Những nỗ lực hệ thống hóa đầu tiên

Bảng tuần hoàn đánh dấu màu theo niên đại khám phá

Năm 1789, Antoine Lavoisier công bố danh sách 33 nguyên tố hóa học, xếp nhóm thành các chất khí, kim loại, phi kim và "đất".[46] Các nhà hóa học đã dành cả một thế kỉ sau đó để tìm kiếm một sơ đồ phân loại chính xác hơn. Năm 1829, Johann Wolfgang Döbereiner nhận thấy nhiều nguyên tố có thể nhóm thành các bộ ba dựa trên tính chất hóa học. Liti, natri và kali chẳng hạn, có thể xếp vào nhóm các kim loại mềm, dễ phản ứng. Döbereiner cũng nhận thấy rằng khi sắp xếp theo khối lượng, nguyên tố thứ hai trong mỗi bộ ba thường gần bằng trung bình cộng của hai nguyên tố kia;[47] sau này được gọi là "định luật bộ ba nguyên tố".[48] Nhà hóa học Đức Leopold Gmelin làm nghiên cứu hệ thống này, và tới năm 1843 ông đã nhận diện được 10 bộ ba, ba nhóm bộ 4 và 1 nhóm bộ 5. Năm 1857 Jean-Baptiste Dumas công bố công trình mô tả mối quan hệ giữa các nhóm kim loại khác nhau. Mặc dù nhiều nhà khoa học có thể nhận diện mối quan hệ giữa các nhóm nguyên tố nhỏ, họ chưa thể dựng lên một sơ đồ định hướng toàn bộ chúng.[47]

Năm 1858, August Kekulé quan sát thấy rằng cacbon thường có 4 nguyên tử khác liên kết với nó. Ví dụ như Metan có một nguyên tử cacbon và 4 nguyên tử hiđrô. Quan niệm hóa trị hình thành từ đây; các nguyên tố khác nhau liên kết với những số nguyên tử khác nhau.[49]

Năm 1862, Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois, một nhà địa chất Pháp, công bố một dạng bảng tuần hoàn sơ khai, mà ông gọi là "đường xoắn telua" hay "đinh vít telua" (tiếng Pháp: vis tellurique). De Chancourtois là người đầu tiên nhận thấy tính tuần hoàn của các nguyên tố. Khi tố xếp theo một đường xoắn trên một hình ống theo khối lượng nguyên tử tăng dần, ông chỉ ra rằng các ngyên tố với tính chất tương tự nhau dường như xuất hiện theo những khoảng cách đều đặn. Bảng mà de Chancourtois đề xuất bao gồm một số ion và hợp chất bên cạnh các nguyên tố. Bài viết của ông cũng sử dụng các thuật ngữ địa chất hơn là hóa học và không sử dụng một giản đồ nào; kết quả là nó không nhận được chú ý cho đến khi công trình của Dmitri Mendeleev xuất hiện.[50]

Năm 1864, Julius Lothar Meyer, một nhà hóa học Đức, công bố một bảng bao gồm 44 nguyên tố xếp theo hóa trị. Bảng này chỉ ra các nguyên tố với tính chất tương tự thường có chung hóa trị.[51] Đồng thời, nhà hóa học William Odling cũng công bố một bảng sắp xếp 57 nguyên tố dựa trên khối lượng nguyên tử. Với một số chỗ trống và tính không đều đặn, ông nhận thấy rằng cái có vẻ như là tính tuần hoàn về khối lượng nguyên tử trong số các nguyên tố đó và rằng điều này tương ứng với "các cách ghép nhóm được ghi nhận của chúng." [52] Odling ám chỉ tới ý tưởng về một định luật tuần hoàn nhưng không theo đuổi đến cùng.[53] Về sau (năm 1870) ông quay sang đề xuất một sự phân loại nguyên tố dựa trên hóa trị.[54]

Bảng tuần hoàn của Newlands giới thiệu trước Hội Hóa học Luân Đôn năm 1866 dựa trên các bộ 8.

