Istoricul tabelului periodic al elementelor

    Prima încercare de clasificare modernă a elementelor chimice îi revine chimistului german Johann Wolfgang Döbereiner care, în 1817, nota că masa atomică a stronţiului (88) era egală cu media aritmetică a maselor atomice ale calciului (40) şi bariului (137), care au proprietăţi chimice asemănătoare (astăzi ele sunt clasate ca metale alcalino-pământoase). În 1829, el descoperise două alte « triade » de acest tip: al halogenilor (masa atomică a bromului (80) era egală cu media aritmetică a clorului (35,5) şi a iodului (127) şi cea a metalelor alcaline (masa atomică a sodiului (23) era media aritmetică a a maselor litiului (7) şi potasiului (39)).

    Alţi chimişti identifică alte serii de elemente, şi Leopold Gmelin publică în 1843 prima ediţie a lucrării sale, Handbuch der Chemie, care menţiona triadele, de asemenea trei « tetrade » şi o « pentadă » — azot, fosfor, arseniu, stibiu şi bismut, pe care astăzi le cunoaştem ca elemente ale grupei 15.

    În 1859, chimistul francez Jean-Baptiste Dumas generaliza triadele lui Döbereiner transformându-le în tetrade incluzând elementele mai uşoare, definite nu prin medii aritmetice, ci printr-o progresie similară de la o tetradă la alta, ca de exemplu:

• Fluor = 19 (+ 16,5) Clor = 35,5 (+ 44,5) Brom = 80 (+ 47) Iod = 127
• Magneziu = 24 (+ 16) Calciu = 40 (+ 48) Stronţiu = 88 (+ 49) Bariu = 137

    Deşi în aparenţă era similară cu a lui Döbereiner, abordarea lui Dumas era superioară deoarece era aplicabilă la un număr mai mare de elemente: atunci când progresile aritmetice sunt restrânse la grupe de câteva elemente, incrementul descoperit de Dumas între elementele succesive cu proprietăţi asemănătoaremăsura precis lungimea perioadei care separă aceste două elemente  — incrementul de aprox. 16 între primele două elemente ale tetradei, apoi incrementul de aprox. 48 între al doilea şi al treilea element, apoi între al treilea şi al patrulea element.

    Primul care a constatat periodicitatea proprietăţilor chimice ale elementelor a fost geologul francez Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois atunci când în 1862 a clasat elementele chimice cunoscute pe atunci în funcţie de de masa lor atomică determinată în 1858 de către chimistul italian Stanislao Cannizzaro. El normaliza masa atomică a tuturor elementelor luând-o pe a oxigenului egală cu 16, şi considerând că « proprietăţile elementelor sunt proprietăţile numerelor »,  organiza elementele chimice în spirală pe un cilindru divizat în 16 părţi, de aşa manieră că elementele cu proprietăţi asemănătoare erau situate unul sub altul.

    Chancourtois remarca atunci că anumite « triade » se regăseau precis aliniate în această reprezentarela fel ca tetrada oxigen – sulf – seleniu – telur, care avea de asemeni masele atomice aprope multipli de 16 (respectiv 16, 32, 79 şi 128). Acesta este motivul pentru care a numit această reprezentare  « şurub teluric », cu referinţă  la pământ. Este primul proiect de clasificare periodică a elementelor. Acesta nu reţine atenţia comunităţii ştiinţifice, deoarece Chancourtois nu era chimist şi folosise temeni ce aparţineau mai degrabă domeniului geochimiei în lucrarea pe care o înaintase Academiei de Ştiinţe, şi care a fost editată fără schemele sale explicative, ceea ce făcea textul criptic.

    Din punct de vedere conceptual a fost un mare pas înainte, dar, din punct de vedere practic, Chancourtois nu identificase perioada corectă pentru elementele cele mai grele, astfel că, în reprezentarea sa o aceeaşi coloană regrupa borul, aluminiul şi nichelul, ceea ce este corect pentru primele două dar total eronat din punct de vedere chimic pentru al treilea.

    Chimistul englez John Alexander Reina Newlands publica în 1863 o clasificare care avea un impact mai puternic (deşi cu întârziere, şi  a posteriori), deoarece el organizase primele elemente cunoscute pe atunci după masa atomică crescătoare  — mai precis, după masa echivalentă crecătoare — într-un tabel cu şapte linii şi le aranjase în aşa fel încât proprietăţile lor chimice erau asemănătoare pe linii, fără a ezita să plaseze două elemente în aceeaşi căsuţă dacă era necesar pentru a evita să lase alte căsuţe goale.

