Droga do układu okresowego

Boyle zasugerował w niej, że cała materia zbudowana jest z elementarnych składników – atomów – oraz że wszystkie zjawiska są spowodowane ich zderzeniami. W starożytności podobne poglądy głosili tzw. atomiści – Leucyp z Miletu i Demokryt z Abdery – jednak Boyle swoje poglądy oparł na eksperymentach, głównie z wykorzystaniem gazów.

Oktawy i śruby

Pod koniec XVIII w. Antoine Lavoisier podzielił znane w tamtym czasie substancje chemiczne na gazy, metale, niemetale oraz ziemie. To ostatnie pojęcie dziś już jest praktycznie zapomniane, ale wtedy tak właśnie określano tlenki. W 1829 r. niemiecki chemik z Jeny, Johann Döbereiner, badając właściwości znanych w tym czasie pierwiastków zauważył, że jeśli pogrupuje się je tak, aby wykazywały zbliżone właściwości chemiczne, wówczas można przewidzieć niektóre właściwości fizyczne (np. masy atomowe), znając wartości dla pierwiastków sąsiadujących. Tzw. triady Döbereinera stały się zalążkiem tego, co znamy dziś jako układ okresowy. W tamtym czasie znanych była mniej więcej połowa tych pierwiastków, które dziś widnieją w tablicy Mendelejewa, dlatego też niemiecki uczony nie był w stanie zauważyć istnienia całych grup układu.

W kolejnych latach chemicy odkrywali następne pierwiastki, a także oznaczali ich masy atomowe z coraz większą dokładnością. Wówczas na scenę wkroczył Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois – francuski chemik, mineralog i geolog. Biorąc pod uwagę znane masy atomowe pierwiastków, a także ich właściwości, skonstruował coś, co możemy w zasadzie uznać za pierwowzór układu okresowego. Była to „śruba telluryczna” (z łac. tellus – ziemia). Można ją sobie wyobrazić jako ułożoną z pierwiastków o wzrastającej masie atomowej helisę nawiniętą na walec. Z konstrukcji stworzonej przez de Chancourtois można wnioskować o podobieństwie właściwości fizycznych i chemicznych pierwiastków, których masy atomowe różnią się o 16 jednostek.

Niestety, odzew środowiska naukowego był raczej nikły. Wynika to z faktu publikacji śruby tellurycznej w szerzej niezbyt znanym czasopiśmie przeznaczonym dla geologów.

Harmonia świata

Kolejny krok przybliżający nas do odkrycia prawa okresowości został poczyniony przez chemika brytyjskiego, Johna Newlandsa. Zajmował się on głównie analizą chemiczną, ale miał także doświadczenie technologiczne, będąc przez kilka lat szefem chemików w dużej londyńskiej cukrowni. To właśnie Newlands rozszerzył pojęcie triad Döbereinera zauważając, że więcej pierwiastków wykazuje podobne właściwości. Ale zrobił coś więcej, choć wynikło to raczej ze swoistej intuicji – po ułożeniu pierwiastków w jeden ciąg ponumerował je, być może dla wygody. I wtedy odkrył, że podobne właściwości ma co ósmy pierwiastek w tym szeregu. Próbował zwrócić uwagę na to spostrzeżenie pisząc już od 1863 r. komunikaty do czasopisma wydawanego przez Royal Society of Chemistry. Dalsze analizy pozwoliły mu na sformułowanie w 1865 r. prawa oktaw. Brzmiało ono: po uszeregowaniu wszystkich znanych pierwiastków zgodnie z rosnącą masą atomową, można stwierdzić podobieństwo do co ósmego z nich. Oczywiście w tym czasie nie było możliwe fizyczne wyjaśnienie tej zależności. I tu niestety Newlands nieco się pogubił, ponieważ skojarzył oktawę pierwiastków z pojęciem o tej samej nazwie znanym z muzyki, usiłując z tego wyciągnąć metafizyczne wnioski o harmonii świata.

Newlands umieścił w swojej tablicy tylko część znanych pierwiastków – inne nie bardzo pasowały do konkretnych grup i nie wiedział, co z nimi zrobić. Nie wziął pod uwagę, że mogą istnieć pierwiastki, których jeszcze nie odkryto. Prawdopodobnie to wszystko było przyczyną odrzucenia jego rozważań przez szacowne grono uczonych z Royal Society of Chemistry. Po kilku latach prób zniechęcony Newlands powrócił do wspólnej pracy z bratem w laboratorium analitycznym. Królewskie Stowarzyszenie doceniło prace Johna Newlandsa dopiero w 2008 roku, gdy na domu, w którym się urodził, umieściło tablicę, na której określono tego ambitnego chemika jako odkrywcę prawa okresowości.

