科学史上の奇跡：直感の貢献は理解を超える

60 種類を超える既知の元素に直面して、すべての化学者はそれらを体系的に整理したいと考えましたが、成功したのは 1 人だけでした。彼は、数独パズルを解くように、多くの空白がある表を作成しました。

そして彼は、この表の構造と周期性の意味を理解していると主張したことは一度もなかった。

この記事は「Gallery of Science」（People's Posts and Telecommunications Press）から抜粋することを許可されており、タイトルは編集者によって追加されています。

ジョン・D・バロウ著

翻訳：唐静、李潘

化学を勉強するときには周期表を使います。もし人類が地球外生命体と接触することがあれば、この二つの知的文明が共通して持つものの一つが、整然とした馴染み深い元素表であることは間違いない。

—ジョン・エムズリー[1]

古代ギリシャの哲学者たちは、アリストテレスに倣い、私たちの周りの世界を構成するさまざまな形態の物質は、土、火、空気、水という 4 つの基本物質にまとめられると信じていました。この素朴な考えは、錬金術から派生した化学によって他の元素の存在が発見された 17 世紀まで、事実として尊重されていました。 「地球」は単一の物質ではなく、「空気」は 1 種類のガスだけで構成されているわけではありません。 18 世紀には、元素のスペクトルが劇的に増加しました。コバルト、ニッケル、マンガン、タングステン、クロム、マグネシウム、ウランなど多くの新しい金属が発見され、水素、窒素、酸素、塩素などの新しいガスが初めて分離されました。

化学における「元素」の概念は、ロバート・ボイルによって初めて提唱されました。つまり、物理的プロセスによって分解できなくなる物質が元素です。この元素はその後、1789年にフランスの化学者アントワーヌ・ローラン・ド・ラボアジエ[2]によって正式に命名されました[3]。ラヴォアジエは 33 種類の物質を選択し、それらの元素状態を定義し、金属、非金属、土、気体の 4 つのグループに分類しました。その後、これらの要素のいくつかは実際には化合物であり、熱や光などの他の要素は化学物質でさえないことが発見されました。以下はラヴォアジエの元素表です。赤でマークされた元素だけが、今日でも化学元素として考えられています。

ガス: 熱、光、水素、窒素、酸素。

土壌: アルミナ、重晶石、石灰、マグネシア、シリカ。

金属: アンチモン、ヒ素、ビスマス、コバルト、銅、金、鉄、鉛、マンガン、水銀、モリブデン、ニッケル、白金、銀、スズ、タングステン、亜鉛。

非金属: 硫黄、リン、炭素、塩化物、フッ化物、ホウ酸塩。

ここでの「土」のグループは、実際には酸化物です。たとえば、石灰は酸化カルシウム、シリカは二酸化ケイ素です。しかし、当時の状況では、ラヴォアジエは化合物から酸素原子を抽出し、関連する元素を独立して認識することができませんでした。その他の擬似元素はすべて「非金属」グループに属しており、同様に、ラヴォアジエは当時利用可能な技術を使用してこれらの元素を塩素、フッ素、ホウ素などの個々の元素に分離することができませんでした。フランス革命の間、ラヴォアジエはジャン＝ポール・マラーの敵となり、最終的には1794年の恐怖政治中に国家の税金スキャンダルに関与したとしてギロチンで処刑された。裁判官は「共和国には天才は必要ない」と宣言した。しかし、わずか18ヵ月後、革命政府は態度を変え、ラボアジエは実は不当に告発されたと主張した。

その後、イギリスのマンチェスターの理科教師がこの研究をさらに進めました。 1805 年、ジョン・ドルトンはマンチェスター文学哲学協会に論文を提出し、さまざまな要素が互いに結合し、基本的な成分がどのようにして異なる重量を形成するかを説明しました。当時、ほとんどの化学者は、原子は研究するには小さすぎると信じていました。しかし、ダルトンはもっと冒険心を持って、20 種類の元素とその重さ、そしてそれらを組み合わせる方法を示す記号を記した表を考案しました。物質は、その基本的な構成要素のパターンを示す画像によって表現されます。この表から、さらに多くの化合物を導き出すことができます。化合物 21 は水であり、HO と表記されます。化合物22はNHと表記されるアンモニアです。これらの表現は、今日私たちが知っている化学反応式の初期の形でした。

ドルトンは化学の言語が作り出した新たな複雑さに驚愕した。新しい計画を見た後、彼はこう言った。「若い化学の学生はヘブライ語を学ばなければならないかもしれない。」新しい元素が発見され続け、ハンフリー・デービーは電気分解を利用して、もともとラボアジエが提唱した「土族元素」を実際の元素に分解しました。 1863年までに元素の数は60を超えました。元素の「ビッグバン」には限界があるのでしょうか?