    Procedând astfel el identificase o nouă triadă, ale cărei extremităţi erau siliciul şi staniul, şi al cărei element de mijloc rămânea să fie descoperit: prezicea astfel existenţa germaniului, căruia îi atribuia masa atomică 73. Punctul slab al lucrării sale era că nu lăsase căsuţă liberă în tabelul său pentru a introduce viitorul element germaniu: de fapt el încercase să clasifice elementele cunoscute într-un tabel complet fără să caute o clasificare mai largă care să ţină cont de posibilele elemente ce aveai să fie descoperite, cu toate că el însuşi prevestise existenţa nor asemenea elemente. În plus, ca şi Chancourtois, el avea o problemă cu periodicitatea deoarece deşi periodicitatea pentru cele 7 elemente uşoare cunoscute în acea vremei era dovedită, aceasta înceta să fie valabilă de la calciu, şi atunci tabelul lui Newlands se dovedea ineficient :

    Punerea în evidenţă a unei periodicităţi globale până la calciu era totuşi un mare progres, şi Newlands prezenta această clasificare numind-o « legea octavelor » prin analogie cu cele şapte note mizicale, dar aceasta a fost prost primită de către pairii Societăţii de chimie de la Londra, care au transformat-o în ridicol şi s-au opus publicării ei; doar după publicarea lucrărilor lui Dimitri Mendeleeev a fost recunoscută calitatea acestei analize.

    Chimistul englez William Odling — secretar al Societăţii de chimie din Londra, şi deci rivalul lui Newlands — muncea de asemenea, în anii 1860, la un tabel periodic al elementelor chimice remarcabil de asemănător cu cel publicat de Mendeleev în 1869. El era organizat în perioade verticale cu căsuţe goale pentru elementele lipsă şi plasa — spre deosebire de primul tabel al lui Mendeleev — platina, mercurul, taliul şi plumbul în grupele bune. Acţiunea sa negativă împotriva Newlands totuşi permanent afectat reputaţia Odling, şi contribuţia sa la dezvoltarea a tabelului periodic al elementelor este în mare măsură necunoscut astazi. Acţiunea sa negativă împotriva lui Newlands a afectat totuşi permanent reputaţia lui Odling, şi contribuţia sa la dezvoltarea tabelului periodic al elementelor este în mare măsură necunoscută astăzi.

    Contribuţia chimistului german Lothar Meyer este cu puţin mai recunoecută decât cea a lui Odling, deoarece lucrările sale finale au fost publicate după cele ale lui Mendeleev cu toate că ele fuseseră făcute mai înainte. El publica o primă versiune a clasificării sale în 1864, apoi a finalizat o a doua versiune mai îmbunătăţită care nu a fost publicată integral decât la moartea sa, în 1895.

    Primul tabel al lui Meyer cuprindea 28 elemente clasate în 6 fmilii definite prin valenţa lor: era un pas mare în direcţia formei moderne a tabelului periodic, organizt în grupe ce depind de configuraţia electronică a elementelor, care este în relaţie directă cu valenţa; cu toate acestea nu era tabelul de astăzi , deoarece elementele erau aranjate după masa atomică crescătoare. Al doilea tabel al lui Meyer a fost publicat în 1870, câteva luni după cel al lui Mendeleeev, ceea ce a întărit impactul asupra comunităţii ştiinţifice, aducând o puternică susţinere lucrărilor încă foarte contestate ale chimistului rus. Marea forţă a lucrării lui Meyer constă în perioadele de lungime variabilă, cu o dispunere a elementelor, ce permitea evitarea regrupărilor greşite ale lui Newlands, ca ale ferului, aurului şi al altor elemente platinice printre oxigen, sulf şi alte elemente ale grupei 16:

    Meyer mai remarcase că dacă se trasează o curbă ce reprezintă pe abscisă masa atomică şi pe ordonată volumul atomic al fiecărui element, această curbă prezintă o serie de maxime şi minime periodice, maximele corespunzând elementelor celor mai electropozitive.

