История периодической таблицы: от триад до полного седьмого периода

Периодическая таблица на стене школьного кабинета — изобретение не одного человека. Химики потратили большую часть XIX века на поиски порядка среди элементов, физика XX века объяснила, почему этот порядок существует, а последние пробелы в седьмой строке были заполнены лишь в XXI веке. Это руководство прослеживает историю через её ключевые моменты.

Предыстория: больше элементов, точнее атомные массы

В конце XVIII века Антуан Лавуазье сформулировал современное представление об элементе как о веществе, которое невозможно разложить дальше. В начале XIX века распространилась атомная теория Джона Дальтона, и химики приняли, что у каждого элемента есть характерный атомный вес. Новые методы — сначала электролиз, а позже спектроскопия — пополняли список элементов стремительными темпами. К 1860-м годам было известно более шестидесяти элементов, и напрашивался вопрос, как их упорядочить.

Важным шагом стал международный химический конгресс в Карлсруэ в 1860 году. Он помог распространить согласованную систему атомных весов, основанную на гипотезе Авогадро, и лишь после этого выстраивание элементов по атомному весу стало осмысленным занятием.

Триады Дёберейнера (1817–1829)

Примерно с 1817 года немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер заметил, что если сгруппировать три химически сходных элемента, атомный вес среднего окажется близок к среднему арифметическому двух других. К 1829 году он описал несколько таких групп, которые назвал триадами.

• кальций, стронций, барий
• хлор, бром, иод
• литий, натрий, калий

Например, среднее арифметическое атомных весов лития и калия близко к атомному весу натрия. Триады охватывали не все элементы, но стали первым явным признаком того, что химические свойства и атомные веса связаны численно. Все три триады и в современной таблице стоят вместе — во 2-й, 17-й и 1-й группах.

Ньюлендс и закон октав (1864–1866)

Начиная с 1864 года английский химик Джон Ньюлендс опубликовал серию статей, показывавших, что если расположить известные элементы по атомному весу, сходные свойства повторяются у каждого восьмого элемента. Он сравнил это с музыкальной гаммой, где восьмая нота повторяет первую, и назвал это законом октав.

Закономерность хорошо работала для лёгких элементов, но нарушалась после кальция. Кроме того, Ньюлендс не оставил места для неоткрытых элементов и порой втискивал два элемента в одну позицию. Когда в 1866 году он представил идею Лондонскому химическому обществу, её приняли холодно; один из членов общества, по рассказам, спросил, не обнаружится ли похожая закономерность, если расположить элементы в алфавитном порядке. Признание пришло гораздо позже: в 1887 году Королевское общество наградило его медалью Дэви.

Периодическая таблица Менделеева (1869)

В марте 1869 года русский химик Дмитрий Менделеев опубликовал таблицу, в которой элементы были расположены по атомному весу, а химически сходные элементы оказывались в одном семействе. Примерно в то же время немецкий химик Лотар Мейер составил очень похожую таблицу, основываясь на периодичности физических свойств, таких как атомный объём. В 1882 году Королевское общество наградило обоих медалью Дэви.

Таблицу Менделеева выделили два смелых решения.

1. Он оставлял пробелы. Там, где свойства не сходились, он отказывался втискивать следующий известный элемент и оставлял пустое место для ещё не открытого.
2. Он предсказывал, чем они будут заполнены. Около 1870 года он подробно описал несколько недостающих элементов, включая их атомные веса, плотности и формулы оксидов.

Эти неизвестные элементы он называл с санскритской приставкой «эка-», означающей «один», — в смысле «через одно место» от известного элемента.

Самый драматичный эпизод — история с галлием. Первое измерение плотности галлия Лекоком де Буабодраном не совпало с предсказанием Менделеева — около 5,9 г/см³. Менделеев предложил измерить ещё раз, и после дополнительной очистки образца результат оказался близок к предсказанному. Германий тоже хорошо совпал с предсказанными атомным весом, плотностью и свойствами оксида. Подобные успехи превратили таблицу из картотеки в утверждение о законах природы.

