוד ה-118

יסודות קדומים ואלכימיה

עשרה מהיסודות של ימינו היו ידועים הרבה לפני שמישהו השתמש במילה יסוד במובנה המודרני: זהב, כסף, נחושת, ברזל, בדיל, עופרת, כספית, גופרית, פחמן ואנטימון. איש אינו יודע מי גילה אותם ראשון. הוגים יוונים קדומים, בעקבות אמפדוקלס ואריסטו, האמינו במקום זאת שהכול הוא תערובת של ארבעה יסודות (אדמה, מים, אוויר ואש), רעיון ששרד כמעט אלפיים שנה.

אלכימאים בעולם המוסלמי ובאירופה של ימי הביניים ניסו להפוך מתכות זולות לזהב. הם נכשלו, אך שכללו שיטות מעבדה כמו זיקוק. ב-1661 רוברט בויל חלק על תיאוריית ארבעת היסודות בספרו The Sceptical Chymist וקרא לכימאים לסמוך על ניסויים, וב-1669 גילה האלכימאי הניג ברנד את הזרחן בעת שחיפש את אבן החכמים, אחד היסודות הראשונים שיש תיעוד על מגלה שלהם.

רשימת החומרים הפשוטים של לבואזיה (1789)

הכימיה המודרנית התגבשה עם הכימאי הצרפתי אנטואן לבואזיה, שהראה באמצעות שקילה מדוקדקת שמסה אינה אובדת בתגובות כימיות, והעניק לחמצן ולמימן את שמותיהם. בספרו משנת 1789, מסה יסודית על הכימיה, הגדיר יסוד במונחים מעשיים: חומר שאף שיטה כימית ידועה אינה יכולה לפרק לדבר פשוט יותר.

הספר מנה 33 מה“חומרים הפשוטים” האלה, ממוינים לגזים, אל-מתכות, מתכות ו“אדמות”. רובם היו יסודות אמיתיים, אך גם אור וחום היו ברשימה, ואדמות כמו סיד וסיליקה התבררו מאוחר יותר כתרכובות. עם זאת, לבואזיה העניק לכימאים הגדרה ברורה וניתנת לבדיקה של יסוד ורשימה ראשונה להמשיך ממנה.

דלטון ושקילת האטומים

בסביבות 1803 הציע המורה האנגלי ג'ון דלטון שכל יסוד בנוי מסוג אטומים משלו בעל משקל משלו. אטומים היו קטנים מכדי לשקול אותם, ולכן חישב משקלים יחסיים מהיחסים שבהם יסודות מתחברים, כשהוא לוקח את המימן כ-1, ופרסם את אחת הטבלאות הראשונות של משקלים אטומיים.

רבים ממספריו של דלטון היו שגויים משום שנאלץ לנחש נוסחאות; הוא הניח, למשל, שמים הם HO ולא H₂O. הכימאי השוודי יונס יעקב ברצליוס מדד משקלים אטומיים בדיוק רב יותר והציג את סמלי האותיות שבהם משתמשים עד היום, אך המחלוקות נמשכו עד לקונגרס קרלסרואה ב-1860, שבו הראה סטניסלאו קניצארו כיצד להגיע לסדרה עקבית של משקלים אטומיים. מנדלייב ולותר מאייר היו שניהם בקהל.

השלשות של דֶבֶּרַיינר (1829)

אחד הרמזים הברורים הראשונים לקשר בין משקל אטומי להתנהגות כימית הגיע מהכימאי הגרמני יוהאן וולפגנג דֶבֶּרַיינר. ב-1829 תיאר שלשות, קבוצות של שלושה יסודות דומים שבהן המשקל האטומי של היסוד האמצעי קרוב לממוצע של השניים האחרים: סידן, סטרונציום ובריום; כלור, ברום ויוד; וליתיום, נתרן ואשלגן.

השלשות חשפו משפחות טבעיות של יסודות, אך רק מספר מצומצם של יסודות התאים להן, ולא היה אפשר לחבר שלשה אחת לבאה אחריה.

ספירלה ואוקטבה (1862–1865)

ב-1862 כתב הגיאולוג הצרפתי אלכסנדר-אמיל בגייה דה שנקורטואה את היסודות לפי סדר המשקל האטומי לאורך ספירלה המלופפת סביב גליל, כך שיסודות דומים יושרו זה מעל זה. הבורג הטלורי שלו, ששמו ניתן על שם טלוריום, היה אחד הסידורים הראשונים שהראו תכונות החוזרות על עצמן, אך פורסם ללא התרשים שלו ולא זכה כמעט לתשומת לב.

ב-1865 הבחין הכימאי האנגלי ג'ון ניולנדס שכאשר מסדרים את היסודות לפי משקל אטומי, כל יסוד שמיני נראה כחוזר על תכונות היסוד הראשון, כמו תוי סולם מוזיקלי. חוק האוקטבות שלו עבד ליסודות הקלים אך קרס אחרי סידן, וב-1866 סירבה החברה הכימית בלונדון לפרסם אותו.

