幾乎每一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的墻上,都有一張?jiān)刂芷诒怼Mǔ?,我們將元素周期表的?chuàng)造歸功于俄國化學(xué)家迪米特里·門捷列夫(Dimitri Mendeleev)。1869年,他將當(dāng)時(shí)已知的63種元素寫在卡片上,并根據(jù)化學(xué)和物理性質(zhì)對它們進(jìn)行排列。為了慶祝元素周期表誕生150周年,聯(lián)合國宣布將2019年定為國際化學(xué)元素周期表年。
門捷列夫并不是第一個(gè)創(chuàng)造元素周期表的科學(xué)家,在他之前,有許多人都曾嘗試對這些元素進(jìn)行排列。例如,化學(xué)家約翰·道爾頓(John Dalton)就曾試圖為元素創(chuàng)造一張表格和一些有趣的符號(hào)(但它們沒能流傳開來);約翰·紐蘭茲(John Newlands)根據(jù)元素的屬性對它們進(jìn)行分類。
○ 約翰·道爾頓的元素列表。| 圖片來源:Wikimedia Commons
相比于其他人,門捷列夫的天才在于他在表格中留出了可能性,他意識(shí)到某些特定元素是缺失的,還有待被發(fā)現(xiàn)。在道爾頓、紐蘭茲和其他人列出已知的元素表上,門捷列夫?yàn)槲粗挛锪舫隽丝臻g。更令人驚訝的是,他準(zhǔn)確地預(yù)測了缺失元素的性質(zhì)。
○ 門捷列夫的元素周期表中含有缺失的元素。| 圖片來源:Wikimedia Commons
注意到上面表格中的問號(hào)了嗎?例如,在Al(鋁)旁邊有一個(gè)留給某種未知金屬的空間。門捷列夫預(yù)言,它的原子質(zhì)量為68,密度為每立方厘米6克,熔點(diǎn)很低。六年后,法國化學(xué)家保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭(Paul émile Lecoq de Boisbaudran)分離出了鎵(Ga),它的原子質(zhì)量為69.7,密度為5.9 g/cm3,熔點(diǎn)很低,一旦碰到人的手就會(huì)融化成液體——門捷列夫留下的空缺被完美地填補(bǔ)了。對于鈧(Sc)、鍺(Ge)和锝(Tc),門捷列夫也做了同樣的留白與猜測。但直到1937年,也就是他去世30年后,人們才發(fā)現(xiàn)了元素锝。
乍一看,門捷列夫的表格不太像我們熟悉的元素周期表。一方面,現(xiàn)代的周期表上有一堆門捷列夫忽略(以及沒有留出空間)的元素,最顯而易見的自然是惰性氣體(如氦、氖、氬)。此外,這張表的排列方式也與現(xiàn)代版本不同,我們現(xiàn)在將元素排成列,然后按行排列。
○ 現(xiàn)代的元素周期表。| 圖片來源:Wikimedia Commons
但是,一旦把門捷列夫的表格旋轉(zhuǎn)90度,就能看出它與現(xiàn)代版本的相似之處了。例如,鹵族元素——氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)和碘(I,門捷列夫表格中的符號(hào)J)——相繼出現(xiàn)。如今,它們被排列在元素周期表的第17列中,化學(xué)家們更喜歡稱其為第17族(第七主族VIIA )。
周期表的實(shí)驗(yàn)
看上去,從門捷列夫的表格到熟悉的現(xiàn)代元素周期表,似乎只是一個(gè)小小的飛躍。但是,在門捷列夫的論文被發(fā)表多年之后,人們其實(shí)對元素的其他排列和分布進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。在將門捷列夫的表格進(jìn)行這次永久的90度翻轉(zhuǎn)之前,就有人嘗試過一些古怪而奇妙的扭轉(zhuǎn)了。
○ Theodor Benfey的螺旋周期表(1964)。| 圖片來源:DePiep/Wikipedia
一個(gè)特別引人注目的例子是海因里?!U姆豪爾(Heinrich Baumhauer)于1870年發(fā)表的螺旋結(jié)構(gòu),它以氫元素為中心,元素隨著原子質(zhì)量增加呈螺旋式上升。每個(gè)輪輻(從中心到外圍的直線)上的元素具有相同的屬性,就像今天元素周期表中同一族的元素一樣。還有亨利·巴塞特(Henry Basset)在1892年提出的相當(dāng)奇怪的“啞鈴”方案。
○ Heinrich Baumhauer的螺旋。| 圖片來源:American Chemical Society.
然而,到了20世紀(jì)初,這張表格就慢慢定型成了我們今天所熟悉的這種水平布局,就像1905年海因里?!ぞS爾納(Heinrich Werner)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代版本一樣。稀有氣體第一次出現(xiàn)在了表格最右的位置。維爾納還借鑒門捷列夫的做法,在表格中留下了空白,不過他的猜測工作做得有些過頭了。他猜有比氫更輕的元素,氫和氦之間還存在另一種元素——而這兩者都不存在。
○ Heinrich Werner設(shè)計(jì)的元素周期表。| 圖片來源:American Chemical Society.
盡管看起來這張表格和現(xiàn)代的非常相似了,但它仍然需要一些重新排列。特別有影響力的是Charles Janet的版本。他采用物理學(xué)家的方法,利用新發(fā)現(xiàn)的量子理論,建立了一個(gè)基于電子構(gòu)型的布局。由此產(chǎn)生的“階梯”表格仍然受到許多物理學(xué)家的青睞。有趣的是,Janet為直到120號(hào)的元素都提供了空間,盡管當(dāng)時(shí)已知的元素只有92個(gè)(即便現(xiàn)在我們才只知道118個(gè))。
○ Charles Janet的“階梯”的
○ Charles Janet的“階梯”的元素周期表。| 圖片來源:Wikipedia, CC BY-SA
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