展会新闻 » 元素周期表150周年了


       提到元素周期表,几乎每一个化学实验室的墙上都会有一张,2019年是元素周期表诞生150年,为了庆祝元素周期表的诞生150周年,联合国2018年宣布将2019年定为国际化学元素周期表年。

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大多数情况下,我们会认为元素周期表的创造归功于俄国化学家迪米特里·门捷列夫(Dimitri Mendeleev)。他在1869年将当时已知的63种元素写在卡片上,并根据不同元素的物理和化学性质对它们进行排列。

但是回顾历史,门捷列夫其实并不是第一个创造元素周期表的科学家,在他之前,也有许多人在尝试对这些元素进行排列,找出规律。比较著名的就有化学家约翰·道尔顿(John Dalton),他也试图为元素创造一张表格和标注一些易于识别的符号,但是由于各种原因,它们在当时都没能流传开来;约翰·纽兰兹(John Newlands)也根据元素的不同属性对它们进行相应的分类。

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                                            约翰·道尔顿的元素列表

与其他人不同之处在于,门捷列夫意识到某些特定元素可能是缺失的,还有待人们进一步发现,所以他就在这些表格中留出了一些可能性。因此在道尔顿、纽兰兹和其他人列出已知的元素表的基础上,他创造性的为未知的元素留出了空间。更令人佩服的是门捷列夫还准确地预测了缺失元素的性质。

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 门捷列夫的元素周期表中含有缺失的元素

比如在门捷列夫周期表中,他在Al(铝)旁边留给一未知金属一个空间。门捷列夫预言该未知金属的原子质量为68,密度为6克/cm3,熔点很低。六年后,在法国化学家保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰(Paul mile Lecoq de Boisbaudran)分离出的镓(Ga)元素中得到验证,镓的原子质量为69.7,密度为5.9 g/cm,熔点很低,一旦碰到人的手就会融化成液体、镓的发现完美的填补了门捷列夫留下的空缺。同样对于钪(Sc)、锗(Ge)和锝(Tc),门捷列夫也做了同样的留白与预测。但直到1937年,人们才发现了元素锝。

乍一看,门捷列夫的表格与我们熟悉的元素周期表不太一样。主要原因在于:现代的周期表上有一些被门捷列夫忽略的元素,比如惰性气体(如氦、氖、氩)。另外这张表的排列方式也与现代版有所不同,现在是将元素排成列,然后再按行排列。

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现代版的元素周期表


如果我们把门捷列夫的表格旋转90度,就会惊喜的发现,它与现代版本的周期表有很多相似之处。例如,卤族元素——氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)和碘(I,门捷列夫表格中的符号J)——相继出现。如今,它们被排列在元素周期表的第17列中,化学家们更喜欢称其为第17族(第七主族VIIA )。

关于周期表的一些探索

从门捷列夫的表格到我们所熟知的现代版元素周期表,似乎只是一个小小的旋转。事实上,在门捷列夫的论文发表后,多年来人们其实对化学元素的其他排列和分布也进行了大量实验。在将门捷列夫的表格进行永久的90度翻转之前,曾经有人有人尝试过大胆而古怪的扭转了。

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Theodor Benfey的螺旋周期表(1964)

一个比较引人注目的旋转就是海因里希·鲍姆豪尔(Heinrich Baumhauer)在1870年发表的螺旋结构,盖螺旋结构是以氢元素为中心,元素随着原子质量增加呈螺旋式上升。每个从中心到外围的直线的辐射上的元素具有相同的属性,和现代版的元素周期表中同一族的元素一样。另外亨利·巴塞特(Henry Basset)在1892年也提出了很有创意的“哑铃”方案。

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Heinrich Baumhauer的螺旋

但是,到了20世纪初,周期表就就慢慢定型成了今天这种水平布局,类似于海因里希·维尔纳(Heinrich Werner)1950年设计的现代版本,把稀有气体第一次排列在表格最右的位置。维尔纳也借鉴门捷列夫的做法,在表格中留下了空白,但是他的猜测过于大胆。他认为存在有比氢更轻的元素,认为氢和氦之间还可能存在另一种元素,但是经过实践证明,这两者在事实上都不存在。

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Heinrich Werner设计的元素周期表

这张表格看起来和现代周期表非常相似了,但它仍然需要一些重新的排列。特别有影响力的是Charles Janet的版本。他采用物理学家的方法,采用新发现的量子理论,建立了一个基于电子构型的布局。由此产生的“阶梯”表格受到许多物理学家的青睐。尽管当时一直元素只有92个,但是Janet还是为直到120号的元素都提供了位置。

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 Charles Janet的“阶梯”的元素周期表

现代的元素周期表实际上是在Janet的版本直接演变而来。比如碱金属(以锂为首的第一主族元素)和碱土金属(以铍为首的第二主族元素)被从最右边移到了最左边,这样就形成了一个非常宽的元素周期表。这种布局也存在问题:它不能很好布局或书面呈现;后来主要是出于美学原因,在f-区元素(指原子壳层最外层电子占据f-轨道,也就是镧系和锕系元素)通常也被剪切下来,放到主表的下面。元素周期表就演变到我们今天所熟悉的样子。

其实,人们并未停止尝试修改周期表的布局:其中螺旋状和3D版本尤为流行,另外,Mark Lorch把门捷列夫的表格和亨利·贝克的伦敦地铁地图这两个标志性的图形融合在一起:

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所有这些都表明,元素周期表早已成为科学的标志性符号。


    
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