周期表の歴史:錬金術から118番元素まで

古代の元素と錬金術

現在の元素のうち10種類は、元素という言葉が現代的な意味で使われるずっと前から知られていました。金、銀、銅、鉄、スズ、鉛、水銀、硫黄、炭素、アンチモンです。誰が最初に見つけたのかは、だれにもわかりません。古代ギリシャの思想家たちは、エンペドクレスやアリストテレスにならって、すべてのものは4つの元素(土、水、空気、火)の混合物だと考えました。この考えは2千年近く続きました。

イスラム世界や中世ヨーロッパの錬金術師たちは、安価な金属を金に変えようとしました。成功しませんでしたが、蒸留などの実験室の技術を磨きました。1661年にロバート・ボイルは『懐疑的化学者』で4元素説に異議を唱え、化学者に実験を信頼するよう訴えました。1669年には錬金術師ヘニッヒ・ブラントが賢者の石を探している最中にリンを発見しました。リンは、発見者が記録に残る最も古い元素の1つです。

ラボアジエの単体のリスト(1789年)

現代化学は、フランスの化学者アントワーヌ・ラボアジエによって形づくられました。彼は注意深い秤量によって、化学反応で質量が失われないことを示し、酸素と水素に名前を与えました。1789年の『化学原論』で、彼は元素を実用的な言葉で定義しました。既知のどんな化学的方法でも、それ以上単純なものに分解できない物質、というものです。

この本には、気体、非金属、金属、土類に分けられた33の「単体」が載っていました。ほとんどは本当の元素でしたが、光や熱も載っていて、石灰やシリカなどの土類は後に化合物だとわかりました。それでもラボアジエは、化学者に元素の明確で検証できる定義と、土台となる最初のリストを与えました。

ドルトンと原子の重さの測定

1803年ごろ、イギリスの教師ジョン・ドルトンは、それぞれの元素はその元素固有の原子でできていて、固有の重さをもつと提唱しました。原子は小さすぎて量れないため、彼は元素が結合する割合から相対的な重さを導き、水素を1として、原子量の最初の表の1つを発表しました。

ドルトンの数値の多くは、化学式を推測するしかなかったため誤りを含んでいました。たとえば彼は、水をH₂OではなくHOだと考えました。スウェーデンの化学者イェンス・ヤコブ・ベルセリウスははるかに正確に原子量を測定し、今も使われているアルファベットの元素記号を導入しましたが、意見の不一致は1860年のカールスルーエ会議まで続きました。この会議でスタニスラオ・カニッツァーロが、一貫した原子量の組を得る方法を示しました。メンデレーエフとローター・マイヤーはどちらも聴衆の中にいました。

デーベライナーの三つ組元素(1829年)

原子量と化学的性質が結びついていることを示す最初の明確な手がかりの1つは、ドイツの化学者ヨハン・ヴォルフガング・デーベライナーから生まれました。1829年に彼は三つ組元素を発表しました。性質の似た3つの元素のグループで、真ん中の元素の原子量が、ほかの2つの平均に近くなるというものです。カルシウム・ストロンチウム・バリウム、塩素・臭素・ヨウ素、リチウム・ナトリウム・カリウムがその例です。

三つ組元素は元素の自然な族を明らかにしましたが、当てはまる元素はほんのわずかで、ある三つ組と次の三つ組を結びつける方法もありませんでした。

らせんとオクターブ(1862~1865年)

1862年、フランスの地質学者アレクサンドル=エミール・ベギュイエ・ド・シャンクルトワは、円筒に巻きつけたらせんに沿って、元素を原子量の順に書きました。すると、似た元素が上下に並びました。テルルにちなんで名づけられた彼の「地のらせん」は、性質がくり返し現れることを示した最初の配列の1つでしたが、図が付かないまま発表されたため、ほとんど注目されませんでした。

1865年、イギリスの化学者ジョン・ニューランズは、原子量の順に並べると、8番目ごとの元素が音階の音のように最初の元素の性質をくり返しているように見えることに気づきました。この「オクターブの法則」は軽い元素ではうまくいきましたが、カルシウムのあとで破れ、1866年にロンドン化学会は論文の掲載を断りました。

メンデレーエフとローター・マイヤー(1869~1870年)

