Sejarah jadual berkala: daripada alkimia hingga unsur 118

Unsur purba dan alkimia

Sepuluh daripada unsur hari ini telah diketahui lama sebelum sesiapa menggunakan perkataan unsur dalam makna modennya: emas, perak, kuprum, ferum, stanum, plumbum, merkuri, sulfur, karbon dan antimoni. Tiada siapa yang tahu siapa yang menemuinya dahulu. Pemikir Yunani purba, mengikuti Empedocles dan Aristotle, percaya bahawa segala-galanya ialah campuran empat unsur (tanah, air, udara dan api), satu idea yang bertahan hampir dua ribu tahun.

Ahli alkimia di dunia Islam dan Eropah zaman pertengahan cuba menukarkan logam murah menjadi emas. Mereka gagal, tetapi mereka memperhalusi kaedah makmal seperti penyulingan. Pada tahun 1661 Robert Boyle mencabar teori empat unsur dalam The Sceptical Chymist, menggesa ahli kimia supaya mempercayai eksperimen, dan pada tahun 1669 ahli alkimia Hennig Brand menemui fosforus semasa memburu batu ahli falsafah, salah satu unsur terawal yang mempunyai penemu yang direkodkan.

Senarai bahan ringkas Lavoisier (1789)

Kimia moden mula terbentuk bersama ahli kimia Perancis Antoine Lavoisier, yang menunjukkan melalui penimbangan yang teliti bahawa jisim tidak hilang dalam tindak balas kimia dan memberikan oksigen dan hidrogen nama mereka. Dalam bukunya Elementary Treatise on Chemistry pada tahun 1789, beliau mentakrifkan unsur dari segi praktikal: bahan yang tidak dapat dipecahkan kepada sesuatu yang lebih ringkas oleh sebarang kaedah kimia yang diketahui.

Buku itu menyenaraikan 33 “bahan ringkas” ini, yang disusun kepada gas, bukan logam, logam dan bumi. Kebanyakannya ialah unsur sebenar, tetapi cahaya dan haba juga ada dalam senarai itu, dan bumi seperti kapur dan silika kemudiannya terbukti sebagai sebatian. Walaupun begitu, Lavoisier memberikan ahli kimia takrifan unsur yang jelas dan boleh diuji serta senarai pertama untuk dijadikan asas.

Dalton dan penimbangan atom

Sekitar tahun 1803 guru Inggeris John Dalton mencadangkan bahawa setiap unsur terdiri daripada jenis atomnya sendiri dengan beratnya sendiri. Atom terlalu kecil untuk ditimbang, jadi beliau menentukan berat relatif daripada perkadaran unsur bergabung, dengan mengambil hidrogen sebagai 1, dan menerbitkan salah satu jadual berat atom yang pertama.

Banyak angka Dalton tersasar kerana beliau terpaksa meneka formula; contohnya, beliau menganggap air ialah HO dan bukannya H₂O. Ahli kimia Sweden Jöns Jacob Berzelius mengukur berat atom dengan jauh lebih tepat dan memperkenalkan simbol huruf yang masih digunakan hari ini, tetapi perselisihan berlarutan sehingga Kongres Karlsruhe 1860, di mana Stanislao Cannizzaro menunjukkan cara mendapatkan set berat atom yang konsisten. Mendeleev dan Lothar Meyer kedua-duanya hadir dalam kalangan hadirin.

Triad Döbereiner (1829)

Salah satu petunjuk jelas yang pertama bahawa berat atom dan tingkah laku kimia saling berkaitan datang daripada ahli kimia Jerman Johann Wolfgang Döbereiner. Pada tahun 1829 beliau memperihalkan triad, kumpulan tiga unsur yang serupa di mana berat atom unsur tengah hampir dengan purata dua unsur yang lain: kalsium, stronsium dan barium; klorin, bromin dan iodin; serta litium, natrium dan kalium.

Triad mendedahkan keluarga unsur yang semula jadi, tetapi hanya segelintir unsur yang sesuai, dan tiada cara untuk menghubungkan satu triad dengan triad yang seterusnya.

Sebuah lingkaran dan sebuah oktaf (1862–1865)

Pada tahun 1862 ahli geologi Perancis Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois menulis unsur mengikut tertib berat atom di sepanjang lingkaran yang dililit pada sebuah silinder, supaya unsur yang serupa tersusun satu di atas yang lain. Skru teluriknya, dinamakan sempena telurium, merupakan salah satu susunan pertama yang menunjukkan sifat berulang, tetapi ia diterbitkan tanpa rajahnya dan kebanyakannya tidak diperhatikan.

Pada tahun 1865 ahli kimia Inggeris John Newlands memerhatikan bahawa, mengikut tertib berat atom, setiap unsur kelapan seolah-olah mengulangi sifat unsur pertama, seperti not dalam sesuatu skala muzik. Hukum oktafnya berfungsi untuk unsur yang lebih ringan tetapi gagal selepas kalsium, dan pada tahun 1866 Persatuan Kimia di London enggan menerbitkannya.

