「新しい」化学元素を「周期表に載せたい」ですか?それは簡単ではありません！

最近、中国科学院現代物理研究所とその提携機関の研究者らが、新しい核種であるオスミウム160とタングステン156を初めて合成した。元素とは、同じ種類の同じ数の陽子を持つ原子の総称であり、核種とは、特定の数の陽子と特定の数の中性子を持つ原子を指すことは、誰もが知っています。この新しい核種の発見は、人々に元素の過去を思い起こさざるを得ません。

多くの人は学校の時に周期表を暗記したことがあるでしょう。記憶力が良い人はそれをすぐに覚えることができます。しかし、あなたが暗記したもの以外にも、周期表には多くの「バージョン」があることをご存知ですか? 「新しい」化学元素が「周期表に入る」のがどれだけ難しいかご存知ですか?この記事では、周期表に関するあまり知られていない知識を紹介します。

元素周期表（ギャラリーからの著作権画像、転載は著作権紛争を引き起こす可能性があります）

01 周期表の作成

1869 年 3 月初旬のある日、ロシア化学会の会合で、メンデレーエフは「ロシア化学会誌」の編集長メンシュトキンに、新しく執筆した論文「元素の特性と原子量の関係」の朗読を依頼しました。しかし、彼自身はサンクトペテルブルクを離れ、当初の計画と自由経済連合から委託された任務に従ってチーズ工場の視察を続けるために他の地方へ向かった。

一見平凡で日常的な日々に見えたこの日々は、実は偉大な科学的発見、つまり元素周期律の誕生を告げるものだった。

化学の天才メンデレーエフと周期表（図書館の著作権画像、転載は著作権紛争を引き起こす可能性があります）

現代の観点から見ると、元素の特性はその原子量に応じて周期的に変化するというメンデレーエフの主張は問題がある。後に、原子内の電子や鉱物内の放射性元素の存在などの刺激的な現象が発見されたにもかかわらず、メンデレーエフは周期表をさらに最適化する意欲を起こさなかった。これは、一部の科学者が年齢とともに徐々に創造性を失っていくというよくある現象でもある。元素のさまざまな特性の進化を研究するために、後世の人々は多くの興味深い周期表を作成しました。

ストーニーの円形螺旋周期表（出典：文献[2]）

ハギンズとホールの円筒周期表（出典：文献[3]）

たとえば、ストーニーは 1888 年に円形の螺旋状の周期表を発表しました。この周期表では、元素の相対的な原子量は、その半径と回転角度の関数に等しいことが示されています。たとえば、 3 次元周期表は多くの人々によって提唱されてきましたが、その中で最も重要なのはおそらく 1916 年にハギンズとホールによって提案された円筒形の周期表でしょう。彼らは 2 つの同軸円筒を設計しました。主グループ元素は外側の円筒に配置され、サブグループ元素は遷移元素であることを示すために内側の円筒に配置されます。

周期表では、円筒の底にグループ番号を記すほか、垂直方向の目盛りとして原子量も使用します。グラフ上の元素の周期とグループ番号だけでなく、各元素の同位体もリストされます。彼らはまた、当時知られていた放射性同位元素を図にリストしました。周期表には 100 種類以上の形式があり、その中には原子体積、エネルギーレベル、電気陰性度などの特性を周期表に組み込んだものもあります。

2023年に「量子ドットの発見と合成」に対してノーベル化学賞が授与されたとき、周期表は3次元になったと言う人もいたほどだ。これはおそらく、原子核の外側の電子層の数と外側の電子の数に加えて、ナノメートルスケールも元素の特性に考慮されていることを言っているのかもしれません。実際、周期表には 3 次元以上あることがわかります。

2023年ノーベル化学賞受賞者のムンギ・G・バウェンディ、ルイス・E・ブルス、アレクセイ・I・エキモフ（出典：ノーベル賞公式サイト）

周期表のこれらすべての「バージョン」の中で、1885 年にデンマークの化学者ジュリアス・トムセンによって提案され、1920 年代初頭にボーアによって最適化されたタワー周期表は、優れた結果を達成しました。

02 ボーアの周期表 - 元素72をめぐる戦い

1913 年にボーアが原子構造の理論を提唱して以来、元素の周期表を説明する理想が存在してきました。

タワー型周期表（出典：文献[3]）

72番元素の発見はボーアの周期律の成功の有名な例です。 1911年、フランスの科学者アーバンは元素番号72を発見し、それが希土類元素であると信じて「セルチウム」と名付けたと発表しました。

1922年5月、フランス人のドーフィンはより「信頼できる」結果を発表しました。サンプルには非常に弱いスペクトル線が見つかったと言われており、これは2つのスペクトル線が希土類元素の「鋸」から来たものであることを証明できる可能性がある。アーバンはある記事の中で誇らしげにこう宣言した。「のこぎりは化学元素の中でその地位を決定的に勝ち取った。 」