מנדלייב ולותר מאייר (1869–1870)

דמיטרי מנדלייב, פרופסור לכימיה בסנט פטרסבורג, כתב ספר לימוד כשיצא לחפש את הסדר שמאחורי היסודות. בראשית 1869 סידר את היסודות שהיו ידועים אז לפי משקל אטומי ברשת שבה יסודות דומים מיושרים, ובמרץ הוצג מאמרו בפני החברה הכימית הרוסית. הוא ניסח חוק מחזורי: כשהיסודות מסודרים לפי משקל אטומי, תכונותיהם חוזרות במרווחים קבועים.

מה שייחד את הטבלה שלו היה העוז שבה. מנדלייב העדיף את הכימיה על פני סדר משקלים קפדני, השאיר מקומות ריקים ליסודות שלדעתו טרם התגלו, וטען שחלק מהמשקלים האטומיים המקובלים שגויים.

בגרמניה הגיע לותר מאייר באופן עצמאי לטבלה דומה מאוד ופרסם אותה ב-1870, יחד עם גרף שמראה את הנפח האטומי עולה ויורד בגלים ככל שהמשקל האטומי גדל. ב-1882 העניקה החברה המלכותית בלונדון את מדליית דייבי לשניהם.

ניבויים שאושרו (1875–1886)

מנדלייב תיאר בפירוט שלושה יסודות חסרים וקרא להם אקה-אלומיניום, אקה-בור ואקה-צורן, מהמילה הסנסקריטית eka שפירושה “אחד”, כלומר מקום אחד אחרי יסוד ידוע. הם התגלו כגליום, שגילה פול-אמיל לקוק דה בואבודרן ב-1875, סקנדיום, שגילה לארס פרדריק נילסון ב-1879, וגרמניום, שגילה קלמנס וינקלר ב-1886.

ההתאמות היו מרשימות. עבור אקה-צורן ניבא מנדלייב משקל אטומי של כ-72 וצפיפות של כ-5.5 גרם לסנטימטר מעוקב; אצל הגרמניום הערכים הם 72.6 ו-5.3. הספקנים השתכנעו, והטבלה המחזורית הפכה למפה המרכזית של הכימיה.

הגזים האצילים מוצאים מקום (שנות ה-90 של המאה ה-19)

ב-1894 גילו לורד ריילי וויליאם ראמזי את הארגון, גז לא תגובתי החבוי באוויר הרגיל. עד 1898 בודד ראמזי גם את ההליום על פני כדור הארץ, ויחד עם מוריס טראברס גילה ניאון, קריפטון וקסנון; הראדון הגיע ב-1899 וב-1900. אף אחד מהגזים הללו לא התאים לאף עמודה קיימת.

התשובה הייתה קבוצה חדשה לגמרי בין ההלוגנים למתכות האלקליות, שנקראה תחילה קבוצה 0 וכיום קבוצה 18. היא התאימה יפה לתבנית המחזורית, וב-1904 קיבל ראמזי את פרס נובל בכימיה וריילי את פרס נובל בפיזיקה.

מוזלי והמספר האטומי (1913)

כמה זוגות של יסודות, כמו ארגון ואשלגן או קובלט וניקל, עדיין היו מחוץ לסדר לפי משקל. ב-1913 מדד הפיזיקאי האנגלי הצעיר הנרי מוזלי, שעבד במעבדתו של ארנסט רתרפורד במנצ'סטר, את קרני ה-X שפולטים יסודות שונים וגילה שהתדרים שלהן עולים בצעדים שווים מיסוד אחד לבא אחריו.

כל צעד תאם יחידה אחת נוספת של מטען חיובי בגרעין האטום. המספר האטומי הזה הפך לבסיס האמיתי של הטבלה והראה בדיוק אילו יסודות עדיין חסרים. מוזלי נהרג בקרב בגליפולי ב-1915, בגיל 27.

סיבורג, האקטינידים והיסודות הכבדים במיוחד (1940–2016)

מדענים למדו גם ליצור יסודות נדירים מאוד או נעדרים בטבע. טכנציום, שנוצר ב-1937, היה היסוד הראשון שיוצר באופן מלאכותי, וב-1940 הפכו נפטוניום ופלוטוניום ליסודות הראשונים שאחרי אורניום. ב-1944 הציע גלן סיבורג שהיסודות מאקטיניום והלאה יוצרים סדרה משלהם, האקטינידים, בדומה ללנתנידים. הרעיון, שפורסם ב-1945, העביר אותם לשורה נפרדת מתחת לטבלה הראשית והעניק לטבלה את צורתה המודרנית.

מאז יצרו מעבדות בארצות הברית, בברית המועצות ולאחר מכן ברוסיה, בגרמניה וביפן יסודות כבדים יותר ויותר, לעיתים רק כמה אטומים בכל פעם, על ידי איחוי גרעיני אטומים. קבוצת עבודה משותפת של IUPAC ושל IUPAP, האיגודים הבין-לאומיים לכימיה ולפיזיקה, שופטת כיום כל טענה. ב-2016 קיבלו ארבעת היסודות האחרונים שאושרו את שמותיהם: ניהוניום, מוסקוביום, טנסין ואוגנסון, והשלימו את השורה השביעית. החיפוש אחר יסודות 119 ו-120, שיפתחו שורה שמינית, נמשך.