Periodická tabulka prvků slaví letos 150 let

Všestranný antický idealistický filozof a myslitel Aristoteles ze Stageiry (asi 384-322 př. n. l.) učil svoje žáky, že existují čtyři základní živly: vzduch, země, oheň a voda. Ty reagují spolu navzájem a vytvářejí tak další elementy. Jakmile byly v moderní době stále objevovány další a další prvky, přestala aristotelovská teorie platit. Místo ní bylo třeba najít nový způsob, jak organizovat a klasifikovat informace o nově poznávaných látkách. Nejsnazším způsobem, jak přehledně shrnout informace tohoto druhu, představuje použití tabulek, což se také neustále děje. V historii vědy a techniky získala téměř kultovní rozměr periodická tabulka prvků, která se stala jedním z pilířů civilizace. Proč se však zrovna stal seznam prvků celebritou mezi přehledy a tabulkami, dokonce takovou, že byl rok 2019 vyhlášen organizací UNESCO Mezinárodním rokem periodické tabulky na počest 150. výročí objevu periodického zákona ruským chemikem D. I. Mendělejevem?

Cesta k periodické tabulce prvků v podobě, jak jí známe dnes, byla dlouhá a prošla poměrně zajímavým vývojem. Na jejím počátku stojí jedna z charakteristických vlastností člověka, a to schopnost klasifikace; ta lidem pomáhá při jejich interakci s okolním světem. Tak se pro naše předky stal na základě jejich pozorování prvním kritériem původ látek; proto je rozdělovali na minerální, rostlinné a živočišné.

První pokus o systematické roztřídění známých látek

První pokus je připisován perskému učenci Abú Bakr Muhammad ibn Zakárija ar-Rází (známějšímu pod jménem Rházes). Ten roztřídil minerální látky do šesti skupin: duchy (plyny), těla, horniny, vitrioly, kovy a soli. Toto rozdělení se v podstatě používalo až do 17. století. Pojmy prvek, sloučenina a směs vymezil teprve v roce 1661 anglický chemik Robert Boyl. Ačkoliv představa, že hmota je tvořena základními stavebními částicemi (atomy) pochází již od starořeckých filozofů (Leukippos z Milétu, Démokritos z Abdér), k poznání jejich skutečné podstaty a k definici prvku z chemického hlediska došlo až v průběhu 18. století. Historicky první doloženou tabulku chemických jednoduchých látek pocházející z roku 1772 vytvořil Louis-Bernard Guyton de Morveau a znal ji také Antoine Lavoisier, když v roce 1789 v „Pojednání o základech chemie“ rozdělil prvky do čtyř skupin: na plyny (prchavé látky), kovy, nekovy a zeminy.

Daltonova atomová teorie

S nástupem novodobé chemie je spojováno jméno anglického fyzika a chemika Johna Daltona, který v roce 1801 vyslovil atomovou teorii, podle které mají všechny atomy jednoho prvku (na rozdíl od atomů jiných prvků) stejnou hmotnost a velikost. Každý chemický prvek (roku 1808 vypracoval seznam 20 prvků a opatřil je grafickými symboly) se skládá ze stejných atomů zvláštního typu, které nelze měnit ani zničit, ale lze je skládat do složitějších struktur (sloučenin). V nich se pak vyskytují jednotlivé prvky v poměru malých celých čísel.  V roce 1815 anglický chemik, lékař a přírodní teolog William Prout na základě tabulek atomových hmotností dostupných v té době vyslovil hypotézu, že atomová hmotnost každého prvku je celočíselným násobkem atomu vodíku. Ačkoliv byly pozdějšími přesnějšími měřeními upraveny hodnoty atomových hmotností dalších prvků, jeho vhled do základní struktury hmoty byl poměrně přesný. Prvky lze seřadit podle jejich atomové hmotnosti. Poté, jestliže proti atomové hmotnosti postavíme jiné vlastnosti prvku, uvidíme periodicitu či podobnost těchto vlastností, jako funkci atomové hmotnosti.

První tabulky prvků

Roku 1857 publikoval Jean-Baptiste Dumas tabulku, která obsahovala 32 prvků v osmi sloupcích, které ukazovaly jejich společné vlastnosti. V roce 1862 uspořádal Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois poprvé 62 tehdy známých prvků podle vzrůstající atomové hmotnosti. Podobné prvky umístil stejným směrem a vytvořil tak šroubovicové uspořádání prvků v trojrozměrné podobě. Podle centrálně umístěného prvku telluru nazval toto uspořádání prvků „tellurický šroub“; jako první také definoval pojem perioda. Významný průlom do klasifikace prvků přišel v letech 1864/1865, kdy anglický analytický chemik John Alexander Reina Newlands všechny známé prvky seřadil podle stoupající atomové hmotnosti, resp. podle pořadových čísel. Prvky s podobnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi se pravidelně opakovaly v intervalu osmi. Newlands přirovnal tyto vzorce k hudbě, kde se noty opakují v oktávách. Někteří současníci jeho pravidlo oktáv zesměšňovali, avšak sestavil první skutečnou periodickou tabulku. Nakonec se však jeho pravidlo oktáv neosvědčilo, protože neplatilo u prvků s relativně vysokými atomovými hmotnostmi; když pak byly objeveny další prvky, jako helium a argon, rovněž do tabulky nezapadly. Ještě v témže roce uveřejnil také anglický chemik William Odling velmi zdařilé uspořádání 57 prvků- téměř na dosah správné tabulky.

