История периодической таблицы: от алхимии до элемента 118

Древние элементы и алхимия

Десять сегодняшних элементов были известны задолго до того, как слово «элемент» стали употреблять в современном смысле: золото, серебро, медь, железо, олово, свинец, ртуть, сера, углерод и сурьма. Никто не знает, кто открыл их первым. Древнегреческие мыслители, вслед за Эмпедоклом и Аристотелем, считали, что всё состоит из смеси четырёх элементов (земли, воды, воздуха и огня), и эта идея продержалась почти две тысячи лет.

Алхимики исламского мира и средневековой Европы пытались превратить дешёвые металлы в золото. У них ничего не вышло, но они усовершенствовали лабораторные методы, например перегонку. В 1661 году Роберт Бойль в книге «Химик-скептик» оспорил теорию четырёх элементов, призвав химиков доверять экспериментам, а в 1669 году алхимик Хеннинг Бранд открыл фосфор, разыскивая философский камень, — это один из первых элементов с документально известным первооткрывателем.

Список простых веществ Лавуазье (1789)

Современная химия сложилась благодаря французскому химику Антуану Лавуазье, который тщательным взвешиванием показал, что масса в химических реакциях не теряется, и дал названия кислороду и водороду. В своём «Начальном курсе химии» 1789 года он определил элемент с практической точки зрения: это вещество, которое ни одним известным химическим способом нельзя разложить на что-либо более простое.

В книге перечислено 33 таких «простых вещества», разделённых на газы, неметаллы, металлы и земли. Большинство были настоящими элементами, но в список попали также свет и теплота, а такие земли, как известь и кремнезём, позднее оказались соединениями. Тем не менее Лавуазье дал химикам чёткое, проверяемое определение элемента и первый список, на который можно было опираться.

Дальтон и взвешивание атомов

Около 1803 года английский учитель Джон Дальтон предположил, что каждый элемент состоит из атомов особого рода со своим весом. Атомы были слишком малы, чтобы их взвесить, поэтому он вычислял относительные веса по пропорциям, в которых элементы соединяются, приняв вес водорода за 1, и опубликовал одну из первых таблиц атомных весов.

Многие числа Дальтона были неточными, потому что ему приходилось угадывать формулы; например, он считал, что формула воды — HO, а не H₂O. Шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус измерил атомные веса гораздо точнее и ввёл буквенные символы, используемые до сих пор, но разногласия продолжались до Карлсруэского конгресса 1860 года, где Станислао Канниццаро показал, как получить согласованный набор атомных весов. Менделеев и Лотар Мейер были среди слушателей.

Триады Дёберейнера (1829)

Одним из первых ясных намёков на связь между атомным весом и химическим поведением стали работы немецкого химика Иоганна Вольфганга Дёберейнера. В 1829 году он описал триады — группы из трёх сходных элементов, в которых атомный вес среднего элемента близок к среднему арифметическому двух других: кальций, стронций и барий; хлор, бром и иод; а также литий, натрий и калий.

Триады выявили естественные семейства элементов, но в них вписывались лишь немногие элементы, и не было способа связать одну триаду со следующей.

Спираль и октава (1862–1865)

В 1862 году французский геолог Александр-Эмиль Бегуайе де Шанкуртуа расположил элементы в порядке возрастания атомного веса вдоль спирали, навитой на цилиндр, так что сходные элементы оказывались один над другим. Его «земной винт», названный в честь теллура, стал одной из первых схем, показавших повторяемость свойств, но он был опубликован без чертежа и остался почти незамеченным.

В 1865 году английский химик Джон Ньюлендс заметил, что при расположении по атомному весу каждый восьмой элемент как будто повторяет свойства первого, подобно нотам музыкальной гаммы. Его закон октав работал для лёгких элементов, но нарушался после кальция, и в 1866 году Лондонское химическое общество отказалось его публиковать.

