Các nguyên tố chưa biết thuộc tính hóa học

Mặc dù tất cả những nguyên tố cho tới ununocti đã được khám phá, trong số các nguyên tố sau hassi (nguyên tố 108), chỉ có copernici (nguyên tố thứ 112) là đã xác định được tính chất hóa học. Các nguyên tố khác có thể biểu hiện khác với cách ngoại suy từ các chu kỳ thấp hơn, do các hiệu ứng tương đối tính; chẳng hạn, người ta tiên đoán flevori là thể hiện tính chất giống khí hiếm, mặc dù nó hiện được đặt trong nhóm cacbon.[101] Tuy nhiên các thí nghiệm gần đây lại đề xuất rằng flevori lại biểu hiện hóa học giống như chì do vị trí trong bảng tuần hoàn của nó.[102]

Mở rộng bảng tuần hoàn trong tương lai

Người ta hiện không rõ liệu các nguyên tố mới có tiếp tục theo trật tự bảng tuần hoàn hiện tại, làm thành chu kỳ 8 hay không, hay sẽ cần những sự cải tiến hay hiệu chỉnh thêm. Glenn T. Seaborg cho rằng chu kỳ 8 sẽ đi theo đúng trật tự, bao gồm một khối s hai nguyên tố cho các nguyên tố 119 và 120, một khối g mới cho 18 nguyên tố tiếp theo, và 30 nguyên tố tiếp tiếp tục các khối f, d và p.[103] Gần đây, các nhà vật lý như Pekka Pyykkö đưa ra giả thuyết rằng những nguyên tố này sẽ không theo quy tắc Klechkowski về cách thức lấp đầy lớp vỏ electron và do đó sẽ ảnh hưởng tới hình dạng bảng tuần hoàn hiện tại.[104]

Quy mô tối hậu

Các nhà khoa học cũng chưa biết có thể có tất cả bao nhiêu nguyên tố. Từ năm 1911 Elliot Adams đã đề xuất, dựa trên sự sắp xếp các nguyên tố theo các hàng ngang của bàng tuần hoàn, rằng các nguyên tố với khối lượng lớn hơn khoảng 256 khối lượng hiđrô (tức bằng khoảng giữa nguyên tố 99 và 100 hiện nay) không tồn tại, một tiên đoán sớm tỏ ra sai lầm.[105] Một ước tính gần đây hơn là bảng tuần hoàn có thể kết thúc ngay sau miền đảo ổn định,[106] có tâm xung quanh nguyên tố 126, do sự mở rộng bảng tuần hoàn các nguyên tố (cũng như các nuclid nói chung) bị giới hạn bởi proton và nơtron trong những thứ gọi là "đường nhỏ giọt" (tức các đường giới hạn của tính ổn định hạt trong bảng nuclid).[107] Các tiên đoán khác bảng tuần hoàn kết thúc ở nguyên tố 128 như bởi John Emsley,[7] nguyên tố 137 như bởi Richard Feynman[108] và nguyên tố 155 bởi Albert Khazan.[109][chú thích 11]

Hạn chế của các mô hình cơ học lượng tử hiện tại khiến cho việc xác định nguyên tố cuối cùng khả dĩ của bảng tuần hoàn trở nên khó khăn. Mô hình Bohr tiên đoán rằng với số hiệu nguyên tử lớn hơn 137, một nguyên tử sẽ cần electron phân lớp 1s di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng, một điều bất khả; nhưng mô hình này chưa chính xác vì không xét tới hiệu ứng tương đối tính.[111] Các phương trình tương đối tính của Paul Dirac cũng gặp vấn đề với các nguyên tố có nhiều hơn 137 proton. Với các nguyên tố như vậy, hàm sóng của trạng thái Dirac cơ bản có tính dao động hơn là liên kết, và không có khoảng cách nào giữa các phổ năng lượng dương và âm, như trong nghịch lý Klein.[112] Các bổ chính đưa vào liên quan tới hiệu ứng kích thước hữu hạn của hạt nhân chỉ ra rằng năng lượng liên kết thứ nhất sẽ vượt giới hạn cho các nguyên tố nhiều hơn 137 proton. Đối với những nguyên tố nặng hơn, nếu orbital trong cùng (1s) không bão hoàn, trường điện từ của hạt nhân sẽ kéo một electron ra khỏi chân không, dẫn tới bức xạ positron tự phát;[113] tuy nhiên điều này không xảy ra nếu 1s bão hòa, do đó nguyên tố 137 không nhất thiết là điểm tận cùng của bảng tuần hoàn.[108]

Các vị trí không tương hợp

Bảng tuần hoàn có một số phần không tương hợp gây nên các tranh luận tới ngày nay. Một trong số đó là vị trí của hiđrô và hêli thường được đặt ở những vị trí không tương ứng với cấu hình electron của chúng. Hiđrô nằm trên liti trong bảng tiêu chuẩn, nhưng có khi nằm trên flo, hoặc thậm chí cacbon vì tính chất ít nhiều tương tự với các nguyên tố này.[114] Đôi khi hiđrô được đặt ở một nhóm riêng, vì biểu hiện của nó không đủ giống với bất kì nguyên tố nào khác để nằm chung một nhóm.[115] Hêli thường đặt ở trên neon, nhưng cũng có lúc nằm trên beri theo cấu hình electron(hêli: 1s2; beri: [He] 2s2).[21]