Mendeleev dan Lothar Meyer (1869–1870)

Dmitri Mendeleev, seorang profesor kimia di St. Petersburg, sedang menulis buku teks apabila beliau mula mencari susunan di sebalik unsur-unsur. Pada awal tahun 1869 beliau menyusun unsur yang diketahui ketika itu mengikut berat atom dalam sebuah grid yang menjajarkan unsur yang serupa, dan pada bulan Mac kertas kerjanya dibentangkan kepada Persatuan Kimia Rusia. Beliau menyatakan hukum berkala: apabila disusun mengikut berat atom, unsur-unsur menunjukkan sifat yang berulang pada sela yang tetap.

Apa yang membezakan jadualnya ialah keberaniannya. Mendeleev mengutamakan kimia berbanding tertib berat yang ketat, meninggalkan ruang kosong untuk unsur yang beliau percaya masih belum ditemui, dan berhujah bahawa sesetengah berat atom yang diterima adalah salah.

Di Jerman, Lothar Meyer mencapai jadual yang sangat serupa secara bebas dan menerbitkannya pada tahun 1870, bersama graf yang menunjukkan isi padu atom naik dan turun dalam bentuk gelombang apabila berat atom bertambah. Pada tahun 1882 Royal Society di London menganugerahkan Pingat Davy kepada kedua-dua mereka.

Ramalan disahkan (1875–1886)

Mendeleev memperihalkan tiga unsur yang hilang secara terperinci, menamakannya eka-aluminium, eka-boron dan eka-silikon, daripada perkataan Sanskrit eka, yang bermaksud “satu”, bagi satu tempat selepas unsur yang diketahui. Unsur-unsur itu muncul sebagai galium, ditemui oleh Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran pada tahun 1875, skandium, ditemui oleh Lars Fredrik Nilson pada tahun 1879, dan germanium, ditemui oleh Clemens Winkler pada tahun 1886.

Kesepadanannya amat mengagumkan. Bagi eka-silikon, Mendeleev telah meramalkan berat atom kira-kira 72 dan ketumpatan kira-kira 5.5 gram per sentimeter padu; nilai germanium ialah 72.6 dan 5.3. Mereka yang ragu-ragu akhirnya yakin, dan jadual berkala menjadi peta utama kimia.

Gas adi mendapat tempatnya (1890-an)

Pada tahun 1894 Lord Rayleigh dan William Ramsay menemui argon, gas tidak reaktif yang tersembunyi dalam udara biasa. Menjelang tahun 1898 Ramsay juga telah mengasingkan helium di Bumi dan, bersama Morris Travers, menemui neon, kripton dan xenon; radon menyusul pada tahun 1899 dan 1900. Tiada satu pun gas ini sesuai dengan mana-mana lajur sedia ada.

Jawapannya ialah satu kumpulan yang sama sekali baharu di antara halogen dan logam alkali, pada mulanya dipanggil kumpulan 0 dan kini kumpulan 18. Ia sesuai dengan corak berkala dengan kemas, dan pada tahun 1904 Ramsay menerima Hadiah Nobel dalam Kimia manakala Rayleigh menerima Hadiah Nobel dalam Fizik.

Moseley dan nombor atom (1913)

Beberapa pasangan unsur, seperti argon dan kalium atau kobalt dan nikel, masih tidak mengikut tertib berat. Pada tahun 1913 ahli fizik Inggeris yang muda, Henry Moseley, yang bekerja di makmal Ernest Rutherford di Manchester, mengukur sinar-X yang dipancarkan oleh unsur yang berlainan dan mendapati bahawa frekuensinya meningkat dalam langkah yang sekata dari satu unsur ke unsur seterusnya.

Setiap langkah sepadan dengan satu unit lagi cas positif dalam nukleus atom. Nombor atom ini menjadi asas sebenar jadual dan menunjukkan dengan tepat unsur mana yang masih hilang. Moseley terkorban dalam pertempuran di Gallipoli pada tahun 1915, pada usia 27 tahun.

Seaborg, aktinid dan unsur superberat (1940–2016)

Para saintis juga belajar menghasilkan unsur yang sangat jarang atau tiada dalam alam semula jadi. Teknetium, yang dihasilkan pada tahun 1937, ialah unsur pertama yang dihasilkan secara buatan, dan pada tahun 1940 neptunium dan plutonium menjadi unsur pertama selepas uranium. Pada tahun 1944 Glenn Seaborg mencadangkan bahawa unsur dari aktinium seterusnya membentuk siri tersendiri, iaitu aktinid, sama seperti lantanid. Diterbitkan pada tahun 1945, idea itu memindahkannya ke baris yang berasingan di bawah jadual utama dan memberikan jadual itu bentuk modennya.

Sejak itu, makmal di Amerika Syarikat, Kesatuan Soviet dan kemudiannya Rusia, Jerman serta Jepun telah menghasilkan unsur yang semakin berat, selalunya hanya beberapa atom pada satu masa, dengan menggabungkan nukleus atom. Sebuah kumpulan kerja bersama IUPAC dan IUPAP, kesatuan antarabangsa untuk kimia dan fizik, kini menilai setiap tuntutan. Pada tahun 2016 empat unsur terakhir yang disahkan dinamakan nihonium, moskovium, tenesin dan oganeson, melengkapkan baris ketujuh. Pencarian untuk unsur 119 dan 120, yang akan membuka baris kelapan, masih diteruskan.