Nhà hóa học người Anh John Newlands công bố một loạt bài báo từ năm 1863 tới năm 1866 ghi nhận rằng khi các yếu tố được xếp theo thứ tự khối lượng nguyên tử tăng dần, các tính chất vật lý và hóa học tái tục theo những khoảng 8 đơn vị, ông gọi chúng là "octave" (bộ tám) theo cách gọi các quãng tám trong âm nhạc.[55][56] Điều này cũng được gọi là Định luật về các bộ tám, tuy nhiên bị những người cùng thời chế diễu, và Hội Hóa học Luân Đôn từ chối ấn hành công trình này.[57] Tuy nhiên Newlands đã thảo ra một bảng nguyên tố và dùng nó để tiên đoán sự tồn tại của những nguyên tố còn thiếu, chẳng hạn germani.[58] Hội Hóa học chỉ ghi nhận ý nghĩa những khám phá của ông 5 năm sau khi họ công nhận Mendeleev.[59]

Năm 1867, Gustavus Hinrichs, một nhà hóa học gốc Đan Mạch làm việc ở Hoa Kỳ, công bố một hệ thống tuần hoàn xoắn ốc dựa trên phổ và khối lượng nguyên tử, và những tính tương đồng hóa học. Công trình của ông bị xem là lập dị, khoe mẽ, rắm rối và điều này có thể đã cản trở sự thừa nhận của cộng đồng khoa học.[60][61]

Bảng tuần hoàn của Mendeleev

Dmitri MendeleevBảng tuần hoàn năm 1869 của Mendeleev; đáng chú ý là ở phiên bản này ông thể hiện các chu kỳ theo chiều dọc, còn các nhóm theo chiều ngang.

Hai nhà hóa học, Dmitri Mendeleev người Nga và Julius Lothar Meyer người Đức độc lập với nhau đã công bố bảng tuần hoàn lần lượt vào năm 1869 và 1870.[62] Bảng của Mendeleev là phiên bản đầu tiên của ông công bố, bản của Meyer là phiên bản mở rộng của một bảng khác năm 1864.[63] Cả hai đều xây dựng bảng bằng cách liệt kê các nguyên tố theo hàng hoặc cột theo thứ tự khối lượng nguyên tử và bắt đầu mỗi hàng hoặc cột mới khi các thuộc tính của nguyên tố bắt đầu lặp lại.[64]

Sự ghi công dành cho bảng của Mendeleev đến từ hai quyết định quan trọng của ông. Thứ nhất là ông để dành chỗ trống mà dường như tương ứng với những nguyên tố còn chưa được khám phá.[65] Mendeleev không phải là nhà khoa học đầu tiên làm vậy, nhưng ông là người đầu tiên được công nhận là sử dụng các xu hướng trong bảng tuần hoàn để tiên đoán tính chất của những nguyên tố bị thiếu, như galli và germani.[66] Quyết định thứ hai là đôi khi bỏ qua trật tự cứng nhắc theo khối lượng nguyên tử và hoán chuyển các nguyên tố lân cận, chẳng hạn như telua và iốt, để phân loại chúng thành các họ hóa học tốt hơn. Với sư phát triển của các lý thuyết về cấu trúc nguyên tử, người ta nhận thấy rõ ràng là Mendeleev đã vô tình liệt kê các nguyên tố theo trật tự số hiệu nguyên tử (hay điện tích hạt nhân) tăng dần.[67]

Tầm quan trọng của số hiệu nguyên tử đối với việc tổ chức bảng tuần hoàn không được thừa nhận cho tới khi sự tồn tại và tính chất của proton và nơtron được nghiên cứu chi tiết hơn. Các bảng tuần hoàn của Mendeleev sử dụng khối lượng nguyên tử thay vì số hiệu nguyên tử để tổ chức các nguyên tố, thông tin có thể xác định với độ chính xác tương đối cao ở thời bấy giờ. Khối lượng nguyên tử thỏa mãn hầu hết các trường hợp, đem lại một sự mô tả có khả năng tiên đoán tính chất của các nguyên tố chưa biết chính xác hơn bất kỳ phương pháp cùng thời nào khác. Việc thay thế bằng số hiệu nguyên tử sau này đem lại mỗi chuỗi xác định, dựa trên số nguyên cho nguyên tố vẫn được sử dụng tới ngày nay ngay cả khi các nguyên tố tổng hợp đang được chế tạo và nghiên cứu.[68]

Những phát triển về sau

Bảng tuần hoàn năm 1871 của Mendeleev với 8 nhóm nguyên tố xếp thành các cột. Các đường nét đứt biểu diễn các các nguyên tố chưa biết vào thời điểm năm 1871.Dạng 8 cột của bảng tuần hoàn, cập nhật với tất cả các nguyên tố đã được khám phá tới năm 2014.

