Історія періодичної таблиці: від алхімії до елемента 118

Стародавні елементи та алхімія

Десять сучасних елементів були відомі задовго до того, як слово «елемент» почали вживати в сучасному розумінні: золото, срібло, мідь, залізо, олово, свинець, ртуть, сірка, вуглець і стибій. Ніхто не знає, хто відкрив їх першим. Давньогрецькі мислителі, слідом за Емпедоклом і Арістотелем, натомість вважали, що все є сумішшю чотирьох стихій (землі, води, повітря та вогню), і ця ідея трималася майже дві тисячі років.

Алхіміки ісламського світу та середньовічної Європи намагалися перетворити дешеві метали на золото. Їм це не вдалося, але вони вдосконалили лабораторні методи, як-от перегонку. 1661 року Роберт Бойль у книзі «Хімік-скептик» поставив під сумнів теорію чотирьох стихій, закликаючи хіміків довіряти експериментам, а 1669 року алхімік Геніг Бранд відкрив фосфор, шукаючи філософський камінь, — один із найраніших елементів із відомим першовідкривачем.

Список простих речовин Лавуазьє (1789)

Сучасна хімія сформувалася завдяки французькому хімікові Антуану Лавуазьє, який шляхом ретельного зважування показав, що маса під час хімічних реакцій не втрачається, і дав назви кисню та водню. У своєму «Елементарному курсі хімії» 1789 року він визначив елемент у практичному сенсі: речовина, яку жодним відомим хімічним методом не можна розкласти на щось простіше.

У книзі було перелічено 33 такі «прості речовини», розподілені на гази, неметали, метали та землі. Більшість із них були справжніми елементами, але до списку потрапили також світло й теплота, а землі, як-от вапно й кремнезем, згодом виявилися сполуками. Попри це, Лавуазьє дав хімікам чітке, придатне для перевірки визначення елемента та перший список, на який можна було спиратися.

Дальтон і зважування атомів

Близько 1803 року англійський учитель Джон Дальтон запропонував, що кожен елемент складається з власного різновиду атомів зі своєю масою. Атоми були надто малі, щоб їх зважити, тож він вирахував відносні маси за співвідношеннями, в яких елементи сполучаються, взявши масу водню за 1, і опублікував одну з перших таблиць атомних мас.

Багато чисел Дальтона були неточними, бо формули йому доводилося вгадувати; наприклад, він вважав, що вода має формулу HO, а не H₂O. Шведський хімік Єнс Якоб Берцеліус виміряв атомні маси набагато точніше та запровадив літерні символи, якими користуються й досі, але розбіжності тривали до Карлсруенського конгресу 1860 року, де Станіслао Канніццаро показав, як отримати узгоджений набір атомних мас. Серед слухачів були і Менделєєв, і Лотар Маєр.

Тріади Дебрайнера (1829)

Один із перших чітких натяків на зв'язок між атомною масою та хімічною поведінкою дав німецький хімік Йоганн Вольфганг Дебрайнер. 1829 року він описав тріади — групи з трьох подібних елементів, у яких атомна маса середнього елемента близька до середнього арифметичного двох інших: кальцій, стронцій і барій; хлор, бром і йод; літій, натрій і калій.

Тріади виявили природні родини елементів, але до них підходила лише жменька елементів, а способу з'єднати одну тріаду з наступною не було.

Спіраль і октава (1862–1865)

1862 року французький геолог Александр-Еміль Бегує де Шанкуртуа записав елементи в порядку зростання атомної маси вздовж спіралі, обвитої навколо циліндра, так що подібні елементи опинялися один над одним. Його теллуричний гвинт, названий на честь телуру, був одним із перших розташувань, що показували періодичне повторення властивостей, але його опублікували без діаграми, і він лишився здебільшого непоміченим.

1865 року англійський хімік Джон Ньюлендс помітив, що в порядку зростання атомної маси кожен восьмий елемент ніби повторює властивості першого, подібно до нот музичної гами. Його закон октав працював для легших елементів, але порушувався після кальцію, і 1866 року Лондонське хімічне товариство відмовилося його публікувати.