サンクトペテルブルクの化学教授ドミトリ・メンデレーエフは、教科書を書いているときに、元素の背後にある秩序を探し始めました。1869年の初めに、当時知られていた元素を原子量の順に、似た元素がそろうような表に並べ、3月にその論文がロシア化学会で発表されました。彼は周期律を述べました。元素を原子量の順に並べると、性質が一定の間隔でくり返し現れる、というものです。

彼の表を際立たせたのは、その大胆さでした。メンデレーエフは厳密な重さの順よりも化学的性質を優先し、まだ発見されていないと考えた元素のために空欄を残し、受け入れられていた原子量の一部は誤りだと主張しました。

ドイツでは、ローター・マイヤーがメンデレーエフとは独立に非常によく似た表にたどり着き、1870年に発表しました。そこには、原子量が増えるにつれて原子体積が波のように上下することを示すグラフも添えられていました。1882年にロンドンの王立協会は、2人にデービー・メダルを授与しました。

予言の的中(1875~1886年)

メンデレーエフは、まだ見つかっていない3つの元素を詳しく記述し、エカアルミニウム、エカホウ素、エカケイ素と名づけました。「エカ」はサンスクリット語で「1」を意味し、既知の元素から1つ先の位置を表します。これらは、1875年にポール=エミール・ルコック・ド・ボワボードランが見つけたガリウム、1879年にラーシュ・フレドリク・ニルソンが見つけたスカンジウム、1886年にクレメンス・ヴィンクラーが見つけたゲルマニウムとして現れました。

一致ぶりは見事でした。エカケイ素についてメンデレーエフは原子量約72、密度約5.5グラム毎立方センチメートルと予測し、ゲルマニウムの値は72.6と5.3です。疑っていた人々も納得し、周期表は化学の中心的な地図になりました。

希ガスの居場所が決まる(1890年代)

1894年、レイリー卿とウィリアム・ラムゼーは、ふつうの空気に隠れていた反応しない気体、アルゴンを発見しました。1898年までにラムゼーは地球上でヘリウムも単離し、モリス・トラバースとともにネオン、クリプトン、キセノンを発見しました。ラドンは1899年から1900年にかけて続きました。これらの気体は、既存のどの列にも当てはまりませんでした。

答えは、ハロゲンとアルカリ金属のあいだに入る新しい族でした。最初は0族とよばれ、現在は18族です。この族は周期的なパターンにきれいに収まり、1904年にラムゼーはノーベル化学賞、レイリーはノーベル物理学賞を受賞しました。

モーズリーと原子番号(1913年)

アルゴンとカリウム、コバルトとニッケルのように、いくつかの元素の組は、重さの順では依然として順序が逆になっていました。1913年、若いイギリスの物理学者ヘンリー・モーズリーは、マンチェスターのアーネスト・ラザフォードの研究室で、さまざまな元素から出るX線を測定し、その振動数が元素ごとに等間隔で上がっていくことを見つけました。

その1段階ごとに、原子核の正電荷が1単位ずつ増えることに対応していました。この原子番号が周期表の本当の基盤となり、まだ見つかっていない元素がどれかを正確に示しました。モーズリーは1915年、ガリポリで戦死しました。27歳でした。

シーボーグ、アクチノイド、超重元素(1940~2016年)

科学者たちは、自然界で非常にまれか、存在しない元素をつくることも学びました。1937年につくられたテクネチウムは最初の人工元素で、1940年にはネプツニウムとプルトニウムがウランより先の最初の元素になりました。1944年にグレン・シーボーグは、アクチニウム以降の元素が、ランタノイドとよく似た独自の系列、アクチノイドをなすことを提案しました。1945年に発表されたこの考えにより、それらは主表の下の別の行に移され、周期表は現代の形になりました。

それ以来、アメリカ、ソ連、のちにロシア、ドイツ、日本の研究所が、原子核を融合させることで、ますます重い元素を、しばしば一度に数個の原子だけつくってきました。化学と物理学の国際連合であるIUPACとIUPAPの合同作業部会が、現在は一つ一つの主張を審査しています。2016年には、最後に確認された4つの元素がニホニウム、モスコビウム、テネシン、オガネソンと命名され、第7周期が完成しました。第8周期を開くことになる119番と120番元素の探索は、今も続いています。