Periyodik tablonun tarihi: simyadan 118. elemente

Eski çağ elementleri ve simya

Günümüzün on elementi, element sözcüğü modern anlamıyla kullanılmadan çok önce biliniyordu: altın, gümüş, bakır, demir, kalay, kurşun, cıva, kükürt, karbon ve antimon. Bunları ilk kimin bulduğunu kimse bilmiyor. Empedokles ve Aristoteles'in izinden giden eski Yunan düşünürleri ise her şeyin dört elementin (toprak, su, hava ve ateş) karışımı olduğuna inanıyordu; bu düşünce neredeyse iki bin yıl sürdü.

İslam dünyasındaki ve ortaçağ Avrupa'sındaki simyacılar ucuz metalleri altına dönüştürmeye çalıştı. Başaramadılar, ancak damıtma gibi laboratuvar yöntemlerini geliştirdiler. 1661'de Robert Boyle, Şüpheci Kimyager adlı kitabında dört element kuramına meydan okudu ve kimyacıları deneylere güvenmeye çağırdı; 1669'da simyacı Hennig Brand ise felsefe taşını ararken fosforu keşfetti. Fosfor, keşfedeni kayıtlara geçmiş en eski elementlerden biridir.

Lavoisier'in basit maddeler listesi (1789)

Modern kimya, Fransız kimyacı Antoine Lavoisier ile şekillendi. Lavoisier titiz tartımlarla kimyasal tepkimelerde kütlenin kaybolmadığını gösterdi ve oksijene ile hidrojene adlarını verdi. 1789 tarihli Kimya Üzerine Temel İnceleme kitabında elementi pratik terimlerle tanımladı: bilinen hiçbir kimyasal yöntemle daha basit bir şeye ayrıştırılamayan madde.

Kitapta gazlar, ametaller, metaller ve topraklar olarak sınıflandırılmış 33 “basit madde” sıralanıyordu. Çoğu gerçek elementti, ama ışık ve ısı da listedeydi; kireç ve silika gibi topraklarınsa sonradan bileşik oldukları anlaşıldı. Yine de Lavoisier kimyacılara elementin açık ve sınanabilir bir tanımını ve üzerine inşa edecekleri ilk listeyi verdi.

Dalton ve atomların tartılması

1803 dolaylarında İngiliz öğretmen John Dalton, her elementin kendine özgü ağırlığı olan kendi türünden atomlardan oluştuğunu öne sürdü. Atomlar tartılamayacak kadar küçüktü; bu yüzden hidrojeni 1 alarak, elementlerin birleştiği oranlardan göreli ağırlıkları hesapladı ve ilk atom ağırlığı tablolarından birini yayımladı.

Dalton'ın sayılarının çoğu yanlıştı, çünkü formülleri tahmin etmek zorundaydı; örneğin suyun H₂O değil HO olduğunu varsaydı. İsveçli kimyacı Jöns Jacob Berzelius atom ağırlıklarını çok daha hassas ölçtü ve bugün hâlâ kullanılan harf sembollerini getirdi; ancak anlaşmazlıklar, Stanislao Cannizzaro'nun tutarlı bir atom ağırlıkları kümesinin nasıl elde edileceğini gösterdiği 1860 Karlsruhe Kongresi'ne kadar sürdü. Mendeleyev ve Lothar Meyer ikisi de dinleyiciler arasındaydı.

Döbereiner'in üçlüleri (1829)

Atom ağırlığı ile kimyasal davranışın ilişkili olduğuna dair ilk açık ipuçlarından biri Alman kimyacı Johann Wolfgang Döbereiner'den geldi. 1829'da üçlüleri tanımladı: ortadaki elementin atom ağırlığının diğer ikisinin ortalamasına yakın olduğu, birbirine benzeyen üç elementlik gruplar. Bunlar kalsiyum, stronsiyum ve baryum; klor, brom ve iyot; ayrıca lityum, sodyum ve potasyumdu.

Üçlüler doğal element ailelerini ortaya koydu, ancak yalnızca birkaç element bu düzene uyuyordu ve bir üçlüyü sonrakine bağlamanın bir yolu yoktu.

Bir sarmal ve bir oktav (1862–1865)

1862'de Fransız jeolog Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois, elementleri atom ağırlığı sırasına göre bir silindirin etrafına sarılmış bir sarmal boyunca yazdı; böylece benzer elementler alt alta geldi. Adını tellürden alan tellürik vidası, özelliklerin yinelendiğini gösteren ilk düzenlemelerden biriydi; ancak çizimi olmadan yayımlandı ve büyük ölçüde fark edilmedi.

1865'te İngiliz kimyacı John Newlands, elementler atom ağırlığına göre sıralandığında her sekizinci elementin, bir müzik gamının notaları gibi, ilkinin özelliklerini yinelediğini fark etti. Oktavlar yasası daha hafif elementler için işe yaradı ama kalsiyumdan sonra tutmadı; Londra'daki Kimya Derneği de 1866'da onu yayımlamayı reddetti.