1805年にジョン・ドルトンが分類した20の元素とその重量

当時、これは確かに魅力的な質問でした。制限がある場合、要素はいくつありますか?この制限を実際に決定する要因は何でしょうか?

19世紀には、多くの人々が元素の重さや性質などに基づいて元素を分類しようと勇敢に試みました。当時の優秀な化学者たち[7]は皆、同様のシステムを構築したでしょう[8]。しかし、彼らは皆、シベリア出身のロシア人化学教授に敗北した。

ドミトリ・イワノビッチ・メンデレーエフは1822年にシベリアのトボリスクで地元の小学校の校長の息子として生まれました。彼には13人の兄弟姉妹がいました。メンデレーエフの母親は、息子には特別な才能があり、可能な限り質の高い教育を受けるべきだと固く信じ、息子をサンクトペテルブルクの学校に通わせた。彼女は正しい。大学在学中、メンデレーエフの学業成績は常にトップクラスでした。その後、彼はフランスで働き、その後ドイツのハイデルベルクに行き、当時絶頂期にあったドイツ人化学者ロバート・ブンゼンの助手として働きました。最終的に1867年にメンデレーエフはサンクトペテルブルクに戻り、大学の化学教授になった。[9]

1867 年の春のある日、メンデレーエフは悪天候のため家に留まり、その機会を利用して「化学原理」という新しい教科書の執筆を続けました。彼は、増え続ける元素とその特性をどのように表示し、配置したらよいか途方に暮れていました。そこで彼は、各元素の名前をカードに書き、対応する元素とその酸化物や水素化物の特性をいくつか書き留めました。それから彼は、カードをさまざまな方法で並べ始め、同じ原子価の元素を横に並べ、原子量の降順で縦に並べるというパターンを見つけようとしました。突然、彼は非常に特徴的な配置を発見しました。彼は古い封筒の裏にその結果を書き留めており、それは今でもサンクトペテルブルクで見ることができる。[10]

メンデレーエフは1867年に最初の周期表を描いた。

次に、メンデレーエフはより単純なバージョンを発明しました。彼はリチウムからフッ素までの最初の7つの元素を原子量の増加する順に水平に並べ[11]、次にナトリウムから塩素までの7つの元素を同様に並べた。こうして周期性が生まれ、垂直の列では、化学的性質が似ている 2 つの元素が隣り合うことになります。 7 列のエントリのうち、最初の列の元素の主な原子価は 1、次の列の元素の主な原子価は 2、以下それぞれ 3、4、3、1 となります。次にメンデレーエフは、表をひっくり返して行と列を入れ替えると、表がよりわかりやすくなることをすぐに発見しました。今日の表には多くの新しい要素が記入されていますが、私たちは今でもこの結果を認識できます。

周期表には 8 つの列、つまり 8 つの周期があります。 1870 年に行われた大幅な改良で、メンデレーエフは、既知の 63 個の元素を水素から始まりウランで終わる 12 行に割り当て、各元素を同様の化学的性質の列に配置し、原子量の昇順で並べました。

メンデレーエフの表によって示された結果は、直感的に重要な貢献をしました。それは、新しい元素の存在を予測したのです。彼は、他の人たちがやったように、既知の元素すべてを完全な周期表に載せることはしませんでした。アリストテレスなら間違いなくそうしただろう。メンデレーエフは、周期表が論理的な構造を持っているとすれば、周期表には空白が存在する可能性があると推論した。彼は、新しい元素がこれらのギャップを埋め、表の周期性によって原子の原子量と密度を予測できるだろうと推測しました。彼はホウ素、アルミニウム、シリコンの下に「未発見」の3つの元素があると仮定し、それらを「ホウ素のような元素」、「アルミニウムのような元素」、「シリコンのような元素」と名付けました[12]。これら 3 つの元素は次々に発見され、その原子量と密度はメンデレーエフの予測と一致しました。「アルミニウムのような」元素は 1875 年にフランスのパリで発見され、ガリウム (ラテン語でフランス) と呼ばれました。 「ホウ素に似た」物質は 1879 年にスウェーデンのウプサラで発見され、スカンジウム (ラテン語で Scandinavia) と呼ばれました。 「シリコンのような」物質は1886年にドイツのフライベルクで発見され、ゲルマニウム（ラテン語でゲルマニウム）と呼ばれました。

