Tabel periodik unsur yang sering di bahas dalam pelajaran kimia, tersusun
secara teratur dalam urutan nomor atom, yaitu jumlah total proton dalam
inti atom. Ketika unsur-unsur kimia diatur demikian, ada pola berulang yang
disebut "hukum periodik" dalam sifat-sifatnya, di mana unsur-unsur dalam
kolom (kelompok) yang sama memiliki sifat serupa. Penemuan awal, yang
dibuat oleh Dmitry I. Mendeleyev pada pertengahan abad ke-19, memiliki
nilai yang tak ternilai dalam pengembangan kimia.
Awal abad ke-19 merupakan masa perkembangan pesat dalam kimia analitik,
metode membedakan zat-zat kimia dan membangun pengetahuan yang luas tentang
sifat-sifat kimia dan fisika dari unsur maupun senyawa.
Ekspansi ilmu kimia yang cepat ini segera memerlukan klasifikasi, karena
klasifikasi pengetahuan kimia tidak hanya didasarkan pada literatur kimia
yang tersistematisasi, tetapi juga metode laboratorium yang mewariskan
kimia sebagai ilmu yang hidup dari satu generasi ke generasi lainnya.
Hubungan lebih mudah dilihat antara senyawa daripada antara unsur-unsur,
sehingga perkembangan klasifikasi unsur tertinggal bertahun-tahun di
belakang klasifikasi senyawa. Faktanya, tidak ada kesepakatan umum yang
dicapai di antara para ahli kimia mengenai klasifikasi unsur selama hampir
setengah abad setelah sistem klasifikasi senyawa telah ditetapkan secara
umum.
J.W. Döbereiner pada tahun 1817 menunjukkan bahwa berat gabungan, yang
berarti berat atom, strontium terletak di tengah-tengah antara kalsium dan
barium, dan beberapa tahun kemudian ia menunjukkan bahwa "triad" semacam
itu ada (klorin, bromin, dan yodium [halogen] dan litium, natrium, dan
kalium [logam alkali]).
J.-B.-A. Dumas, L. Gmelin, E. Lenssen, Max von Pettenkofer, dan JP Cooke
memperluas pendapat Döbereiner antara tahun 1827 dan 1858 dengan
menunjukkan bahwa hubungan serupa meluas lebih jauh dari triad unsur, fluor
ditambahkan ke halogen dan magnesium ke logam alkali tanah, sedangkan
oksigen, belerang, selenium, dan telurium digolongkan sebagai satu keluarga
dan nitrogen, fosfor, arsenik, antimon, dan bismut sebagai kelompok unsur
lainnya.
Upaya kemudian dilakukan untuk menunjukkan bahwa bobot atom dari
unsur-unsur dapat diekspresikan oleh fungsi aritmatika, dan pada tahun 1862
A.-E.-B. de Chancourtois mengusulkan klasifikasi elemen berdasarkan pada
nilai baru dari bobot atom yang diberikan oleh sistem Stanislao Cannizzaro
tahun 1858.
De Chancourtois memetakan bobot atom pada permukaan silinder dengan
keliling 16 unit, sesuai dengan perkiraan berat atom dari oksigen. Kurva
heliks yang dihasilkan membawa elemen terkait erat ke titik yang sesuai di
atas atau di bawah satu sama lain pada silinder, dan ia menyarankan sebagai
konsekuensi bahwa "sifat-sifat elemen adalah sifat-sifat angka," prediksi
yang luar biasa dalam pengetahuan modern.
Klasifikasi Elemen
Pada tahun 1864, J.A.R. Newlands mengusulkan pengelompokan unsur-unsur
dalam urutan peningkatan berat atom, unsur-unsur yang diberikan nomor urut
dari kesatuan ke atas dan dibagi menjadi tujuh kelompok yang memiliki sifat
terkait erat dengan tujuh unsur pertama yang kemudian dikenal: hidrogen,
litium, berilium, boron, karbon, nitrogen, dan oksigen. Hubungan ini
disebut hukum oktaf, dengan analogi dengan tujuh interval skala musik.
Kemudian pada tahun 1869, sebagai hasil dari korelasi yang luas dari
sifat-sifat dan berat atom unsur-unsur, dengan perhatian khusus pada
valensi (yaitu, jumlah ikatan tunggal yang dapat dibentuk oleh unsur),
Mendeleyev mengusulkan hukum periodik, yang dengannya "Unsur-unsur yang
diatur menurut besarnya bobot atom menunjukkan perubahan sifat secara
periodik." Lothar Meyer secara independen mencapai kesimpulan yang serupa,
diterbitkan setelah kemunculan makalah Mendeleyev.