Менделеев также переставил местами несколько пар, атомные веса которых, казалось, шли в неправильном порядке. Теллур тяжелее иода, но иод явно принадлежит к галогенам, поэтому Менделеев поставил теллур первым. Он предполагал, что измерения атомных весов ошибочны. Настоящее объяснение появилось лишь десятилетия спустя.

Новое семейство: благородные газы (1894–1898)

В 1894 году лорд Рэлей и Уильям Рамзай выделили из воздуха аргон. Он ни с чем не реагировал, поэтому не подходил ни к одной из существующих групп. Рамзай затем обнаружил гелий на Земле, а в 1898 году вместе с коллегами нашёл неон, криптон и ксенон. В результате появился целый новый столбец — нынешняя 18-я группа. Открытие, которое, казалось, могло разрушить таблицу, в итоге подкрепило её закономерность.

Мозли и атомный номер (1913)

Решающий перелом наступил с открытием того, что атомы состоят из ядра и электронов. В 1913 году молодой английский физик Генри Мозли измерил частоты характеристического рентгеновского излучения, испускаемого рядом элементов при бомбардировке электронами. Он обнаружил, что квадратный корень из частоты возрастает равными шагами от элемента к элементу, и показал, что этот шаг соответствует заряду ядра — атомному номеру.

С тех пор таблицу упорядочивают по атомному номеру, а не по атомному весу. Неудобные пары — теллур и иод, аргон и калий, кобальт и никель — естественным образом встали на свои места. Работа Мозли также сделала недостающие атомные номера очевидными, обозначив пробелы на местах 43, 61, 72, 75, 85 и 87, которые были заполнены в следующие десятилетия. Мозли погиб в Галлиполи в 1915 году, во время Первой мировой войны, в возрасте двадцати семи лет.

Концепция актиноидов Сиборга (1945)

В 1940 году были искусственно получены нептуний и плутоний, открыв эпоху элементов тяжелее урана. В то время торий, протактиний и уран считались продолжением переходных металлов d-блока, и новые элементы должны были следовать за ними. Попытки найти элементы 95 и 96 на этой основе раз за разом проваливались.

В 1945 году американский химик Гленн Сиборг предположил, что элементы начиная с актиния образуют отдельный ряд, заполняющий 5f-орбитали, так же как лантаноиды заполняют 4f. Эта концепция актиноидов шла вразрез с советами некоторых коллег, но эксперименты, спланированные на её основе, привели к идентификации америция и кюрия, и вторая строка под таблицей обрела современный вид. Сиборг разделил Нобелевскую премию по химии 1951 года, а 106-й элемент, сиборгий, стал редким примером элемента, названного в честь живущего человека.

Завершение седьмого периода (2016)

С конца XX века лаборатории США, России, Германии и Японии соревновались в получении сверхтяжёлых элементов, сталкивая ядра на ускорителях частиц. Новые элементы часто подтверждались по горстке атомов, а иногда по единственному атому, путём отслеживания их цепочек распада.

В конце 2015 года совместная рабочая группа ИЮПАК и ИЮПАП (Международного союза теоретической и прикладной физики) признала открытия элементов 113, 115, 117 и 118. Их названия были окончательно утверждены в ноябре 2016 года.

• 113, нихоний (Nh): открыт в Японии, назван по японскому названию страны
• 115, московий (Mc): в честь Московской области
• 117, теннессин (Ts): в честь американского штата Теннесси
• 118, оганесон (Og): в честь российского физика Юрия Оганесяна

Так были заполнены все 32 места 7-го периода, и таблица приобрела нынешний вид из 118 элементов без пробелов. В 2019 году ООН отметила 150-летие таблицы Менделеева Международным годом периодической таблицы химических элементов.

Что дальше

Попытки получить элементы 119 и 120 продолжаются. Успех открыл бы восьмой период, а теория допускает, что со временем может появиться новый блок, заполняющий g-орбитали. Как пробелы Менделеева указывали путь к новым открытиям, так и сегодняшняя таблица несёт в себе свои следующие нерешённые вопросы.