ตารางธาตุ

ความพยายามในการวางระบบครั้งแรก

 

      ใน พ.ศ. 2332 อองตวน ลาวัวซิเอ ตีพิมพ์รายชื่อธาตุเคมี 33 ตัว เขาแบ่งเป็นแก๊ส โลหะ อโลหะ และเอิร์ท นักเคมีใช้เวลาข้ามศตวรรษเพื่อค้นหาวิธีที่จะจัดระบบของธาตุเหล่านี้ ใน พ.ศ. 2372 โยฮันน์ ว็อล์ฟกัง เดอเบอไรเนอร์ สังเกตว่าธาตุจำนวนมากนั้นสามารถจัดลงในไตรแอดส์ โดยอยู่บนพื้นฐานของสมบัติทางเคมีของมันได้ เช่น ลิเทียม โซเดียม และโพแทสเซียม พวกมันถูกจัดให้อยู่ในกลุ่มเดียวกัน เนื่องจากเป็นโลหะที่อ่อน และไวต่อการเกิดปฏิกิริยา เดอเบอไรเนอร์ยังสังเกตอีกว่ามวลอะตอมของธาตุตัวที่สองในไตรแอดส์ของเขานั้น เป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมธาตุที่หนึ่งและธาตุที่สาม ซึ่งรู้จักกันในภายหลังว่า กฎไตรแอดส์นักเคมีชาวเยอรมัน เลโอโปลด์ กเมลิน ทำงานด้วยระบบไตรแอดส์นี้ และใน พ.ศ. 2386 เขาก็ค้นพบ ไตรแอดส์สิบตัว โดยมี 3 กลุ่มที่มี 4 ธาตุและอีก 1 กลุ่มที่มี 5 ธาตุ ฌอง-บัฟติส ดูมัส ตีพิมพ์ผลงานเมื่อ พ.ศ. 2400 ซึ่งบรรยายความสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มของโลหะบางกลุ่ม ถึงแม้ว่านักเคมีบางคนจะสามารถบรรยายถึงความสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มธาตุขนาดเล็กได้แล้ว แต่พวกเขาก็ไม่ได้ทำให้มันครอบคลุมทั้งหมด

 

      ใน พ.ศ. 2401 นักเคมีชาวเยอรมัน ออกุสต์ คีคูเล สังเกตว่าคาร์บอนส่วนใหญ่มักจะอยู่ในรูปของอะตอมสี่ตัวทำพันธะต่อกัน เช่น มีเทน ซึ่งมีอะตอมคาร์บอน 1 ตัวและอะตอมของไฮโดรเจน 4 ตัว แนวคิดในลักษณะนี้ภายหลังรู้จักกันว่าเป็นเวเลนซ์ ซึ่งระบุไว้ว่าพันธะของธาตุต่างชนิดกันก็มีจำนวนอะตอมต่างกันด้วย

 

      ใน พ.ศ. 2405 นักธรณีวิทยาชาวฝรั่งเศส อเล็กซานเดอร์-เอมิล เบอกูเยร์ เดอ ชานกูร์ตัว ตีพิมพ์ตารางธาตุฉบับแรก ซึ่งเขาเรียกมันว่าเทลลูริก เฮลิกซ์ หรือสครู เขาเป็นคนแรกที่ทราบถึงความเป็นลำดับคาบของธาตุเคมี โดยการนำธาตุมาจัดเรียงเป็นวงก้นหอย หรือเป็นทรงกระบอกโดยเรียงตามมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้น เดอ ชานกูร์ตัว แสดงให้เห็นว่าธาตุที่สมบัติทางเคมีเหมือนกันจะอยู่ใกล้กัน ตารางของเขายังมีไอออนและสารประกอบบางชนิดรวมอยู่ด้วย แผ่นกระดาษของเขามักจะถูกใช้ในทางธรณีวิทยามากกว่าทางเคมี และไม่รวมแผนภาพ และเป็นผลทำให้ได้รับความสนใจน้อยจนถึงผลงานของดมีตรี เมนเดเลเยฟ

 