メンデレーエフはまた、原子量が約 180 の第 4 族 (チタン) の新しいメンバーを予測しました。この元素は最終的に 1923 年にデンマークのコペンハーゲン大学で原子量が 178.5 として発見され、ハフニウム (ラテン語でコペンハーゲン) と名付けられました。

1893年、メンデレーエフはロシア計量測定局の局長となり、多大な貢献を果たした。彼はウォッカの成分を、アルコール1分子と水2分子であると正式に定義しました。分子量から、ウォッカは38%のアルコールと62%の水で構成されていることがわかります。 1894 年、ロシアの度量衡局が発行した法定基準では、この数値がわずかに調整され、アルコール 40%、水 60% になりました。これはアルコール度数 80% です (1 度数はアルコール量の 2 倍に相当します)。

ジェラルド・ホルトンはかつて、メンデレーエフの業績とそれが現代の科学者に与えた多大な影響について、次のような例え話をした。「それはあたかも、司書がすべての本を一冊に積み上げ、一冊ずつ重さを量り、重さの昇順で棚に並べるようなものだ。すると司書は、各棚の最初の本は芸術に関する本、2番目は哲学に関する本、3番目は科学に関する本、4番目は経済学に関する本、などと突然気づく。司書はこうしたルールの仕組みを理解していないかもしれないが、棚の1つに「芸術、科学、経済学」という順番の本があることに気づけば、芸術の本と科学の本の間に隙間を残し、適切な重さの哲学書を探し始めるだろう。」[13]

原子体積を原子量で割るなど、元素の 1 つの特性から周期表の周期性を見ることができます。これは1870年にジュリアス・マイヤーによって初めて発見されました[14]。アルカリ金属はグラフの上部に表示されます。

メンデレーエフは、この表の構造と周期性の意味を理解していると主張したことは一度もありません。それは素晴らしい直感的な飛躍でした。彼は元素が本質的に対称的な構造を持っていると信じていましたが、その表が劇的な発見や予測につながる便利な検索ツールでもあるとは考えてもいませんでした。メンデレーエフは目の前の元素のパターンを発見することはできませんでしたが、この表が他の人にこの課題を達成するのに役立つだろうとわかっていました。

現代の周期表[15]は7つの行（周期）に分かれており、各行にはそれぞれ2、8、8、18、18、32、32個の元素が含まれています。このパターンは、原子の量子論が発見された後に理解できるようになりました。電子の量子波の性質は、波長の整数倍だけが電子を周囲の軌道に「ロード」できることを意味します。周期表の各行の元素の数の増加は、各原子の原子核の周りを回る電子の数の増加を反映しています。量子力学では、最も内側の軌道（殻と呼ばれる）には 2 個の電子が含まれ、その後に 6 個、10 個、14 個の電子が続きます。

結果として得られる周期表では、各行の元素番号は軌道が完全に満たされている場合の電子の数です。つまり、8 = 2 + 6、18 = 2 + 6 + 10、32 = 2 + 6 + 10 + 14 です。各行の元素は原子番号の昇順に配置され、各列では元素は最外殻の電子の数に応じて配置され、その結果、現代の周期表の形が生まれました。各行では、軌道がいっぱいになるまで定期的に電子を追加し、最終的に周期表の右端にある希ガス（または不活性ガス）が生成されます。次に、次の行を開いて、次のレベルのトラックを埋めます。メンデレーエフが電子と陽子の発見前にこのパターンを発見していたことは特筆に値します。彼は原子量（元素の核内の陽子の数によって決まる）と原子価（軌道内の電子の充満度によって決まる）を研究し、この単純な方法を使ってこれら 2 つの化学的性質の性質を発見しました。