Менделеев и Лотар Мейер (1869–1870)

Дмитрий Менделеев, профессор химии в Санкт-Петербурге, писал учебник, когда начал искать порядок, стоящий за элементами. В начале 1869 года он расположил известные тогда элементы по атомному весу в таблицу, где сходные элементы оказались друг под другом, а в марте его работа была представлена Русскому химическому обществу. Он сформулировал периодический закон: при расположении по атомному весу элементы обнаруживают свойства, которые повторяются через правильные промежутки.

Его таблицу отличала смелость. Менделеев ставил химическое сходство выше строгого порядка по весу, оставлял пустые места для элементов, которые, как он считал, ещё не были открыты, и утверждал, что некоторые общепринятые атомные веса неверны.

В Германии Лотар Мейер независимо пришёл к очень похожей таблице и опубликовал её в 1870 году вместе с графиком, показывающим, что атомный объём с ростом атомного веса то увеличивается, то уменьшается волнами. В 1882 году Лондонское королевское общество присудило обоим учёным медаль Дэви.

Подтверждённые предсказания (1875–1886)

Менделеев подробно описал три недостающих элемента, назвав их экаалюминий, экабор и экакремний, от санскритского «эка» — «один», то есть на одно место дальше известного элемента. Они были найдены как галлий, открытый Полем-Эмилем Лекоком де Буабодраном в 1875 году, скандий, открытый Ларсом Фредриком Нильсоном в 1879 году, и германий, открытый Клеменсом Винклером в 1886 году.

Совпадения были поразительными. Для экакремния Менделеев предсказал атомный вес около 72 и плотность около 5,5 грамма на кубический сантиметр; у германия они равны 72,6 и 5,3. Скептики были убеждены, и периодическая таблица стала главной картой химии.

Благородные газы находят своё место (1890-е годы)

В 1894 году лорд Рэлей и Уильям Рамзай открыли аргон — инертный газ, скрытый в обычном воздухе. К 1898 году Рамзай также выделил гелий на Земле и вместе с Моррисом Траверсом открыл неон, криптон и ксенон; радон последовал в 1899 и 1900 годах. Ни один из этих газов не вписывался ни в один существующий столбец.

Ответом стала совершенно новая группа между галогенами и щелочными металлами, сначала называвшаяся нулевой, а теперь — 18-й группой. Она аккуратно вписалась в периодическую закономерность, а в 1904 году Рамзай получил Нобелевскую премию по химии, а Рэлей — Нобелевскую премию по физике.

Мозли и атомный номер (1913)

Несколько пар элементов, например аргон и калий или кобальт и никель, по-прежнему стояли не в порядке атомного веса. В 1913 году молодой английский физик Генри Мозли, работавший в лаборатории Эрнеста Резерфорда в Манчестере, измерил рентгеновские лучи, испускаемые разными элементами, и обнаружил, что их частоты растут равными шагами от одного элемента к другому.

Каждый шаг соответствовал ещё одной единице положительного заряда ядра атома. Этот атомный номер стал истинной основой таблицы и точно показал, каких элементов ещё не хватает. Мозли погиб в бою при Галлиполи в 1915 году в возрасте 27 лет.

Сиборг, актиноиды и сверхтяжёлые элементы (1940–2016)

Учёные также научились получать элементы, которые крайне редки или отсутствуют в природе. Технеций, полученный в 1937 году, стал первым искусственно произведённым элементом, а в 1940 году нептуний и плутоний стали первыми элементами за ураном. В 1944 году Гленн Сиборг предположил, что элементы начиная с актиния образуют собственный ряд — актиноиды, во многом подобный лантаноидам. Опубликованная в 1945 году, эта идея переместила их в отдельную строку под основной таблицей и придала таблице её современный вид.

С тех пор лаборатории Соединённых Штатов, Советского Союза, а позднее России, Германии и Японии получали всё более тяжёлые элементы, часто всего по несколько атомов, путём слияния атомных ядер. Совместная рабочая группа IUPAC и IUPAP — международных союзов химии и физики — теперь оценивает каждое заявление. В 2016 году последние четыре подтверждённых элемента получили названия нихоний, московий, теннесс и оганесон, завершив седьмой период. Поиск элементов 119 и 120, которые открыли бы восьмой период, продолжается.