       ใน พ.ศ. 2407 นักเคมีชาวเยอรมัน ยูลิอุส โลทาร์ ไมเออร์ ได้ตีพิมพ์ตารางธาตุซึ่งประกอบไปด้วยธาตุ 44 ตัวโดยเรียงตามความเป็นวาเลนซ์ ตารางของเขาแสดงให้เห็นว่าธาตุที่มีสมบัติทางเคมีเหมือนกันนั้น บ่อครั้งที่จะมีความเป็นวาเลนซ์ที่เหมือนกันด้วย ในเวลาที่ไล่เลี่ยกัน นักเคมีชาวอังกฤษ วิลเลียม โอดลิง ตีพิมพ์การจัดเรียงธาตุ 57 ตัว โดยเรียงบนพื้นฐานของมวลอะตอม ด้วยความที่ไม่ปกติและยังมีช่องว่าง เขาทราบว่าสิ่งที่เกิดขึ้นกับธาตุเป็นลำดับการเกิดคาบของมวลอะตอม และเขายังบันทึกไว้ว่า "มันมักจะได้รับการจัดกลุ่ม" โอดลิงได้พูดถึงเกี่ยวกับความคิดในเรื่องของกฎพิริออดิก แต่เขาก็ไม่ได้สนใจมัน ต่อมาเขาก็ได้นำเสนอ (ใน พ.ศ. 2413) การจัดหมวดหมู่บนพื้นฐานของความเป็นวาเลนซ์

 

        นักเคมีชาวอังกฤษ จอห์น นิวแลนส์ ได้ตีพิมพ์ผลงานของเขาในช่วง พ.ศ. 2406 – พ.ศ. 2409 ซึ่งมีหมายเหตุไว้ว่าเขาจัดธาตุตามมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้น แล้วเขาก็พบว่าธาตุทุก ๆ 8 ตัวจะมีสมบัติทางกายภาพและสมบัติทางเคมีเหมือนกัน เขาคิดว่ามันเหมือนกับอ็อกเทฟในดนตรี เขาจึงตั้งกฎขึ้นมา ซึ่งเรียกกันว่า กฎออกเทฟส์ ถึงอย่างนั้นสมาคมเคมีก็ปฏิเสธที่จะยอมรับงานของนิวแลนส์ เนื่องจากนิวแลนส์ได้ผลักดันธาตุให้เข้ากับกฎออกเทฟส์และไม่เว้นช่องว่างไว้ให้ธาตุที่ยังไม่ค้นพบ เช่น เจอร์เมเนียม  สมาคมเคมีรับทราบเพียงแค่การค้นพบของเขา จนกระทั่ง เมนเดเลเยฟตีพิมพ์ตารางธาตุของเขาออกมา

ใน พ.ศ. 2410 นักเคมีชาวเดนมาร์ก กุสตาวุส ฮินริชส์ ได้ตีพิมพ์ตารางธาตุในลักษณะก้นหอยออกมาโดยจัดตามสเปกตรัมและมวลของอะตอม ผลงานของเขาได้รับยกย่องว่าเป็นผลงานที่พิสดาร โอ้อวด และซับซ้อน นี่เองที่อาจทำให้ไม่เป็นที่จดจำและเป็นที่ยอมรับ

 

 

      นักเคมีชาวรัสเซีย ดมีตรี เมนเดเลเยฟ และนักเคมีชาวเยอรมัน ยูลิอุส โลทาร์ ไมเออร์ ได้ตีพิมพ์ตารางธาตุใน พ.ศ. 2412 และ พ.ศ. 2413 ตามลำดับ ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟเป็นการตีพิมพ์ครั้งแรกของเขา ส่วนของไมเออร์เป็นการเพิ่มเติมจากตารางธาตุเก่าของเขา ที่เคยตีพิมพ์เมื่อ พ.ศ. 2407 ตารางธาตุของทั้งสองสร้างขึ้นโดยจัดธาตุไว้เป็นคาบและหมู่โดยเรียงตามมวลอะตอม และจะเริ่มแถวใหม่เมื่อธาตุมีสมบัติทางเคมีที่เหมือนกัน