Tabel Periodik Pertama
Tabel periodik Mendeleyev pada tahun 1869 berisi 17 kolom, dengan dua
periode (urutan) unsur yang hampir lengkap, dari kalium ke bromin dan
rubidium ke yodium, didahului oleh dua periode parsial dari tujuh elemen
masing-masing (litium ke fluorin dan natrium ke klorin), dan diikuti oleh
tiga periode tidak lengkap.
Dalam sebuah makalah (1871) Mendeleyev mempresentasikan revisi tabel
17-grup, peningkatan utama adalah reposisi 17 elemen yang benar. Dia, serta
Lothar Meyer juga mengusulkan sebuah tabel dengan delapan kolom yang
diperoleh dengan memisahkan masing-masing periode panjang menjadi periode
tujuh, kelompok kedelapan yang mengandung tiga elemen pusat (seperti besi,
kobalt, nikel; Mendeleyev juga termasuk tembaga , bukannya menempatkannya
di Grup I), dan periode kedua mengandung tujuh. Periode pertama dan kedua
kemudian dibedakan dengan menggunakan huruf "a" dan "b" yang melekat pada
simbol kelompok, yang merupakan angka Romawi.
Dengan penemuan gas mulia helium, neon, argon, krypton, radon, dan xenon
oleh Lord Rayleigh (John William Strutt) dan Sir William Ramsay pada tahun
1894 dan tahun-tahun berikutnya, Mendeleyev dan yang lainnya mengusulkan
agar kelompok "nol" yang baru untuk mengakomodasi mereka ditambahkan ke
tabel periodik. Bentuk "periode pendek" dari tabel periodik, dengan Grup 0,
I, II, ... VIII, menjadi populer dan tetap digunakan secara umum sampai
sekitar tahun 1930.
Berdasarkan model T. Bayley (1882) sebelumnya, J. Thomsen pada tahun 1895
menyusun tabel baru. Ini ditafsirkan dalam hal struktur elektronik atom
oleh Niels Bohr pada tahun 1922. Dalam tabel ini ada periode peningkatan
panjang antara gas mulia; tabel demikian mengandung periode 2 elemen, dua
dari 8 elemen, dua dari 18 elemen, satu dari 32 elemen, dan periode yang
tidak lengkap.
Elemen-elemen dalam setiap periode dapat dihubungkan dengan garis pengikat
dengan satu atau lebih elemen pada periode berikutnya. Kerugian utama dari
tabel ini adalah ruang besar yang dibutuhkan oleh periode 32 elemen dan
kesulitan melacak urutan elemen yang hampir mirip. Kompromi yang bermanfaat
adalah untuk mengompresi periode 32 elemen menjadi 18 ruang dengan
mendaftarkan 14 lantanoid (juga disebut lantanida) dan 14 actinoid (juga
disebut aktinida) dalam baris ganda khusus di bawah periode lainnya.
Versi lain dari tabel periodik
Bentuk panjang alternatif dari tabel periodik telah diusulkan. Salah satu
yang paling awal, dijelaskan oleh A. Werner pada tahun 1905, membagi
masing-masing periode yang lebih pendek menjadi dua bagian, satu di kedua
ujung tabel atas unsur-unsur dalam periode yang lebih lama yang paling
mereka sukai. Garis-garis ikatan berganda yang menghubungkan
periode-periode dalam tabel tipe Bayley dengan demikian diabaikan.
Kelas tabel ini juga dapat disederhanakan dengan memindahkan elemen
lantanoid dan actinoid ke area yang terpisah. Pada pertengahan abad ke-20
versi tabel ini telah menjadi yang paling umum digunakan.
Nilai prediktif hukum periodik
Penemuan elemen baru
Nilai besar hukum periodik dibuktikan dengan keberhasilan Mendeleyev pada
tahun 1871 dalam menemukan bahwa sifat-sifat 17 unsur dapat dikorelasikan
dengan unsur-unsur lain dengan memindahkan 17 ke posisi baru dari yang
ditunjukkan oleh bobot atomnya.
