象徴的な周期表は、まったく違ったものになっていたかもしれない

周期表は、ほぼすべての化学実験室の壁から見下ろしています。周期表の作成の功績は、一般的にロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフに帰せられます。彼は 1869 年に、既知の元素 (当時は 63 種類) をカードに書き出し、化学的および物理的特性に従って縦横に並べました。科学におけるこの極めて重要な瞬間の 150 周年を記念して、国連は 2019 年を国際周期表年と宣言しました。

しかし、周期表は実際にはメンデレーエフが始めたわけではありません。多くの人が元素の配置を試行錯誤していました。その数十年前、化学者のジョン・ドルトンは、元素を表す表とかなり興味深い記号を作成しようとしました (しかし、あまり人気が出ませんでした)。そして、メンデレーエフが手作りのトランプを手に取る数年前、ジョン・ニューランズも元素を特性で分類した表を作成しました。

メンデレーエフの天才性は、彼が表から何を省いたかにあった。彼は、まだ発見されていない特定の元素が欠けていることを認識していた。そのため、ダルトン、ニューランズ、その他の人々が既知のものを並べたところで、メンデレーエフは未知のものの余地を残した。さらに驚くべきことに、彼は欠けている元素の特性を正確に予測した。

上の表の疑問符に気付きましたか? たとえば、Al (アルミニウム) の横には未知の金属のスペースがあります。メンデレーエフは、その金属の原子量は 68、密度は 1 立方センチメートルあたり 6 グラム、融点は非常に低いと予言しました。6 年後、ポール・エミール・ルコック・ド・ボワボードランがガリウムを単離し、その通り、原子量は 69.7、密度は 5.9 g/cm³、融点は非常に低く、手で触れると液体になるというギャップにぴったり収まりました。メンデレーエフは、スカンジウム、ゲルマニウム、テクネチウム (彼の死後 30 年後の 1937 年まで発見されませんでした) についても同じことをしました。

メンデレーエフの表は、一見すると私たちがよく知っているものとは似ていません。まず、現代の表にはメンデレーエフが見落とした（そして余裕を持てなかった）元素がたくさんあり、特に希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴンなど）が目立ちます。また、表の向きも現代版とは違っており、現在では列にまとめられている元素が行に並べられています。

しかし、メンデレーエフの表を90度回転させると、現代版との類似性が明らかになります。たとえば、フッ素 (F)、塩素 (Cl)、臭素 (Br)、ヨウ素 (I) (メンデレーエフの表では J 記号) などのハロゲンはすべて隣り合って表示されます。現在、これらは表の 17 列目 (化学者はこれを 17 族と好んで呼んでいます) に配置されています。

実験期間

この図からおなじみの図への飛躍は小さいように思えるかもしれないが、メンデレーエフの発表から数年後、元素の配置を変える実験が数多く行われた。表が恒久的に直角に反転する以前から、人々は奇妙で素晴らしい工夫を提案していた。

特に印象的な例として、1870 年に発表されたハインリッヒ バウムハウアーの螺旋があります。この螺旋では、中心に水素があり、外側に向かって原子質量が増加する元素が螺旋状に並んでいます。この車輪の各スポークに当たる元素は、今日の表の列 (グループ) にある元素と同じように、共通の特性を持っています。また、1892 年にヘンリー バセットが発表したかなり奇妙な「ダンベル」式もありました。

それでも、20 世紀初頭までに、表はおなじみの横長の形式に落ち着き、1905 年にハインリッヒ ヴェルナーが驚くほど現代的な外観のバージョンを発表しました。このとき初めて、希ガスが表の右端の今ではおなじみの位置に表示されました。ヴェルナーは、メンデレーエフのやり方に倣って、空白を残そうとしましたが、水素よりも軽い元素や、水素とヘリウムの間に位置する元素 (いずれも存在しない) を提案するなど、推測をやりすぎてしまいました。

この表はかなり現代風に見えますが、まだ少し整理する必要がありました。特に影響力があったのは、チャールズ ジャネットのバージョンです。彼は物理学者のアプローチで表を作成し、新たに発見された量子理論を使用して電子配置に基づいたレイアウトを作成しました。その結果生まれた「左ステップ」表は、今でも多くの物理学者に好まれています。興味深いことに、ジャネットは、当時は 92 個しか知られていなかったにもかかわらず (現在は 118 個です)、120 番までの元素を記載するスペースも設けました。

デザインを決める

現代の周期表は、実はジャネットのバージョンの直接的な進化です。アルカリ金属 (リチウムがトップのグループ) とアルカリ土類金属 (ベリリウムがトップ) が右端から左端に移動され、非常に幅の広い (長い形式) 周期表が作成されました。この形式の問題は、ページやポスターにうまく収まらないことです。そのため、主に美観上の理由から、f ブロックの元素は通常切り取られ、メインの表の下に置かれます。こうして、今日私たちが認識している周期表が完成しました。

だからといって、人々がレイアウトをいじくり回したことがないというわけではありません。多くの場合、従来の表ではすぐには分からない要素間の相関関係を強調する試みとして、レイアウトが調整されています。文字通り何百ものバリエーションがあり (Mark Leach のデータベースをご覧ください)、特にスパイラルや 3D バージョンが人気ですが、冗談めいたバリエーションも数多くあります。

メンデレーエフの表とヘンリー・ベックのロンドン地下鉄の地図という 2 つの象徴的なグラフィックを独自に融合させたものはいかがでしょうか。

あるいは、ビールからディズニーのキャラクターまで、あらゆるものを分類して科学的な感覚を与えようとする目まぐるしいほどの模倣や、私が特に好きな「非合理的なナンセンス」。これらはすべて、元素周期表が科学の象徴となったことを示しています。

マーク・ローチはハル大学の科学コミュニケーションおよび化学の教授です。この記事はもともと The Conversation に掲載されました。