周期表が存在する以前は、化学的な混沌が存在していた

『メンデレーエフの夢：元素の探求』からの次の抜粋では、著者のポール・ストラザーンが、ドミトリ・メンデレーエフによる周期表の発明に至るまでの化学の状態について説明しています。

18 世紀と 19 世紀には、ほぼ 10 年ごとにいくつかの元素が発見されました。特性の幅がますます広がるこの新しい元素の大量発生は、すぐに疑問を呼び起こし始めました。正確にはいくつの元素があるのか​​? 大半はすでに発見されているのか? あるいは、無数の元素が存在することになるのか? これはすぐに、より深い推測につながりました。どういうわけか、これらすべての元素の間には、何らかの基本的な秩序があるに違いありません。ドルトンは、各元素の原子が異なる重さを持っていることを発見しましたが、それだけではないはずです。ベルセリウスは、元素が異なる電気的親和力を持っているように見えることに気付きました。同様に、腐食に強い金属 (金、銀、プラチナなど)、可燃性のアルカリ金属 (カリウム、ナトリウムなど)、無色無臭のガス (水素、酸素など) など、類似した特性を持つさまざまな種類の元素のグループがあるように見えました。これらすべての背後に何らかの基本的なパターンがある可能性はあるのでしょうか?

化学は主に実験を通じて科学的地位と継続的な成功を獲得しており、そのような理論的思考はせいぜい単なる推測とみなされていました。なぜ元素の間に何らかの秩序があるのでしょうか? 結局のところ、そのような秩序を裏付ける証拠は何もなかったのです。しかし、秩序を求める熱意は人間の基本的な性質であり、科学者の間では特にそうです。そして、これらの推測は、たとえわずかな証拠からであっても、最終的に支持されるようになりました。

最初の発見は、イエナ大学の化学教授、ヨハン・ドーベライナーによるものでした。ドーベライナーは御者の息子で、ほとんど独学でした。薬剤師の職に就くことができ、定期的に開催される地元の科学公開講座に熱心に出席しました。1829 年、彼は発見されたばかりの元素である臭素が、塩素とヨウ素の中間の性質を持っていることに気づきました。それだけでなく、その原子量も、これら 2 つの元素のちょうど中間でした。

ドーベライナーは、特性と原子量が記録されている既知の元素のリストを研究し始め、最終的に同じパターンを持つ別の 2 つの元素グループを発見しました。ストロンチウムは、カルシウムとバリウムの中間 (原子量、色、特性、反応性) に位置し、セレンも同様に硫黄とテルルの間に位置します。ドーベライナーはこれらのグループを「トライアド」と名付け、さらなる例を求めて元素の広範な調査を開始しましたが、それ以上は見つかりませんでした。ドーベライナーの「トライアドの法則」は、既知の 54 元素のうち 9 元素にのみ当てはまるようで、同時代の人々からは単なる偶然として却下されました。

とりあえず、それで終わりでした。化学は、誤った理論 (四元素、フロギストンなど) に十分悩まされていました。前進する方法は、実験でした。ドーベライナーの三元法則から 30 年以上経って、元素のパターンを発見する別の重要な試みがなされました。残念ながら、この貢献は、その才能に匹敵する気まぐれな科学者によってなされました。

アレクサンドル＝エミール・ベギュイエ・ド・シャンクルトワは 1820 年にパリで生まれました。彼が最初に夢中になったのは地質学でした。ド・シャンクルトワが化学の分野にその並外れた才能を発揮したのは 40 代になってからでした。1862 年に彼は独創的な「地磁気スクリュー」について説明した論文を発表し、元素の間には確かに何らかのパターンがあるように見えることを実証しました。ド・シャンクルトワの「地磁気スクリュー」は、下降する螺旋線が描かれた円筒で構成されていました。この線に沿って一定の間隔で、ド・シャンクルトワは各元素をその原子量に従ってプロットしました。彼は、円筒に沿って垂直の列で元素を読み取ったときに、これらの元素の特性が繰り返される傾向があることを発見して興味をそそられました。原子量の 16 単位ごとに、一致する元素の特性は、円筒上で垂直に上にある元素と驚くほど類似している傾向があるようでした。ドゥ・シャンクルトワの論文は正式に出版されましたが、残念ながら彼は特定の要素について言及する際に地質学の用語に戻ることを選択し、ある段階では独自の数秘術（特定の数字が独自の難解な意味を持つ数学の錬金術）を導入しました。さらに悪いことに、出版社はドゥ・シャンクルトワの円筒の図を掲載しなかったので、最も粘り強く知識のある読者以外には、論文はほとんど理解不能なものになってしまいました。

