Historia układu okresowego: od alchemii do pierwiastka 118

Pierwiastki starożytne i alchemia

Dziesięć dzisiejszych pierwiastków było znanych na długo, zanim ktokolwiek użył słowa pierwiastek w jego nowoczesnym znaczeniu: złoto, srebro, miedź, żelazo, cyna, ołów, rtęć, siarka, węgiel i antymon. Nikt nie wie, kto odkrył je jako pierwszy. Starożytni greccy myśliciele, idąc za Empedoklesem i Arystotelesem, wierzyli natomiast, że wszystko jest mieszaniną czterech żywiołów (ziemi, wody, powietrza i ognia), a ta idea przetrwała blisko dwa tysiące lat.

Alchemicy w świecie islamskim i w średniowiecznej Europie próbowali zamieniać tanie metale w złoto. Nie udało im się to, ale udoskonalili metody laboratoryjne, takie jak destylacja. W 1661 roku Robert Boyle zakwestionował teorię czterech żywiołów w książce The Sceptical Chymist, wzywając chemików do zaufania eksperymentom, a w 1669 roku alchemik Hennig Brand odkrył fosfor, szukając kamienia filozoficznego. Był to jeden z najwcześniejszych pierwiastków ze znanym odkrywcą.

Lista substancji prostych Lavoisiera (1789)

Współczesna chemia ukształtowała się dzięki francuskiemu chemikowi Antoine'owi Lavoisierowi, który dzięki starannemu ważeniu wykazał, że masa nie ginie w reakcjach chemicznych, i nadał tlenowi oraz wodorowi ich nazwy. W swoim wydanym w 1789 roku Elementarnym wykładzie chemii zdefiniował pierwiastek w sposób praktyczny: jako substancję, której żadną znaną metodą chemiczną nie można rozłożyć na coś prostszego.

Książka wymieniała 33 takie „substancje proste”, uporządkowane na gazy, niemetale, metale i ziemie. Większość z nich była prawdziwymi pierwiastkami, ale na liście znalazły się też światło i ciepło, a ziemie, takie jak wapno i krzemionka, okazały się później związkami. Mimo to Lavoisier dał chemikom jasną, możliwą do sprawdzenia definicję pierwiastka i pierwszą listę, na której można było budować dalej.

Dalton i ważenie atomów

Około 1803 roku angielski nauczyciel John Dalton zaproponował, że każdy pierwiastek składa się z własnego rodzaju atomów o własnej masie. Atomy były zbyt małe, by je zważyć, więc obliczał masy względne z proporcji, w jakich pierwiastki się łączą, przyjmując masę wodoru za 1, i opublikował jedną z pierwszych tabel mas atomowych.

Wiele liczb Daltona było błędnych, ponieważ musiał zgadywać wzory; zakładał na przykład, że woda to HO, a nie H₂O. Szwedzki chemik Jöns Jacob Berzelius zmierzył masy atomowe znacznie dokładniej i wprowadził oznaczenia literowe używane do dziś, ale spory trwały aż do kongresu w Karlsruhe w 1860 roku, na którym Stanislao Cannizzaro pokazał, jak uzyskać spójny zestaw mas atomowych. Wśród słuchaczy byli zarówno Mendelejew, jak i Lothar Meyer.

Triady Döbereinera (1829)

Jedną z pierwszych wyraźnych wskazówek, że masa atomowa i zachowanie chemiczne są ze sobą powiązane, dał niemiecki chemik Johann Wolfgang Döbereiner. W 1829 roku opisał triady, czyli grupy trzech podobnych pierwiastków, w których masa atomowa środkowego pierwiastka jest bliska średniej z dwóch pozostałych: wapń, stront i bar; chlor, brom i jod; oraz lit, sód i potas.

Triady ujawniły naturalne rodziny pierwiastków, ale pasowała do nich tylko garstka pierwiastków i nie było sposobu, by połączyć jedną triadę z następną.

Spirala i oktawa (1862–1865)

W 1862 roku francuski geolog Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois zapisał pierwiastki w kolejności mas atomowych wzdłuż spirali nawiniętej na walec, tak że podobne pierwiastki układały się jeden nad drugim. Jego śruba telluryczna, nazwana od telluru, była jednym z pierwszych układów pokazujących powtarzanie się własności, ale została opublikowana bez rysunku i w dużej mierze pozostała niezauważona.

W 1865 roku angielski chemik John Newlands zauważył, że po uporządkowaniu według mas atomowych co ósmy pierwiastek zdaje się powtarzać własności pierwszego, jak dźwięki skali muzycznej. Jego prawo oktaw działało dla lżejszych pierwiastków, ale załamywało się po wapniu, a w 1866 roku londyńskie Towarzystwo Chemiczne odmówiło jego opublikowania.