Mendelejew

Człowiek, którego nazwisko na zawsze będzie się kojarzyć z układem okresowym, dokonał swego odkrycia w zasadzie na marginesie głównej działalności. Będąc wykładowcą uniwersytetu w Piotrogrodzie (dziś Petersburgu), dostrzegał brak dobrego podręcznika podstaw chemii po rosyjsku. I właśnie wtedy, zastanawiając się nad tym, w jakiej kolejności opisywać pierwiastki, przyjrzał się ich właściwościom. Mendelejew zaproponował sposób uporządkowania pierwiastków bardzo zbliżony do tego, który stworzył Newlands, ale geniusz rosyjskiego chemika polegał na tym, że pozostawił on wolne miejsca w swojej tablicy, przewidując, że zostaną one wypełnione pierwiastkami jeszcze nieznanymi. Co więcej, przewidział ich właściwości, takie jak masy atomowe, wartościowość czy nawet gęstość. Miał wiele szczęścia, bo jeszcze za jego życia niektóre z tych pierwiastków (skand, gal, german) zostały odkryte, a ich właściwości doskonale pasowały do przewidzianych przez Mendelejewa. Był to niewątpliwy triumf uczonego. Nadal jednak pozostawał do rozwiązania problem z pewnymi pierwiastkami (pary: argon-potas, tellur-jod). Mendelejew ustawił je w tablicy zgodnie z właściwościami chemicznymi, a nie masą atomową. W tamtym czasie uczeni nie byli w stanie wyjaśnić tych wyjątków. Na to trzeba było poczekać jeszcze kilkadziesiąt lat.

Fizyk, który pomógł chemikom

Na początku XX w. teoria atomistyczna była już mocno ugruntowana. Uzbrojeni w model atomu Bohra fizycy i chemicy podejmowali badania pozwalające na poznanie właściwości poszczególnych pierwiastków na poziomie mikro. Ernst Rutherford i współpracownicy badali jądra atomowe, natomiast wielu innych skupiało się na tym, jak oddziałują atomy z promieniowaniem, w tym przede wszystkim z wysokoenergetycznym promieniowaniem elektromagnetycznym odkrytym niewiele wcześniej przez Roentgena. Młody brytyjski fizyk, Henry Moseley, pracowicie wykonał wiele widm rentgenowskich czystych pierwiastków i po bardzo dokładnej analizie wyników sformułował empiryczne prawo, znane dziś pod jego nazwiskiem. Prawo Moseleya łączy częstości linii promieniowania rentgenowskiego z liczbą atomową danego pierwiastka. Okazało się, że wyniki pasują idealnie do zaproponowanego przez Bohra modelu atomu. Powiązanie energii promieniowania z liczbą protonów w jądrze było solidnym doświadczalnym dowodem, pozwalającym na uszeregowanie pierwiastków w układzie okresowym zgodnie z rosnącą liczbą atomową, a nie masą atomową. To ostatecznie rozwiązywało problem z „przestawionymi” pierwiastkami Mendelejewa. Henry Moseley był niemal murowanym kandydatem do nagrody Nobla. Niestety, to był ponury czas dla Europy – trwała I wojna światowa. Uczony zgłosił się na ochotnika do korpusu inżynieryjnego armii brytyjskiej. Jego jednostka zajmowała się łącznością w trakcie bitwy o Gallipoli. Tam właśnie w sierpniu 1915 r. strzał snajpera zakończył życie 27-letniego Moseleya.

W drugiej dekadzie XX w. zaczęła się formować ostateczna wersja układu okresowego. Odkryto pierwiastki, które wypełniły kolejne luki, a chemicy i fizycy-teoretycy jednoznacznie określili fundamentalne zasady uporządkowania. Pojęcia liczby atomowej (czyli liczby protonów w jądrze), grupy oraz okresu znalazły swoje wyjaśnienie sformułowane w postaci wzorów i praw.

Współczesny układ okresowy

Od niemal stu lat układ okresowy jest w swojej istocie niezmienny. Oczywiście, co jakiś czas jest uzupełniany o kolejne pierwiastki otrzymywane w laboratoriach naukowych. Trochę też zmieniła się jego forma, ponieważ wyodrębniono z niego grupy lantanowców oraz aktynowców. Nie ma już w nim jednak wolnych miejsc w środku – wszystkie zostały wypełnione. Ostatnim pierwiastkiem z wnętrza układu okresowego był przewidziany przez Mendelejewa w 1871 r. technet (Tc) – odkryty w 1936 przez włoskich uczonych pod kierunkiem Emilio Segrè.

Na całym świecie tworzone są rozmaite formy przedstawiające układ okresowy. Znajdziemy jego postacie okrągłe, spiralne, helikalne, pętlowe, piramidalne… Jednak podstawowa zasada tworzenia układu okresowego pozostaje niewzruszona.

Mirosław Dworniczak