      สาเหตุที่ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟได้รับการยอมรับมีอยู่สองประการ คือ หนึ่ง ตารางธาตุของเขามีช่องว่างไว้เพื่อให้ธาตุที่ยังไม่ได้รับการค้นพบ เมนเดเลเยฟไม่ได้เป็นนักเคมีคนแรกที่ทำแบบนี้ แต่เขาเป็นคนแรกที่ได้รับการยอมรับในการใช้แนวโน้มในตารางธาตุ เพื่อทำนายสมบัติทางเคมีของธาตุที่ยังไม่ได้ค้นพบเหล่านั้น เช่น แกลเลียม และเจอร์เมเนียม และเหตุผลที่สองคือบางครั้งเขาไม่ได้เรียงตามมวลอะตอมโดยทั้งหมด เขาสลับตำแหน่งธาตุบางตัว เช่น เทลลูเรียมและไอโอดีน โดยเขาให้เหตุผลว่าเพื่อให้ง่ายต่อการจัดธาตุลงไปในหมู่ของธาตุ กับการพัฒนาทฤษฎีโครงสร้างอะตอม ทำให้เป็นที่แน่ชัดแล้วว่า เมนเดเลเยฟ ไม่ได้ตั้งใจที่จะระบุไปว่า เขาจัดเรียงธาตุตามมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้น หรือโครงสร้างนิวเคลียร์

ความสำคัญของเลขอะตอมในการเป็นองค์ประกอบของตารางธาตุยังคงไม่ได้รับการยอมรับจนกระทั่งสมบัติของโปรตอนและนิวตรอนกลายเป็นที่รู้จักมากขึ้น ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟก็ยังคงใช้มวลอะตอมแทนที่จะเป็นเลขอะตอม ซึ่งในเวลานั้นข้อมูลเกี่ยวกับมวลอะตอมมีความแม่นยำสูงสุด มวลอะตอมสามารถอธิบายถึงสมบัติทางเคมีของธาตุที่ยังไม่ค้นพบได้อย่างแม่นยำกว่าวิธีอื่น ๆ ที่รู้จักกันในเวลานั้น และวิธีนี้ก็ยังคงใช้ในการทำนายสมบัติของธาตุเคมีที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่จนกระทั่งปัจจุบัน

ใน พ.ศ. 2414 เมนเดเลเยฟตีพิมพ์ตารางธาตุในรูปแบบใหม่ซึ่งประกอบไปด้วยหมู่ที่มีธาตุที่คล้ายกันซึ่งจะถูกจัดในคอลัมน์มากกว่าที่จะถูกจัดในแถว และคอลัมน์เหล่านี้ก็เรียงลำดับไว้ว่า I ถึง VIII ซึ่งตรงกันกับสถานะออกซิเดชันของธาตุ เขายังลงรายละเอียดเกี่ยวกับการทำนายสมบัติของธาตุที่ยังไม่ค้นพบด้วย และเขายังระบุไว้ว่าพวกมันไม่มีในตารางธาตุ แต่ควรจะมีอยู่จริง ช่องว่างเหล่านี้ส่วนใหญ่แล้วจะเติมเต็มโดยนักเคมีที่ค้นพบธาตุในธรรมชาติเพิ่มเติม บ่อยครั้งที่มีการยืนยันว่าธาตุสุดท้ายที่จะถูกค้นพบในธรรมชาติคือ แฟรนเซียม (เอคา-ซีเซียมที่เมนเดเลเยฟทำนายไว้) ที่         ถูกค้นพบใน พ.ศ. 2482  ถึงอย่างนั้น พลูโทเนียม สังเคราะห์ขึ้นใน พ.ศ. 2485 มีการยืนยันว่ามีปริมาณเพียงเล็กน้อยในธรรมชาติใน ปี พ.ศ. 2514 และปี พ.ศ. 2554 ก็เป็นที่รู้กันว่าทุกธาตุจนถึงแคลิฟอร์เนียมนั้นสามารถมีได้ในธรรมชาติโดยพบในแร่ยูเรเนียมโดยการจับยึดนิวตรอนและการสลายแบบบีตา ถึงแม้ว่าจะมีปริมาณน้อยก็ตาม

