周期表は150周年—しかし、その姿はまったく違っていたかもしれない

Kyushu University professor Kosuke Morita, head of a team of scientists who discovered element 113, points to the superheavy synthetic element on a periodic table at a news conference at the RIKEN institute's research centre in Wako, Saitama Prefecture, Japan, in this photo taken by Kyodo on June 9, 2016. Mandatory credit Kyodo/via REUTERS ATTENTION EDITORS - THIS IMAGE WAS PROVIDED BY A THIRD PARTY. EDITORIAL USE ONLY. MANDATORY CREDIT. JAPAN OUT. NO COMMERCIAL OR EDITORIAL SALES IN JAPAN. THIS IMAGE WAS PROCESSED BY REUTERS TO ENHANCE QUALITY, AN UNPROCESSED VERSION HAS BEEN PROVIDED SEPARATELY. TPX IMAGES OF THE DAY. - S1AETIWMWOAA
Kyushu University professor Kosuke Morita, head of a team of scientists who discovered element 113, points to the superheavy synthetic element on a periodic table at a news conference at the RIKEN institute's research centre in Wako, Saitama Prefecture, Japan.Image: REUTERS/ KYODO Kyodo
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周期表はほぼすべての化学実験室の壁からこちらを見下ろしています。その考案者として一般に名が挙がるのは、ドミトリ・メンデレーエフです。ロシアの化学者である彼は1869年、当時知られていた元素(63種類)をカードに書き出し、化学的・物理的性質に基づいて列と行に並べました。科学におけるこの重要な出来事から150周年を迎えるにあたり、国連は2019年を国際周期表年と宣言しました。

ジョン・ドルトンによる元素一覧。Image: ウィキメディア・コモンズ

しかし、周期表がメンデレーエフから始まったわけではありません。多くの人が元素の配列を試みていました。数十年前には、化学者のジョン・ドルトンが表の作成を試みるとともに、元素を表すかなり興味深い記号も考案しました(こちらは定着しませんでした)。メンデレーエフが手作りのカードを並べるほんの数年前にも、ジョン・ニューランズが元素を性質ごとに分類した表を作成しています。

メンデレーエフの卓越した点は、表に何を記載しなかったかにありました。まだ発見されていない元素があると見抜いたのです。ドルトンやニューランズらが既知の元素を並べたのに対し、メンデレーエフは未知の元素のために空欄を残しました。さらに驚くべきことに、彼はそれらの元素の性質を正確に予測しました。

未発見元素の空欄を含むドミトリー・メンデレーエフの表。Image: ウィキメディア・コモンズ

上の表に疑問符があるのが分かりますか。たとえばAl(アルミニウム)の隣には、未知の金属のための空欄があります。メンデレーエフは、その原子量を68、密度を1立方センチメートルあたり6グラム、融点を非常に低いと予測しました。それから6年後、ポール・エミール・ルコック・ド・ボアボードランがを単離しました。ガリウムは予測どおりその空欄に収まり、原子量は69.7、密度は5.9g/cm³でした。融点は非常に低く、手のひらの上で液体になります。メンデレーエフは同じように、スカンジウム、ゲルマニウム、テクネチウムについても予測しました(テクネチウムが発見されたのは、彼の死から30年後の1937年でした)。

ひと目見ただけでは、メンデレーエフの表は私たちになじみのある表とはあまり似ていません。まず、現代の表にはメンデレーエフが見落とし、空欄も設けなかった元素が多数あります。特に大きな違いは、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスです。また、表の向きも現代版とは異なり、現在は同じ列に置かれる元素が、当時は行に並んでいました。

現在の周期表。Image: Offnfopt/ウィキペディア

しかし、メンデレーエフの表を90度回転させると、現代版との類似点が見えてきます。たとえば、ハロゲンであるフッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、ヨウ素(I)(メンデレーエフの表ではJの記号)は、すべて隣り合って並んでいます。現在、これらは表の第17列に配置されています(化学者は第17族と呼びます)。

試行錯誤の時代

見慣れた図表への変化は小さな一歩に思えるかもしれません。しかし、メンデレーエフの発表後も、元素の別の配列方法は盛んに試されました。表が直角に向きを変えて定着する前から、奇抜で魅力的な改案が提案されていたのです。

ハインリヒ・バウムハウアーのらせん図。Image: G. N. クアム、メアリー・バテル・クアム著「元素の図式分類の種類。III. らせん、螺旋状、その他の図表」から、許可を得て転載(一部改変)。著作権 © 1934 米国化学会。

とりわけ目を引く例の一つは、ハインリヒ・バウムハウアーのらせん図です。1870年に発表されたこの図では、水素を中心に置き、原子量が増す元素を外側へらせん状に配置しています。車輪のスポークにあたる各線上の元素は、現代の表で同じ列(族)にある元素と同様、共通の性質を持ちます。また、ヘンリー・バセットによる1892年のかなり奇妙な「ダンベル型」の構成もありました。

それでも20世紀初頭までには、表は見慣れた横長の形式に落ち着き、1905年にはハインリヒ・ヴェルナーによる驚くほど現代的な見た目の版が登場しました。希ガスが表の最右端という、現在おなじみの位置に初めて配置されたのもこの版です。ヴェルナーはメンデレーエフにならって空欄も設けましたが、水素より軽い元素や、水素とヘリウムの間に位置する元素まで提案し、推測をやや広げすぎました(いずれも実在しません)。

ハインリヒ・ヴェルナーによる現代的な形式。Image: G. N. クアム、メアリー・バテル・クアム著「元素の図式分類の種類。I. 序論と短形式の表」から、許可を得て転載(一部改変)。著作権 © 1934 米国化学会。

このようにかなり現代的な表ができた後も、並べ替えは続きました。特に大きな影響を与えたのは、シャルル・ジャネの版です。彼は物理学者の視点から表を捉え、新たに発見された量子論を使って、電子配置に基づく配列を作りました。こうして生まれた「左階段型」の表は、今も多くの物理学者に支持されています。興味深いことに、ジャネは元素が92種類しか知られていなかった当時、原子番号120までの元素を収める空間も設けていました(現在知られているのは118種類です)。

シャルル・ジャネの左階段型周期表。Image: ウィキペディア、CC BY-SA デザインの定着

現代の表は、実際にはジャネの版から直接発展したものです。アルカリ金属(リチウムを先頭とする族)とアルカリ土類金属(ベリリウムを先頭とする族)が右端から左端へ移され、非常に横長の周期表ができました。この形式はページやポスターに収まりにくいため、主に見た目の理由から、fブロック元素は通常、切り離して表の下に置かれます。こうして、私たちになじみのある現在の表になりました。

もちろん、配列の工夫が途絶えたわけではありません。従来の表ではすぐに分からない元素間の関連性を示そうと、さまざまな配置が試されてきました。その種類は文字どおり何百にも及びます(マーク・リーチのデータベースを見てみてください)。特に人気があるのは、らせん型や3D版で、ユーモアを交えたバリエーションも数多くあります。

周期表の3D版「メンデレーエフの花」。Image: ティモホワ・オリガ/ウィキペディア、CC BY-SA

それとも、私が作った象徴的な2つの図を独自に融合した作品はいかがでしょう。下にある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路線図を組み合わせたものです。

筆者による元素の地下鉄路線図。Image: マーク・ローチ、筆者提供

あるいは、ビールからディズニーキャラクターまで、あらゆるものの分類に科学らしさを添えようとする、目がくらむほど多彩な模倣作品もあります。なかでも私のお気に入りは「不合理なナンセンス」です。これらはどれも、元素の周期表が科学を象徴するアイコンになったことを示しています。

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