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元素周期表的过去、现在与未来

来源:《百科知识》 编辑:未知 时间:2019-03-19

物质世界纷繁复杂,但构成物质的元素只有110多种,就如同26个英文字母组成了成千上万的单词。这些元素的名称、原子序数、相对原子质量等基本特性可以展现在一张表格中,这就是任何一本化学教科书或字典后面都会附有的化学元素周期表。这张表把迄今发现的所有元素按原子序数(即原子核电荷数)增加的次序排列在一个整体框架内,元素的性质随原子序数的递增而呈现出有规律的变化。一般认为,化学元素周期表诞生在1869年,它的编制者是俄国化学家门捷列夫(1834~1907)。当然,更确切地说,门捷列夫是在前人研究基础之上的一位集大成者。

今年,化学元素周期表迎来了它的150岁生日。为了给它“庆生”,联合国将2019年设为“国际化学元素周期表年”。

元素概念的产生

元素是构成物质的基石。所谓元素,就是具有相同的核电荷数(核内质子数)的一类原子的总称。当然,这是元素的现代概念。

从古至今,元素概念经过了漫长的演变过程。我国古代的“五行说”、古希腊的“四元素说”其实就是元素观念的萌芽;炼金术士曾把硫和汞看作是万物的基本元素;医疗化学家则倡导硫、汞、盐三元素。直到1661年,英国科学家玻意耳在其名著《怀疑派化学家》中提出他通过科学实验对化学元素的见解,他把那些无法再用任何化学方法分解的物质称为简单物质,也就是元素。玻意耳所说的元素确切说应该是我们现在称为“单质”的物质,他也无法确定哪些物质是不能再分的,应当归属于元素。但无论如何,玻意耳终于摆脱了古老元素学说的束缚,对化学元素提出了科学定义。《怀疑派化学家》一书的出版,标志了化学发展中一个新时代的开始。玻意耳把化学确立为一门独立的科学,因而他也被称为“化学之祖”。

法国科学家拉瓦锡1789年发表了他的名著《化学概论》,这标志着现代化学的诞生,他也被称为“现代化学之父”。在这本書中,他开列了一张化学元素表,33种元素被分为4类。气体元素:光、热、氧、氮、氢;能氧化成酸的非金属:硫、磷、碳、盐酸基、氟酸基、硼酸基;能氧化,氧化后与酸化合成盐的金属:锑、银、砷、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌;能成盐的土质;石灰、镁土、钡土、铝土、硅土。

这便是化学史上第一张化学元素表。他把当时人们已经接触和取得的简单物质无遗漏地确定为元素而概括进去,还把元素区分为金属与非金属,并且明确提出了划分的准则。他的这项成就对以后化学的发展和探寻新的化学元素,都很有意义。

门捷列夫元素周期表的早期样式

19世纪,道尔顿的原子论、阿伏加德罗的分子论建立后,人们才认识到一切物质都是由原子通过不同方式结合而成的。于是,元素的概念被定义为“同种类的原子”。

19世纪末、20世纪初,电子的发现以及原子核组成的奥秘被揭开后,人们认识到,同种元素的原子核里所含的质子数是相同的,但中子数可以不同。因为中子数不同,所以同一元素可以有质量不同的几种原子。但决定元素化学性质的主要因素不是原子的质量而是原子核外的电子数,而核外电子数又取决于核电荷数(即核内质子数),所以质子数相同的一类原子,其化学性质是相同的,于是便有了现在元素的定义。

伟大发现的一天

意识到元素性质可能存在周期性规律并对元素的分类开展研究在当时的化学界并不鲜见。比如1829年,德国化学家德贝莱纳发现,在当时已知的54种元素中存在5个相似的“三元素组”。1862年,法国地质学家德·尚古特瓦绘出一个元素“螺旋图”,将当时已知的62种元素按相对原子质量大小次序排列成一条围绕圆筒的螺线,性质相近的元素出现在一条竖线上。1864年,德国人迈耶尔根据元素物理性质和相对原子质量递增的顺序把性质相似的元素6种一组进行分族,排出一张元素分类表。1864年,英国人奥德林发表了一张比较详细的周期表,表中的元素基本上按相对原子质量递增的顺序排列,表中还留下了空位。1865年,英国化学家纽兰兹发现,当元素按相对原子质量从小到大顺序排列起来时,每隔8个元素,元素的物理性质和化学性质就会重复出现。他称这一规律为“八音律”。

那么,为什么门捷列夫被公认为是元素周期律的发现者和第一张元素周期表的制作者呢?原因就在于,相比前人,他把对现象的归纳,上升为理论的总结;门捷列夫的元素周期表是当时最为全面和系统的,把已知的元素囊括其中;门捷列夫的元素周期表不仅给未发现的元素留下空位,还预言了未知元素的性质及发现方法,并根据元素周期律大胆修改了一些元素的相对原子质量。随着预言的逐步应验,元素周期律获得科学界的公认,成为寻找新元素及化学研究的一条基础理论。

苏联科学史家凯德洛夫著有《伟大发现的一天》,他利用半部书的篇幅论证元素周期律是门捷列夫在1869年2月17日这一天发现的。

门捷列夫发现元素周期律的过程据说颇富传奇色彩,有着一个梦和一副牌的故事。他从学生时代开始就一直对元素之间可能存在的种种关联感兴趣,在准备其著作《化学原理》时,更是深为无机化学缺乏系统性所困扰。他苦苦地思索一个问题:自然界是否存在某种规律,使各种元素能够井然有序、分门别类、各得其所呢?到了1868年的冬天,门捷列夫决定搁下其他工作,全力以赴地投入到探索元素间规律的研究。他把当时已知的63种元素分别写在63张硬纸卡片上,组成一副扑克牌的样子,并标注上他所收集到的每一个元素的数据资料,其中最主要的数据就是相对原子质量,然后天天坐在桌前“玩牌”:一会儿排齐,一会儿分开,不断地调换着纸牌的位置,简直到了走火入魔的地步。

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