この主題は、嘲笑に慣れたある種の科学的思想家の関心を引いたようだ。1864年、若きイギリスの化学者ジョン・ニューランズは、シャンクルトワの不可解な研究を知らずに、独自の元素パターンを考案した。ジョン・ニューランズは1837年、長老派教会の牧師の息子としてロンドンで生まれた。ニューランズは、元素を原子量の昇順で7つずつ縦に並べると、対応する横の線に沿った元素の特性が驚くほど似ていることを発見した。彼はこう述べた。「言い換えれば、ある元素から始まる8番目の元素は、音楽のオクターブにおける8番目の音符のように、最初の元素の一種の繰り返しである」。彼はこれを「オクターブの法則」と名付けた。表のリストでは、アルカリ金属のナトリウム（6番目に重い元素）が、非常によく似たカリウム（13番目に重い元素）の横に並んでいた。同様に、マグネシウム（10番目）は、よく似たカルシウム（17番目）の横に並んでいた。ニューランズが表を拡張して既知の元素をすべて含めると、段階的に類似した特性を示すハロゲン、塩素 (15 番目)、臭素 (29 番目)、ヨウ素 (42 番目) はすべて同じ水平の列に収まることがわかりました。一方、段階的に類似した特性を持つマグネシウム (10 番目)、シレン (12 番目)、硫黄 (14 番目) の 3 つは同じ垂直の線に収まりました。言い換えると、彼のオクターブの法則は、ドーベライナーの 3 成分法則で指摘された散在する類似性も組み込んでいるようです。

残念ながら、ニューランズが表にしたオクターブの法則にも欠点がありました。特に原子量の大きい元素の特性がまったく一致しなかったのです。それでも、ニューランズのオクターブの法則は、これまでのどのアイデアよりも明らかに進歩したものでした。実際、今では多くの人が、この法則を元素に何らかの包括的なパターンが存在することを示す最初の確固たる証拠と見なしています。1865 年、ニューランズはロンドンの化学協会でこの発見を報告しましたが、彼のアイデアは時代を先取りしていたことが判明しました。集まった偉人たちは、彼のオクターブの法則をあざ笑うだけでした。皆が浮かれる中、元素をアルファベット順に並べてみたことがあるかと皮肉を込めて尋ねる人もいました。ニューランズの功績がようやく認められたのは、25 年後の 1887 年、王立協会が彼にデービー メダルを授与したときでした。

ドーベライナーは、孤立した元素群の間に類似点を見出した。ド・シャンクルトワは、特定の反復特性のパターンを見出していた。ニューランズはこのパターンを拡張し、ドーベライナーの元素群も取り入れた。しかし、それでも彼のオクターブの法則は全体的には機能しなかった。これは、当時のさまざまな原子量の計算ミスと、ニューランズがこれまで発見されていなかった元素を考慮に入れなかったことが原因である。しかし、ニューランズのオクターブ システムの厳密さがまったく当てはまらなかったことも原因である。

元素に何らかのパターンがあることは次第に明らかになっていったが、答えは明らかにもっと複雑だった。化学は、その基礎となっている元素そのものの青写真を垣間見ることに、驚くほど近づいているように見えた。ユークリッドは幾何学の基礎を築き、ニュートンの重力は物理学の観点から世界を説​​明し、ダーウィンはすべての種の進化を説明していた。化学は今や物質の多様性を説明する秘密を発見できるだろうか? ここに、すべての科学的知識を統合できる要があるのか​​もしれない。

Paul Strathern著『メンデレーエフの夢』(https://www.amazon.com/Mendeleyevs-Dream-Elements-Paul-Strathern/dp/1643130692/ref=as_li_ss_tl?ie=UTF8&linkCode=ll1&tag=popularscience-20&linkId=8a29266149fe032a2dbef181902099e6&language=en_US)より。Pegasus Booksの許可を得て転載。