    În ciuda calităţii reale a lucrărilor contemporanilor săi, chimistului rus Dimitri Ivanovici Mendeleev i se datorează primul tabel periodic al elementelor care se apropie de cel pe care îl utilizăm în zilele noastre, şi nu numai prin forma sa ci şi prin viziunea care îl însoţeşte. Spre diferenţă de predecesorii săi, Mendeleev a formulat explicit de ce tabelul său constituie o unealtă de analiză teoretică a proprietăţilor materiei:

1. Elementele chimice, atunci când sunrt aranjate după masa atomică crescătoare, prezintă o periodicitate a proprietăţilor lor chimice.
2. Elementele care au proprietăţi chimice asemănătoare au fie mase atomice asemănătoare (de exemplu osmiu, iridiu, platină), fie au mase atomice crescătoare în modalitate aritmetică (potasiu, rubidiu, cesiu de exemplu).
3. Dispunerea elementelor sau a grupelor în tabel după masa atomică crescătoare corespunde valenţei lor şi este în raport, într-o anumită măsură, cu proprietăţile lor chimice.
4. Elementele cele mai răspândite în mediul natural sunt cele cu masa atomică cea mai mică.
5. Valoarea masei atomice determină proprietăţile elementelor chimice.
6. Masa atomică a anumitor elemente trebuia revăzută, deoarece tabelul era mai coerent prin rearanjarea anumitor elemente — tipic, telurul — fără a ţine cont de masa lor atomică experimentală.
7. Era de aşteptat desoperirea elementelor necunoscute în momentul publicării acestui tabel, de exemplu a elementelor analoage aluminiului şi siliciului, cu o masă atomică cuprinsă între 65 şi 75.
8. Este posibilă prezicerea anumitor proprietăţi ale elementelor plecând de la masa lor atomică.

    Avansul a fost semnificativ:

• Mendeleev prezice existenţa unei serii de elemente, cărora le preciza anumite proprietăţi, începând cu masa lor atomică :
  • eka-bor (44), corespunzând scandiului (45), descoperit în 1879
  • eka-aluminium (68), corespunzând galiumului (69,7), descoperit în 1875 — o reuşită strălucită în mod deosebit, deoarece Mendeleev prevăzuse o densitate de 6 g/cm³ şi o temperatură de topire scăzută, valorile reale fiind de 5,9 g/cm³ şi 29,78 °C
  • eka-silicium (72), corespunzând germaniului (72,5), descoperit în 1882 — cu un acord remarcabil între observaţii şi proprietăţile fizico-chimice prezise de Mendeleev
  • eka-manganèse (100), corespunzând  tehneţiului (99), descoperit în 1937
• Prin teoria sa identifică o serie de elemente a căror mase atomice fuseseră determinate în mod incorect.
• Reorganizează fără a le cunoaşte anumite elemente chimice în funcţie de numărul lor atomic şi nu funcţie de masa lor atomică.

    Lucrările lui Mendeleev au fost primite cu scepticism de colegii săi, dar publicarea ulterioară a mai multor rezultate similare (îndeosebi cele ale lui John Newlands şi Lothar Meyer) obţinute în mod independent au determinat consensul în favoarea acestei noi viziuni a elementelor chimice.

    Dorind să măsoare cu precizie masa atomică a oxigenului şi azotului prin comparaţie cu a hidrogenului,  John William Strutt Rayleigh observa o diferenţă între masa atomică a azotului produs din amoniac şi cea a azotului separat din aerul atmosferic, care era clar mai greu. Folosind o metodologie precisă,  William Ramsay ajunge ca în 1894 să izoleze argonul plecând de la « azotul » atmosferic, şi explică anomalia aparentă a masei atomice a azotului atmosferic determinând masa atomică a acestui nou element, pentru care nu era prevăzut nimic în tabelul lui mendeleev. Natura sa gazoasă şi inerţia chimică îl făcuseră până atunci invizibil chimiştilor.

    Masa atomică a argonului (puţin mai mică de 40) este foarte apropiată de a calciului (puţin mai mare de 40) şi deci superioară celei a potasiului, (39,1), ceea ce punea probleme de clasificare deoarece se părea că «nu mai este loc» în tabelul periodic între clor şi potasiu.  Lucrurile se complică şi mai mult atunci când Ramsay şi Morris Travers descoperă neonul în 1898, materializând, cu heliul (descopeit în 1868 de către astronomul francez Jules Janssen şi englezul Joseph Norman Lockyer), noul grup al gazelor rare (sau al gazelor nobile) , numit « grupa 0 » : masa atomică a  neonului (20,2) era exact intermediară între cele ale fluorului (19) şi sodiului (23). Astfel, se părea că gazele rare se poziţionau uneori între un metal alcalin şi un metal alcalino-pământos, iar uneori între un halogen şi un metal alcalin.