        ตารางธาตุที่ได้รับความนิยมที่สุด หรือรู้จักกันว่าเป็นตารางธาตุมาตรฐาน สร้างขึ้นโดยฮอเรซ กรอฟส์ เดมิง ใน พ.ศ. 2466 เดมิงได้ตีพิมพ์ตารางธาตุในรูปแบบสั้น (รูปแบบเมนเดเลเยฟ) และรูปแบบปานกลาง (18 คอลัมน์) ในปี พ.ศ. 2467 เมิร์คและคอมปานีได้จัดเตรียมเอกสารของตารางธาตุ 18 แถวของเดมิงไว้ใช้สำหรับการเรียนการสอนในโรงเรียนของประเทศสหรัฐอเมริกา ในช่วงทศวรรษ 1930 ตารางธาตุของเดมิงได้ปรากฏบนหนังสือคู่มือและสารานุกรมเคมี และมันก็ยังถูกแจกจ่ายเป็นเวลาหลายปีโดยบริษัทวิทยาศาสตร์ซาร์เจนท์-เวลช์

ด้วยการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัม และทฤษฎีของการจัดเรียงอิเล็กตรอนภายในอะตอม พบว่าอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นตามคาบ (แถวแนวนอน) ในตารางธาตุเพื่อเติมเต็มวงอิเล็กตรอน อะตอมที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจะมีวงย่อยมากขึ้น และทำให้ตารางธาตุจะมีคาบที่ยาวขึ้นไปด้วย

         ใน พ.ศ. 2488 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน เกลนน์ ซีบอร์ก ได้ให้ข้อคิดเห็นไว้ว่าธาตุแอกทิไนด์จะเหมือนกับแลนทาไนด์ซึ่งอิเล็กตรอนจะเข้าไปอยู่ในวงย่อย f ก่อนหน้านั้นแอกทิไนด์เชื่อกันว่าเป็นบล็อก-d แถวที่ 4 เพื่อนร่วมงานของซีบอร์กได้แนะนำให้เขาปิดบังข้อเสนอแนะดังกล่าวนี้ซึ่งจะมีผลกระทบต่ออาชีพของเขา ซีบอร์กไม่สนใจคำแนะนำของเพื่อนร่วมงาน และตีพิมพ์ข้อเสนอแนะของเขาลงไป ในภายหลังนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆได้ตรวจสอบข้อเสนอแนะนี้ และพบว่ามีความถูกต้อง และทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี พ.ศ. 2494 สำหรับการทำงานของเขาที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ธาตุแอกทิไนด์

ถึงแม้ว่าธาตุหลังยูเรเนียมบางตัวจะปรากฏในธรรมชาติ แต่พวกมันทั้งหมดก็ถูกค้นพบในห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์มาก่อน ซึ่งการผลิตพวกมันทำให้ตารางธาตุขยายขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยมีการสังเคราะห์เนปทูเนียมขึ้นมาเป็นธาตุแรก ซึ่งสังเคราะห์ในปี พ.ศ. 2482เนื่องด้วยธาตุส่วนใหญ่หลังยูเรเนียมไปแล้วนั้น มีความไม่เสถียรสูงมาก และสลายตัวอย่างรวดเร็ว พวกมันจึงกลายเป็นความท้าทายของนักวิทยาศาสตร์ที่จะตรวจจับและระบุลักษณะขณะที่มันถูกผลิตขึ้นแล้ว พวกมันยังมีการถกเถียงในเรื่องของความถูกต้องของการค้นพบธาตุ ซึ่งบางครั้งก็ยังขาดการตรวจสอบความสำคัญและการตั้งชื่อที่ถูกต้อง ซึ่งธาตุที่ได้รับการยืนยันและได้รับการตั้งชื่อล่าสุดคือ ฟลีโรเวียม (ธาตุที่ 114) และลิเวอร์มอเรียม (ธาตุที่ 116) ทั้งคู่ถูกตั้งชื่อในวันที่ 16 พฤษภาคม พ.ศ. 2555ก่อนหน้านั้นในปี พ.ศ. 2553 ศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์ในดุบนา ประเทศรัสเซีย ได้สังเคราะห์อะตอมของอูนอูนเซปเทียม (ธาตุที่ 117) 6 อะตอม ซึ่งทำให้มันกลายเป็นธาตุล่าสุดที่คาดว่าจะถูกค้นพบ