Periodický zákon

V polovině 19. století bylo známo 64 chemických prvků, ale vědci stále nenašli žádný systém, který by je nějakým způsobem uspořádal. Průlom přišel z ruského Petrohradu před 150 lety: 6. března 1869 zveřejnil profesor chemie Dimitrij Mendělejev v časopise Ruské chemické společnosti svou práci „Vztah vlastností prvků k atomovým hmotnostem“, ve které formuloval periodický zákon. O rok později svou tabulku ještě doplnil o nové prvky a v roce 1870 publikoval práci s názvem „Přirozená soustava prvků a její použití k udání vlastností prvků dosud neobjevených“. Prvky uspořádal podle atomových hmotností a chemického charakteru do svislých skupin a vodorovných řad. Jeho tabulka měla několik volných políček, která učenci umožnila předpovědět nejen existenci dosud neznámých prvků, ale i jejich pravděpodobné vlastnosti. Tři z nich se podařilo ještě za jeho života objevit: gallium (1875), skandium (1879) a germánium (1886). Ačkoliv byl Mendělejův periodický zákon zpočátku přijat se značnými rozpaky, stal se s postupnými objevy těchto předpovězených prvků všeobecně uznávaným.

Jak tomu u podobných velkých objevů a vynálezů bývá, vymyslili klíčovou tabulkovou klasifikaci prvků téměř současně dva vědci. Vedle Mendělejeva také profesor na univerzitě v Tübingenu, německý chemik a lékař Julius Lothar Mayer, publikoval koncem téhož roku přepracovanou práci z roku 1864, ve které také formuloval periodický zákon... a zveřejnil i tabulku obsahující však pouze 56 prvků.

Periodické tabulky dnes

Současná tabulka obsahuje 118 prvků, 7 period a 18 skupin; jako dosud poslední byl do ní zařazen v roce 2016 transuran oganesson (Og), pojmenovaný podle ruského jaderného vědce Jurije Oganesjana. (Psali jsme o něm zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2037-novy-prvek-118-oganesson.)Nejstarší dochovaná periodická tabulka pochází z Rakouska a její vydání se datuje někdy mezi roky 1879-1886. Byla nalezena zcela náhodou při úklidu skladiště na skotské univerzitě v St. Andrewsu, kde je také její přesná kopie vystavena. Obvykle rozlišujeme tři základní formy: dlouhou tabulku s 18 sloupci (vnitřně přechodné kovy jsou vyjmuty mimo tabulku), velmi dlouhou tabulku s 32 sloupci (vnitřně přechodné kovy jsou její součástí) a krátkou tabulku, která má 8-10 sloupců a vychází z Mendělejevovy historické tabulky prvků. U krátké tabulky jsou lanthanoidy a aktinoidy umístěny také mimo tabulku (resp. v tabulce zabírají všechny lanthanoidy jedno místo, a podobně aktinoidy.) Ve 20. století se objevují i alternativní uspořádání periodické tabulky. Nejvýznamnější je verze, kterou roku 1928 zavedl Charles Janet. Jeho tabulka je uspořádána podle naplňování orbitalů a je užívána fyziky. První mezinárodní tabulka vznikla v roce 1903 a obsahovala 78 prvků.

Objev protonového čísla

Pravdivost periodického zákona potvrdil roku 1913 anglický fyzik Henry Moseley, když na zkoumání vlastností známých prvků aplikoval rentgenové záření a objevil tzv. protonové číslo. Výsledky jeho výzkumu mu umožnily zpřesnit formulaci periodického zákona: „Vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich atomového čísla.“ Dnešní znění říká, že vlastnosti prvků jsou periodickou funkcí jejich protonového čísla. (Termín „atomové číslo“ je nahrazen výstižnějším „protonovým číslem“ – počet protonů v jádře atomu.) Také všechny další výzkumy pomocí rentgenového spektra a kvantové mechaniky potvrdily a postupně zpřesňovaly Mendělejevův periodický zákon.

Odkaz do Čech

Jedním z prvních, kdo pochopil zásadní význam Mendělejevova zákona a periodické soustavy prvků pro chemii a sám jej ve své vědecké práci aplikoval a konkretizoval, byl významný český chemik, univ. prof. PhDr. Bohuslav Brauner (1855-1935). Jako jeho přesvědčený stoupenec a propagátor přispěl svými pracemi nemalým dílem k tomu, že se Mendělejevovu objevu dostalo uznání nejen u nás, ale také v západních evropských zemích. Traduje se, že velký ruský vědec před smrtí v roce 1907 údajně prohlásil: „Svou periodickou tabulku prvků pak odkazuji Braunerovi“.