Một vấn đề khác liên quan tới các nhóm chứa các kim loại chuyển tiếp. Định nghĩa của IUPAC về kim loại chuyển tiếp là những nguyên tố có nguyên tử với phân lớp d chưa hoàn thành, hoặc có thể tạo ra các cation với phân lớp d chưa hoàn thành.[116] Theo định nghĩa này tất cả các nguyên tố trong các nhóm từ 3 tới 11 là kim loại chuyển tiếp. Tuy nhiên một số nhà hóa học vẫn xem "nguyên tố khối d" và "kim loại chuyển tiếp" là những thuật ngữ hoán đổi được cho nhau, và do đó bao gồm cả nhóm 12 (kẽm, cadmi, thủy ngân), mặc dù nhóm này là ngoại lệ với các electron phân lớp d thường không tham gia vào liên kết hóa học. Gần đây người ta phát hiện ra rằng thủy ngân có thể sử dụng electron phân lớp d để hình thành thủy ngân florit (HgF4), cổ vũ cho lập luận rằng thủy ngân (và do đó nhóm 12) nên được chính thức công nhận là kim loại chuyển tiếp.[117] Tuy nhiên, những nhà bình luận như Jensen cho rằng sự hình thành một hợp chất HgF4 chỉ xảy ra dưới những điều kiện hết sức không bình thường; và do đó thủy ngân không thể được xem là kim loại chuyển tiếp theo bất cứ cách diễn giải hợp lý về nghĩa thông thường của thuật ngữ này.[118]. Cũng đi theo cách diễn giải về hóa tính, một số nhà hóa học khác đi xa hơn tới chỗ loại trừ các nguyên tố nhóm 3 ra khỏi nhóm kim loại chuyển tiếp. Lập luận của họ là nhóm 3 không hình thành bất kì ion nào có phân lớp d bị chiếm giữ một phần và do đó không thể hiện bất kì tính chất nào đặc trưng cho kim loại chuyển tiếp.[119]

Ngoài ra, ở nhóm 3 cũng có một vấn đề khác liên quan tới các chu kỳ sau của nhóm này. Người ta không thống nhất được hai nguyên tố sau scandi và yttri là gì, một số cho là lantan và actini[120], nhưng số khác cho là luteti và lawrenci.[121] Có một vài lập luận, dựa trên cả hóa học và vật lý, ủng hộ mạnh mẽ cách sắp xếp sau nhưng không phải ai cũng cảm thấy chúng đủ thuyết phục.[122] Bảng tuần hoàn chính thức của IUPAC hiện nay chọn cách thể hiện tất cả họ lantan và actini bằng cách đánh dấu chúng trong một ô của nhóm 3.[123] Định nghĩa của IUPAC về thuật ngữ "lanthanoid" (hay "lanthanide", tức họ lantan) bao gồm 15 nguyên tố gồm cả lantan và luteti, và "transition element" (nguyên tố chuyển tiếp) áp dụng cho lantan và actini, cũng như luteti nhưng không có lawrenci, bởi vì nó không tương hợp với nguyên lý Aufbau.[116] Thông thường electron thứ 103 sẽ đi vào phân lớp d, nhưng các nghiên cứu cơ học lượng tử cho thấy cấu hình thực tế là [Rn]5f147s27p1[chú thích 12] do hiệu ứng tương đối tính. IUPAC hiện không khuyến nghị một dạng cụ thể nào cho khối f trong hàng của bảng tuần hoàn, khiến cho vấn đề còn để ngỏ..[124][125]

Dạng tối ưu

Sự tồn tại nhiều dạng bảng tuần hoàn khác nhau làm dấy lên câu hỏi liệu có một dạng tối ưu xác định rõ ràng của bảng tuần hoàn. Câu trả lời có lẽ phụ thuộc vào liệu tính tuần hoàn hóa học xảy ra với các nguyên tố có một chân lý ngầm ẩn, gắn kết vào bản thể vũ trụ, hay là tính tuần hoàn đó chỉ là sản phẩm của cách diễn dịch chủ quan của con người, tùy thuộc vào hoàn cảnh, niềm tin và thiên kiến của người quan sát. Bất kì cơ sở khách quan nào về tính tuần hoàn hóa học cũng sẽ phải giải quyết các câu hỏi về vị trí của hiđrô và hêli hay cấu tạo của nhóm 3 như đã nêu trên. Một chân lý như thế, nếu tồn tại, hiện nay vẫn chưa tìm thấy cho nên với sự vắng mặt của nó, các dạng bảng tuần hoàn khác nhau có thể dược xem như là những biến thể trên chủ đề về tính tuần hoàn hóa học, mỗi biến thể khám phá và nhấn mạnh những khía cạnh, tính chất và những mối quan hệ khác nhau giữa các nguyên tố.[chú thích 13] Sự phổ biến của dạng bảng vừa của Deming mà ngày nay ta gọi là dạng "tiêu chuẩn" có thể là kết quả của sự cân bằng tốt giữa kích thước và cấu trúc tiện dụng, và sự minh họa trật tự nguyên tử và các xu hướng tuần hoàn.[53][128]