Менделєєв і Лотар Маєр (1869–1870)

Дмитро Менделєєв, професор хімії в Санкт-Петербурзі, писав підручник, коли взявся шукати порядок, що стоїть за елементами. На початку 1869 року він розташував відомі тоді елементи за атомною масою в таблиці, де подібні елементи опинялися в одному ряду, а в березні його доповідь було представлено Російському хімічному товариству. Він сформулював періодичний закон: якщо розташувати елементи за атомною масою, їхні властивості повторюються через регулярні проміжки.

Його таблицю вирізняла сміливість. Менделєєв поставив хімію вище за сувору послідовність мас, залишив порожні місця для елементів, які, на його думку, ще не були відкриті, і стверджував, що деякі визнані атомні маси помилкові.

У Німеччині Лотар Маєр незалежно дійшов дуже схожої таблиці й опублікував її 1870 року разом із графіком, що показує, як атомний об'єм хвилеподібно зростає й спадає зі збільшенням атомної маси. 1882 року Лондонське королівське товариство нагородило обох учених медаллю Дейві.

Підтверджені передбачення (1875–1886)

Менделєєв докладно описав три відсутні елементи, назвавши їх екаалюміній, екабор і екасиліцій — від санскритського «ека», що означає «один», тобто одне місце після відомого елемента. Вони виявилися галієм, який 1875 року відкрив Поль-Еміль Лекок де Буабодран, скандієм, який 1879 року відкрив Ларс Фредрік Нільсон, і германієм, який 1886 року відкрив Клеменс Вінклер.

Збіги вражали. Для екасиліцію Менделєєв передбачив атомну масу близько 72 і густину близько 5,5 грама на кубічний сантиметр; у германію вони становлять 72,6 і 5,3. Скептиків було переконано, і періодична таблиця стала головною картою хімії.

Шляхетні гази знаходять своє місце (1890-ті)

1894 року лорд Релей і Вільям Рамзай відкрили аргон — інертний газ, прихований у звичайному повітрі. До 1898 року Рамзай також виділив гелій на Землі та разом із Морісом Траверсом відкрив неон, криптон і ксенон; радон з'явився в 1899 і 1900 роках. Жоден із цих газів не вписувався в жоден з наявних стовпців.

Відповіддю стала цілком нова група між галогенами та лужними металами, яку спершу називали групою 0, а тепер — групою 18. Вона чудово вписалася в періодичну закономірність, і 1904 року Рамзай отримав Нобелівську премію з хімії, а Релей — Нобелівську премію з фізики.

Мозлі та атомний номер (1913)

Кілька пар елементів, як-от аргон і калій або кобальт і нікель, усе ще стояли не в порядку за масою. 1913 року молодий англійський фізик Генрі Мозлі, працюючи в лабораторії Ернеста Резерфорда в Манчестері, виміряв рентгенівські промені, що випромінюються різними елементами, і виявив, що їхні частоти зростають рівними кроками від одного елемента до наступного.

Кожен крок відповідав ще одній одиниці позитивного заряду в ядрі атома. Цей атомний номер став справжньою основою таблиці й точно показав, яких елементів ще бракує. Мозлі загинув у бою під Галліполі 1915 року у віці 27 років.

Сіборг, актиноїди та надважкі елементи (1940–2016)

Науковці також навчилися створювати елементи, які надзвичайно рідкісні або відсутні в природі. Технецій, отриманий 1937 року, став першим штучно створеним елементом, а 1940 року нептуній і плутоній стали першими елементами після урану. 1944 року Гленн Сіборг запропонував, що елементи, починаючи з актинію, утворюють власний ряд — актиноїди, подібно до лантаноїдів. Ідея, опублікована 1945 року, перемістила їх в окремий рядок під основною таблицею й надала таблиці сучасного вигляду.

Відтоді лабораторії Сполучених Штатів, Радянського Союзу, а згодом Росії, Німеччини та Японії створюють дедалі важчі елементи, часто лише по кілька атомів за раз, зливаючи атомні ядра. Спільна робоча група IUPAC та IUPAP — міжнародних союзів хімії та фізики — тепер оцінює кожне таке повідомлення. 2016 року останні чотири підтверджені елементи отримали назви ніхоній, московій, теннессин і оганесон, завершивши сьомий період. Пошуки елементів 119 і 120, які відкрили б восьмий період, тривають.