Perubahan ini menunjukkan bahwa ada kesalahan kecil dalam bobot atom yang
diterima sebelumnya dari beberapa elemen dan kesalahan besar untuk beberapa
elemen lainnya, dimana kelipatan salah dari bobot kombinasi telah digunakan
sebagai bobot atom (bobot kombinasi adalah berat elemen tersebut yang
digabungkan dengan bobot standar tertentu).
Mendeleyev juga dapat memprediksi keberadaan, dan banyak sifat, dari
unsur-unsur yang belum ditemukan eka-boron, eka-aluminium, dan eka-silikon,
sekarang dikenal masing-masing dengan unsur skandium, gallium, dan
germanium.
Demikian pula, setelah penemuan helium dan argon, hukum periodik
mengizinkan prediksi keberadaan neon, kripton, xenon, dan radon. Selain
itu, Bohr menunjukkan bahwa unsur yang hilang (72) akan diprediksi, dari
posisinya dalam sistem periodik, untuk menjadi serupa dengan zirkonium
dalam sifat-sifatnya. Pengamatan ini mengarahkan G. de Hevesy dan D. Coster
pada tahun 1922 untuk memeriksa bijih zirkonium dan menemukan unsur yang
tidak diketahui, yang mereka namakan hafnium.
Signifikansi nomor atom
Terlepas dari koreksi yang dilakukan oleh penentuan kembali bobot atom,
beberapa elemen dalam tabel periodik Mendeleyev dan Lothar Meyer pada tahun
1871 masih dibutuhkan karena sifat-sifatnya untuk ditempatkan pada posisi
yang agak keluar dari urutan bobot atom.
Dalam pasangan argon dan kalium, kobalt dan nikel, dan telurium dan yodium,
misalnya, unsur pertama memiliki berat atom lebih besar tetapi posisi
sebelumnya dalam sistem periodik. Solusi untuk kesulitan ini ditemukan
hanya ketika struktur atom lebih dipahami.
Sekitar tahun 1910, eksperimen Sir Ernest Rutherford tentang hamburan
partikel alfa oleh inti atom berat menyebabkan penentuan muatan listrik
nuklir. Rasio muatan nuklir terhadap elektron tercatat sekitar setengah
dari berat atom.
Pada tahun 1911 A. van den Broek menyarankan bahwa dengan jumlah ini, nomor
atom, dapat diidentifikasi dengan nomor urut unsur dalam sistem periodik
(mengikuti jejak Newlands, sudah menjadi kebiasaan untuk memberi nomor
elemen sesuai dengan posisi mereka di tabel).
Saran ini secara brilian dikonfirmasi pada tahun 1913 oleh Pengukuran
H.G.J. Moseley terhadap panjang gelombang garis spektral sinar-X
karakteristik dari banyak unsur, yang menunjukkan bahwa panjang gelombang
memang bergantung secara teratur pada nomor atom, identik dengan angka urut
unsur-unsur dalam tabel. Tidak ada lagi ketidakpastian tentang posisi unsur
apa pun dalam rangkaian sistem periodik yang teratur.
Berat atom yang tepat dari suatu elemen memiliki signifikansi kecil untuk
posisinya dalam sistem periodik ditunjukkan oleh keberadaan isotop setiap
elemen, atom dengan nomor atom yang sama tetapi bobot atom berbeda.
Sifat-sifat kimia isotop suatu unsur pada dasarnya sama, dan semua isotop
unsur menempati tempat yang sama dalam sistem periodik terlepas dari
perbedaan berat atomnya.
Penjabaran hukum periodik
Pemahaman terperinci tentang sistem periodik telah dikembangkan bersama
dengan teori kuantum spektra dan struktur elektronik atom, dimulai dengan
karya Bohr pada tahun 1913. Kemajuan yang penting adalah perumusan aturan
umum teori kuantum lama oleh William Wilson dan Arnold Sommerfeld pada
1916, penemuan prinsip pengecualian oleh Wolfgang Pauli pada 1925, penemuan
spin elektron oleh George E. Uhlenbeck dan Samuel Goudsmit pada 1925, dan
pengembangan mekanika kuantum oleh Werner Heisenberg dan Erwin Schrödinger
dalam tahun yang sama.
Perkembangan teori elektron valensi dan struktur molekul, dimulai dengan
dalil pasangan elektron oleh Gilbert N. Lewis pada tahun 1916, juga
memainkan peranan yang sangat penting dalam menjelaskan hukum periodik.