今日、メンデレーエフの周期表は世界中のあらゆる化学実験室の壁に掲示されています。[16]どうやら母親の決断は正しかったようだ。

メンデレーエフの周期表。これは、1869 年に印刷されたロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフによる元素周期表の初版です。メンデレーエフは、新しい元素については表の空欄を残しました。科学者たちは後にこれらの元素を発見し、メンデレーエフの予想を証明した。このバージョンに記載されている元素は化学記号で表され、原子量に従って並べられていますが、完全な元素順序はまだ現れていませんでした。 1871 年の最終版では、原子は今日知られている列またはグループに配置されました。

注記

[1] EMSLEY J. Nature's Building Blocks.オックスフォード：オックスフォード大学出版局、2003年：527頁。

[2] LAVOISIER A. Traité élémentaire de chimie。 1789年。これは新しい化学の普及のための教科書であり、長年にわたり化学教育において重要な役割を果たしました。

[3] これは現代の素粒子の定義を彷彿とさせます。もちろん、ラボアジエは原子の内部構造を知りませんでした。クォークで構成された陽子と中性子が原子核を構成し、その周囲を電子が取り囲んでいます。

[4] BERZELIUS JJ.「化学比率の原因とそれに関連するいくつかの状況に関するエッセイ：それらを簡潔かつ簡単に表現する方法とともに」哲学年報。 181(32):443-454. 353-364. DM Knight (ed.) に転載。古典的な科学論文。ニューヨーク：アメリカンエルゼビア、1968年。

[5] 1804年、ベルセリウスはロンドンの王立協会でドルトンの講演を聞き、彼と議論し、ドルトンの研究について知ることになった。

[7] その中で、ジュリアス・マイヤーの研究はおそらく最も注目に値するでしょう。 1868年、彼は49種の元素の原子体積と原子量をプロットし、周期的な変化を発見した。彼は友人にコメントしてもらうために論文を準備しましたが、残念なことに友人の反応が遅く、論文は完成しませんでした。その結果、メンデレーエフはマイヤーよりも先に、より包括的なバージョンを出版した。

[8] 1815年、イギリスの化学者ウィリアム・プラウトは、すべての元素が水素でできているという詳細なリストを考案し、19世紀には「プラウトの仮説」として知られるようになりました。

[9] POSIN D Q. メンデレーエフ：偉大な科学者の物語。ニューヨーク：マグロウヒル、1948年。

[10] サンクトペテルブルク大学メンデレーエフ博物館・文書館に展示されている。

[11] 水素はその独特な性質のために除外され、希ガス（ヘリウムなど）はまだ発見されていませんでした。

[12] ギリシャ語で接頭辞「eka」は「従う」という意味です。

[13] HOLTON G.物理科学における概念と理論入門。 2回目の改訂。 S. Brushと共著。プリンストン：プリンストン大学出版局、1985年：337。

[14] 固体または液体の原子体積は、その原子量を密度で割ったものに等しい。

[15] 不安定で短期間しか存在しない未発見の超重元素がまだ存在する可能性があることを忘れないでください。

[16] プリーモ・レーヴィの有名な著書『周期表』（LEVI P. The Periodic Table. London: Michael Joseph, 1985）は、産業化学者でありナチス強制収容所の生存者でもある著者の並外れた人生における多くのユニークな体験を語っています。章ごとに異なる出来事や登場人物が描かれており、各章は要素にちなんで名付けられています。例えば、1941年の「トリエステ事件」を描いた「カリウム」という章には、有名なイタリアの天体物理学者、故ニコロ・ダラポルタが若い助手として登場します。私は1980年代にトリエステでダラポルタに会いました。彼は私の指導教官であるデニス・シアマとともに、イタリアのSISSA（国際高等研究学校）の共同ディレクターを務めています。したがって、私は、ダラ・ポルタが、レヴィが40年前に知っていたのと同じくらい魅力的で親しみやすい若者であることを自分自身で確認できたことを嬉しく思います。ダッラ・ポルタが、リーバイスの有名な作品で重要な役割を果たしたため、一部のイタリア人から「カリウム」というあだ名で呼ばれていたことも知りました。レヴィはかつて、戦争中に投獄され拷問を受けたとき、周期表を研究することが彼にとって重要な精神的慰めになったと語ったことがある。彼は、加害者が善悪を混同し、人間の倫理基準を改ざんしようとしても、周期表の事実を変えることはできない、そこには誰も揺るがすことのできない絶対的な真実の礎があることを知っていた。

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