Mendeleyev ve Lothar Meyer (1869–1870)

St. Petersburg'da kimya profesörü olan Dmitri Mendeleyev bir ders kitabı yazarken elementlerin ardındaki düzeni aramaya koyuldu. 1869'un başında o zamana kadar bilinen elementleri atom ağırlığına göre, benzer elementleri hizalayan bir ızgara halinde dizdi ve mart ayında makalesi Rus Kimya Derneği'nde sunuldu. Periyodik yasayı ortaya koydu: Atom ağırlığına göre dizildiğinde elementler, düzenli aralıklarla yinelenen özellikler gösterir.

Tablosunu ayıran şey cesaretiydi. Mendeleyev, kimyayı katı ağırlık sırasının önüne koydu, henüz keşfedilmediğine inandığı elementler için boşluklar bıraktı ve kabul görmüş bazı atom ağırlıklarının yanlış olduğunu savundu.

Almanya'da Lothar Meyer bağımsız olarak çok benzer bir tabloya ulaştı ve 1870'te, atom hacminin atom ağırlığı arttıkça dalgalar halinde inip çıktığını gösteren bir grafikle birlikte yayımladı. 1882'de Londra'daki Kraliyet Cemiyeti, Davy Madalyası'nı her ikisine birden verdi.

Doğrulanan öngörüler (1875–1886)

Mendeleyev eksik üç elementi ayrıntılı biçimde tarif etti ve bunlara, bilinen bir elementin ötesindeki bir yer için Sanskritçe “bir” anlamına gelen eka sözcüğünden türetilen eka-alüminyum, eka-bor ve eka-silisyum adlarını verdi. Bunlar, 1875'te Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran'ın bulduğu galyum, 1879'da Lars Fredrik Nilson'un bulduğu skandiyum ve 1886'da Clemens Winkler'in bulduğu germanyum olarak ortaya çıktı.

Örtüşmeler çarpıcıydı. Mendeleyev eka-silisyum için yaklaşık 72'lik bir atom ağırlığı ve santimetreküp başına yaklaşık 5,5 gramlık bir yoğunluk öngörmüştü; germanyumunki ise 72,6 ve 5,3'tür. Kuşku duyanlar ikna oldu ve periyodik tablo kimyanın merkezi haritası haline geldi.

Soygazlar yerlerini buluyor (1890'lar)

1894'te Lord Rayleigh ve William Ramsay, sıradan havanın içinde gizlenmiş, tepkimeye girmeyen bir gaz olan argonu keşfetti. 1898'e gelindiğinde Ramsay ayrıca Dünya'da helyumu yalıtmış, Morris Travers ile birlikte neon, kripton ve ksenonu keşfetmişti; radon 1899 ve 1900'de izledi. Bu gazların hiçbiri mevcut herhangi bir sütuna uymuyordu.

Çözüm, halojenlerle alkali metaller arasında yepyeni bir grup oldu; önce 0. grup, şimdi 18. grup olarak adlandırılıyor. Periyodik düzene tam oturdu; 1904'te Ramsay Nobel Kimya Ödülü'nü, Rayleigh ise Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

Moseley ve atom numarası (1913)

Argon ile potasyum ya da kobalt ile nikel gibi birkaç element çifti hâlâ ağırlığa göre sırasız duruyordu. 1913'te genç İngiliz fizikçi Henry Moseley, Ernest Rutherford'un Manchester'daki laboratuvarında çalışırken farklı elementlerin yaydığı X-ışınlarını ölçtü ve frekanslarının bir elementten diğerine eşit adımlarla arttığını buldu.

Her adım, atom çekirdeğindeki bir birim daha fazla pozitif yüke karşılık geliyordu. Bu atom numarası tablonun gerçek temeli oldu ve hangi elementlerin hâlâ eksik olduğunu tam olarak gösterdi. Moseley 1915'te Çanakkale'de savaşırken 27 yaşında hayatını kaybetti.

Seaborg, aktinitler ve süper ağır elementler (1940–2016)

Bilim insanları ayrıca doğada son derece az bulunan ya da hiç bulunmayan elementleri üretmeyi öğrendi. 1937'de üretilen teknesyum yapay olarak elde edilen ilk elementti; 1940'ta neptünyum ve plütonyum uranyumun ötesindeki ilk elementler oldu. 1944'te Glenn Seaborg, aktinyumdan başlayan elementlerin, tıpkı lantanitler gibi, kendi serilerini, yani aktinitleri oluşturduğunu öne sürdü. 1945'te yayımlanan bu fikir onları ana tablonun altında ayrı bir sıraya taşıdı ve tabloya modern biçimini verdi.

O zamandan beri Amerika Birleşik Devletleri'ndeki, Sovyetler Birliği'ndeki ve sonrasında Rusya, Almanya ve Japonya'daki laboratuvarlar, atom çekirdeklerini kaynaştırarak, çoğu zaman bir seferde yalnızca birkaç atom olmak üzere, giderek daha ağır elementler üretti. Kimya ve fizik alanındaki uluslararası birlikler olan IUPAC ile IUPAP'ın ortak bir çalışma grubu artık her iddiayı değerlendiriyor. 2016'da doğrulanan son dört element nihonyum, moskovyum, tennesin ve oganesson olarak adlandırıldı ve yedinci sıra tamamlandı. Sekizinci bir sırayı açacak olan 119. ve 120. elementlerin arayışı sürüyor.