Năm 1871, Mendeleev công bố một dạng bảng tuần hoàn, có các nhóm nguyên tố tương tự nhau xếp thành các cột từ I tới VIII (như hình trên). Ông cũng đưa ra các tiên đoán chi tiết về tính chất của các nguyên tố mà trước đó ông từng ghi nhận là bị khuyết nhưng hẳn phải tồn tại.[69] Những khoảng trống này lần lượt lấp đầy khi các nhà khoa học khám phá thêm những nguyên tố tồn tại trong tự nhiên.[70] Người ta từng nghĩ rằng nguyên tố tự nhiên cuối cùng được khám phá là franci (mà Mendeleev gọi eka-caesium) vào năm 1939.[71] Nhưng một nguyên tố được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1940 là plutoni về sau (1971) lại tìm thấy với một lượng rất nhỏ xuất hiện trong tự nhiên,[72] và tới năm 2011 người ta biết rằng tất cả các nguyên tố cho tới californi có thể xuất hiện trong tự nhiên ít nhất là dưới dạng vết (hàm lượng cực nhỏ) trong các mỏ quặng urani do bắt giữ nơtron và phân rã beta.[7]

Dạng bảng tuần hoàn phổ biến hiện nay[73], thường gọi là dạng tiêu chuẩn hay dạng thông thường, là bản do Horace Groves Deming hiệu chỉnh. Năm 1923, nhà hóa học Hoa Kỳ này công bố các bảng tuần hoàn dạng ngắn (gọi là kiểu Mendeleev) và vừa (dạng 18 cột)[74][chú thích 7] Merck and Company chuẩn bị dạng bảng vừa 18 cột của Deming năm 1928 và phát hành rộng rãi trong các trường học ở Hoa Kỳ. Tới những năm 1930 bảng của Deming đã xuất hiện trong các cuốn sổ tay và từ điển bách khoa hóa học. Sự phổ biến của nó cũng một phần nhờ được Sargent-Welch Scientific Company phát hành trong nhiều năm.[76][77][78]

Với sự phát triển của các lý thuyết cơ học lượng tử về cấu hình electron trong nguyên tử, người ta nhận thấy rằng mỗi chu kỳ (hàng) trong bảng ứng với sự lấp đầy một lớp vỏ lượng tử electron. Những nguyên tử lớn hơn có nhiều phân lớp electron hơn, cho nên các bảng về sau có những chu kỳ ngày càng dài hơn.[79]

Chân dung Glenn T. Seaborg người đề xuất một bảng tuần hoàn mới thể hiện họ actini thuộc về chuỗi khối f.

Năm 1945, Glenn Seaborg, một nhà khoa học Hoa Kỳ, đề xuất rằng các nguyên tố họ actini, cũng giống họ lantan lấp đầy một phân lớp f. Trước đó họ actini được cho là tạo thành một hàng khối d thứ tư. Đồng nghiệp của Seaborg khuyên ông không nên công bố một đề xuất táo bạo như vậy vì nó có thể làm hỏng toàn bộ sự nghiệp của ông. Seaborg vẫn bất chấp công bố và giả thuyết này về sau được chứng minh là đúng, góp phần giúp ông nhận giải Nobel Hóa học năm 1951.[80][81][chú thích 8]

Mặc dù những lượng rất nhỏ một vài nguyên tố siêu urani tồn tại trong tự nhiên,[7] con người biết tới chúng đầu tiên qua tổng hợp nhân tạo. Việc chế tạo ra chúng đã mở rộng bảng tuần hoàn đáng kể, với thành viên đầu tiên là neptuni (1939).[83] Vì nhiều nguyên tố siêu urani hết sức không bền và phân rã nhanh chóng, chúng thách thức việc phát hiện và tìm hiểu tính chất. Đã có nhiều tranh cãi liên quan tới việc các phòng thí nghiệm khác nhau đòi ghi công phát minh và kéo theo đó là quyền đặt tên cho các nguyên tố mới. Các nguyên tố có tên riêng chính thức được công nhận gần đây nhất là flerovi (nguyên tố 114) và livermori (nguyên tố 116), cả hai được đặt tên ngày 31 tháng 5 năm 2012.[84] Năm 2010, một nhóm cộng tác nghiên cứu giữa Nga và Hoa Kỳ ở Dubna, Moskva, Nga, tuyên bố tổng hợp thành công 6 nguyên tử của nguyên tố thứ 117 ununsepti, khiến nó trở thành nguyên tố được tuyên bố phát hiện gần đây nhất.[85]