ボーアの師であるラザフォードは、ネイチャー誌にアーバンらの研究成果を認める短い記事を掲載した。

アーバンとドビリエは元素番号72を希土類元素とみなし、希土類元素の中からそれを探しました。これはボーアの周期表理論と矛盾します。ボーアの理論によれば、元素番号72は元素番号40のジルコニウムと同様の電子配置を持ち、したがって同様の化学的性質を持ち、希土類元素ではない。

ハフニウムの原子構造（著作権画像はライブラリから取得しており、転載すると著作権紛争が発生する可能性があります）

同時に、ドヴィリエの研究は他の人々からも疑問を招き、鋸の目跡が全く見られなかったと言う人もいた。ドヴィリエは言葉もなく答えた。「はい、それは可能です。今日は晴れた日ではないですからね！」その後すぐに、事件は悪化した。スウェーデンの化学者ヘベシーとオランダの物理学者コスターは、ノルウェーとグリーンランドで産出されたジルコンの中に実際の元素番号72を発見し、それをハフニウムと名付け、ボーアの見解を裏付けました。

その後、コスターらは困難な作業を経て、72番元素を分離することに成功しました。ボーアが指摘したように、72番元素が長い間発見されなかったのは、一部のサンプルに含まれる元素の含有量が少なすぎたからではなく、その性質がジルコニウムとあまりにも似ていたからです。

権威ある仲裁者として、ラザフォードはコスターらの優先権をすぐに認め、元素72をめぐる戦いは終結した。

03 新しい要素の命名 - 競争とルール

元素72の物語は、元素の発見と命名の歴史の縮図に過ぎません。 1947 年にロンドンで開催された国際純正・応用化学連合 (IUPAC) 会議で、元素の命名に従うべき規則が最初に確立されました。しかし、時には、こうした競争が国家レベルにまで高まることもあります。

1960年代に、アメリカとソ連はそれぞれ元素番号104を発見しました。発見の順序がはっきりしなかったため、両国の科学者の間で命名をめぐって論争が起こった。 1997 年になって初めて、IUPAC はこれをラザホージウムと命名しました。

𬬻の原子構造 (著作権画像は図書館から提供されており、転載すると著作権紛争が発生する可能性があります)

今では、新しい元素の確認と命名には比較的厳格なプロセスが存在します。大まかに次のようになります。

まず、ディスカバリーラボの優先順位を確認する必要があります。 IUPACと国際理論応用物理学連合（IUPA）は共同作業部会（JWP）を結成し、元素の発見に関連する裏付け文書を研究室に提供するよう求め、これらの文書に含まれるデータを審査する予定です。

これは慎重なプロセスです。たとえば、元素番号 110 を検討する際、JWP は Hofmann らのデータを考慮しました。ドイツでは安心できる結果となり、この共同研究によって元素番号110が発見されたと評価しました。米国の研究所のデータに関しては、JWPは要件を満たしていないとコメントした。

JWP は優先権を検討した後、発見者と IUPAC 無機化学セクションに通知します。 JWP の報告書を受け取ってから 2 か月以内に、IUPAC 無機部門は発見者に検討対象として名前と記号を提案するよう依頼します。提案には選定の根拠を添付する必要があります。元素の名前は、一般的に神話上の概念や人物（天体を含む）、鉱物や類似の物質、場所や地理的領域、元素の特性、科学者などから取られます。たとえば、元素番号 105 はドブニウムで、その化学記号 Db（ドブニウム）はロシアのドゥブナにある合同原子核研究所にちなんで名付けられています。元素記号106はシーボーギウムで、化学者グレン・シーボーグ（シーボーグG.T.）にちなんで名付けられました。元素番号107はボーリウムで、化学記号はBh (Bohr) で、ボーアにちなんで名付けられました。

無機化学部門は、提案された名前と記号の適切性を確認し、満足できる場合は、15人の専門家、他の関連委員会の役員、部門間委員会に暫定的な推奨事項を送信し、関心のある個人向けにIUPACのWebサイトに情報を掲載します。 IUPAPの意見も求められます。異議が生じた場合、無機化学部門は関係する研究室と協力して、元の名前を変更または置き換える方法を見つけます。

これらのプロセスが完了すると、新しい元素の名前の最終提案が Pure Chemistry と Applied Chemistry によって共同で発表される予定です。

このことから、私たちが簡単に暗唱できる周期表の詩の背後には、多くの科学者たちの多大な苦労と労力と汗の成果があることがわかります。この精神こそが、人類が化学の世界の探求を前進させ続ける原動力なのです。

参考文献

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[2] 李世鋒、李静。元素周期表、成都科学技術大学出版局、1994年：89-90

[3] Li Guodong、Zhou Xiaojuan、Jiang Xiaoqing、他。周期表の形、化学教育、2003、5：43-48

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著者：黄暁東、中国科学ライター協会会員、南京師範大学応用化学専攻卒業

査読者: 王洪鵬、中国科学技術博物館研究員