    În urma descoperirii electronului şi a izotopilor de către englezul Joseph John Thomson — care au însoţit începuturile fizicii atomice cu lucrările germanului Max Planck, a neozeelandezuluis Ernest Rutherford şi ale lui Danois Niels Bohr — cercetările fizicianului englez Henry Moseley asupra corelaţiei între sarcina nucleului atomic şi spectrul de raze X al atomilor au culminat în 1913 prin clasarea elementelor chimice nu după masa atomică crescătoare, ci după numărul lor atomic crescător. Era o revoluţie majoră, care rezolva toate problemele ivite în urma clasificării în funcţie de masa atomică, probleme devenite supărătoare după lucrările de sstematizare ale lui Dimitri Mendeleev.

    Argonul era astfel plasat între clor şi potasiu, şi nu între potasiu şi calciu, în timp ce cobaltul era clar poziţionat înaintea nichelului chiar dacă este cu puţin mai greu. El confirmă că telurul trebuie plasat înaintea iodului fără a fi nevoie să se revadă masa sa atomică, contrar celor sugerate de Mendeleev. El descoperă că elementele cu numerele atomice 43 şi 61 lipseau: elementil 43 fusese deja prevăzut de Mendeleev ca eka-mangan (este vorba de tehneţiu, radioactiv, sintetizat în 1937) dar elementul 61 era nou — este vorba de prometiu, şi el radioactiv, izolat în 1947 :

    Acest tabel, inspirat direct din cel al lui John Newlands, constituia etapa intermediară conducând la dispunerea contemporană. În particular, numerotarea grupelor cu cifre romane de la I la VIII, care provenea de la Newlands, şi cu litere A şi B, introduse de Moseley, era încă larg utilizată la sfârşitul secolului XX:

    El era identic cu cel actual, diferenţa fiind că nu avea perioada a şaptea.

    Fizicianul  american Glenn Theodore Seaborg contribuia începând din  1942 la proiectul Manhattan în echipa fizicianului italian Enrico Fermi. Avea ca sarcină izolarea plutoniului — pe care el însuşi îl sintetizase şi îl caracterizase în februarie 1941 — din maricea de uraniu în interiorul căruia se formase. În cursul acestei sarcini dezvoltă o cunoaştere aprofundată a chimiei particulare a acestor elemente. El stabilesşte că poziţia lor în sistemul periodic (pe atunci uraniul era plasat sub wolfram şi plutoniul sub osmiun) nu ţine cont de proprietăţile lor.

    În 1944, el reuşeşte să sintetizeze şi să caracterizeze americiul şi curiumul (elementele 95 şi 96), ceea ce îi permite să formalizeze conceptul de actinide , adică o nouă serie chimică cu proprietăţi specifice şi formată din elementele 89 până la 103, situată sub lantanide în sistemul periodic, care ia astfel configuraţia sa actuală. Seaborg presupune de asemenea existenţa superactinidelor, ce grupează elementele de la 121 la 153 şi situate sub actinide.

    Tabelul periodic utilizat în zilele noastre este deci cel reformulat în 1944 de către Seaborg.

    Numeroase reprezentări laternative ale tabelului periodic aufost propuse de-a lungul întregului secol XX, şi prezentări grafice inovatoare încă mai sunt propuse. Una din cele mai vechi şi mai simple este cea a unui autodidact francez de altfel necunoscut, Charles Janet, care a dat numele său unei dispuneri a tabelului elaborată la începutul secolului XX şi recent redescoperită de anglosaxoni, binecunoscută de către specialiştii în subiect (sub numele de Janet Form sau de Left-Step Periodic Table) deoarece ea are dublul merit de a rămâne familiară şi de a dispune elementele în ordinea naturală a blocurilor (de la dreapta la stânga), spre diferenţă de tabelul actual :

    O altă reprezentare este cea a lui Theodor Benfey, datată 1960, al cărei obiectiv era de a remedia discontinuităţile tabelului standard cu ajutorul unei reprezentări în spirală:

Tabelul periodic în spirală al lui Theodor Benfey.

    Numeroase modele în trei dimensiuni au fost de asemenea propuse în scopul îmbunătăţirii reprezentării elementelor cu diverse informaţii specifice.