Mendelejew i Lothar Meyer (1869–1870)

Dmitrij Mendelejew, profesor chemii w Petersburgu, pisał podręcznik, gdy zaczął szukać porządku stojącego za pierwiastkami. Na początku 1869 roku ułożył znane wówczas pierwiastki według mas atomowych w siatkę, w której podobne pierwiastki znalazły się obok siebie, a w marcu jego artykuł został przedstawiony Rosyjskiemu Towarzystwu Chemicznemu. Sformułował prawo okresowości: uporządkowane według mas atomowych pierwiastki wykazują własności powtarzające się w regularnych odstępach.

Jego układ wyróżniała odwaga. Mendelejew przedłożył chemię nad ścisły porządek mas, pozostawił puste miejsca dla pierwiastków, które jego zdaniem nie zostały jeszcze odkryte, i twierdził, że niektóre przyjęte masy atomowe są błędne.

W Niemczech Lothar Meyer niezależnie doszedł do bardzo podobnego układu i opublikował go w 1870 roku, wraz z wykresem pokazującym, że objętość atomowa rośnie i maleje falami wraz ze wzrostem masy atomowej. W 1882 roku londyńskie Towarzystwo Królewskie przyznało obu uczonym Medal Davy'ego.

Potwierdzone przewidywania (1875–1886)

Mendelejew szczegółowo opisał trzy brakujące pierwiastki, nazywając je ekaglinem, ekaborem i ekakrzemem, od sanskryckiego eka, oznaczającego „jeden”, czyli jedno miejsce za znanym pierwiastkiem. Okazały się nimi gal, odkryty przez Paula-Émile'a Lecoqa de Boisbaudrana w 1875 roku, skand, odkryty przez Larsa Fredrika Nilsona w 1879 roku, i german, odkryty przez Clemensa Winklera w 1886 roku.

Zgodność była uderzająca. Dla ekakrzemu Mendelejew przewidział masę atomową około 72 i gęstość około 5,5 grama na centymetr sześcienny; dla germanu wynoszą one 72,6 i 5,3. Sceptycy zostali przekonani, a układ okresowy stał się centralną mapą chemii.

Gazy szlachetne znajdują swoje miejsce (lata 90. XIX wieku)

W 1894 roku lord Rayleigh i William Ramsay odkryli argon, niereaktywny gaz ukryty w zwykłym powietrzu. Do 1898 roku Ramsay wyodrębnił także hel na Ziemi i wraz z Morrisem Traversem odkrył neon, krypton i ksenon; radon pojawił się w latach 1899 i 1900. Żaden z tych gazów nie pasował do żadnej istniejącej kolumny.

Rozwiązaniem była zupełnie nowa grupa między fluorowcami a litowcami, nazwana najpierw grupą 0, a obecnie grupą 18. Pasowała ona starannie do okresowego wzorca, a w 1904 roku Ramsay otrzymał Nagrodę Nobla z chemii, a Rayleigh Nagrodę Nobla z fizyki.

Moseley i liczba atomowa (1913)

Kilka par pierwiastków, takich jak argon i potas czy kobalt i nikiel, nadal wypadało poza kolejnością mas. W 1913 roku młody angielski fizyk Henry Moseley, pracując w laboratorium Ernesta Rutherforda w Manchesterze, zmierzył promieniowanie rentgenowskie emitowane przez różne pierwiastki i stwierdził, że jego częstotliwości rosną równymi krokami od jednego pierwiastka do następnego.

Każdy krok odpowiadał jednej dodatkowej jednostce ładunku dodatniego w jądrze atomu. Ta liczba atomowa stała się prawdziwą podstawą układu i pokazała dokładnie, których pierwiastków jeszcze brakuje. Moseley zginął w walce pod Gallipoli w 1915 roku, w wieku 27 lat.

Seaborg, aktynowce i pierwiastki superciężkie (1940–2016)

Naukowcy nauczyli się też wytwarzać pierwiastki, które są niezwykle rzadkie lub nie występują w przyrodzie. Technet, wytworzony w 1937 roku, był pierwszym pierwiastkiem otrzymanym sztucznie, a w 1940 roku neptun i pluton stały się pierwszymi pierwiastkami za uranem. W 1944 roku Glenn Seaborg zaproponował, że pierwiastki od aktynu wzwyż tworzą własny szereg, aktynowce, podobnie jak lantanowce. Opublikowana w 1945 roku idea przeniosła je do osobnego wiersza pod główną częścią układu i nadała mu nowoczesny kształt.

Od tego czasu laboratoria w Stanach Zjednoczonych, Związku Radzieckim, a później w Rosji, Niemczech i Japonii wytwarzały coraz cięższe pierwiastki, często po kilka atomów naraz, łącząc jądra atomowe. Wspólna grupa robocza IUPAC i IUPAP, międzynarodowych unii chemii i fizyki, ocenia teraz każde doniesienie. W 2016 roku ostatnie cztery potwierdzone pierwiastki otrzymały nazwy nihon, moskow, tenes i oganeson, dopełniając siódmy okres. Poszukiwania pierwiastków 119 i 120, które otworzyłyby ósmy okres, trwają nadal.