德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫

化學(xué)元素周期表用途廣泛

□那拉

在我們的化學(xué)教科書和一些字典中，都會(huì)附有一張“元素周期表”。目前表中已記錄了118位化學(xué)元素，它們根據(jù)原子序數(shù)從小至大排序排列在一張大體上呈長(zhǎng)方形的表格中，最小的排在最先，表中一橫行稱為一個(gè)周期，一列稱為一個(gè)族（特性相近的元素歸在同一族中）。原子半徑由左到右依次減小，自上到下依次增大。這張?jiān)刂芷诒砉灿?個(gè)周期，16個(gè)族，118位化學(xué)元素。它揭示了物質(zhì)世界的秘密，把一些看來似乎互不相關(guān)的元素統(tǒng)一起來，組成了一個(gè)完整的自然體系。

明年，化學(xué)元素周期表將迎來150周歲生日。為了給它“慶生”，聯(lián)合國宣布2019年為“國際化學(xué)元素周期表年”。

每個(gè)學(xué)生都會(huì)因?yàn)橐尺@張化學(xué)元素周期表上的118位元素而犯“頭痛病”，或許對(duì)這張表格了解更多有助于治療此??？

發(fā)現(xiàn)并制作者到底是誰？

學(xué)子們之所以要背下這張化學(xué)元素周期表，是因?yàn)樗軌驕?zhǔn)確地預(yù)測(cè)各種元素的特性及彼此之間的關(guān)系，因此它在化學(xué)及其他科學(xué)范疇中被廣泛使用，作為分析化學(xué)行為時(shí)十分有用的框架。

在很多資料中，俄國化學(xué)家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫都被稱為元素周期律的發(fā)現(xiàn)者和第一張?jiān)刂芷诒淼闹谱髡摺?869年，他將當(dāng)時(shí)已知的63種元素依相對(duì)原子質(zhì)量大小并以表的形式排列，把有相似化學(xué)性質(zhì)的元素放在同一列，制成了元素周期表的雛形。在蘇聯(lián)科學(xué)史學(xué)家鮑·米·凱德洛夫的一張《偉大發(fā)現(xiàn)的一天》書中，用半部書的篇幅論證了這個(gè)說法，認(rèn)為元素周期律是門捷列夫在1869年2月17日這一天發(fā)現(xiàn)的。

但事實(shí)上，早在1789年出版的《化學(xué)大綱》中，法國化學(xué)家拉瓦錫就發(fā)表了歷史上第一張《元素表》。在這張表中，當(dāng)時(shí)已知的33種元素被分為了4類。此后，又有多位化學(xué)家對(duì)元素的性質(zhì)和分類研究作出貢獻(xiàn)，這張化學(xué)元素周期表才逐漸形成了今天的模樣。比如1865年，英國化學(xué)家紐蘭茲在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)元素按原子量遞增的順序排列起來時(shí)，每隔8個(gè)元素，元素的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，他把這一規(guī)律稱為“八音律”。等等。還有人提出，各種類型的化學(xué)元素周期表有不下170余種，歸納起來主要有：短式表（以門捷列夫?yàn)榇恚?、長(zhǎng)式表（維爾納式為代表）、特長(zhǎng)表（以波爾塔式為代表）；平面螺線表和圓形表（以達(dá)姆開夫式為代表）；立體周期表（以萊西的圓錐柱立體表為代表）等。

但我們目前還是以“門捷列夫?yàn)榈谝晃话l(fā)現(xiàn)者和制作者”的說法為準(zhǔn)，給化學(xué)元素周期表過150歲生日吧。

如此“高齡”還在“添丁”？

我們可以看到這張表中共有7個(gè)周期，特性相近的元素都?xì)w在同一族中，比如堿金屬元素是一族，鹵族元素是一族等。而某些元素周期中還留有空格。不要以為這張表就這樣確定不變了，隨著人們的研究進(jìn)展，還不斷有新的元素被列入此表。

2016年11月就剛加入了4種新元素（113、115、117、118），IUPAC（國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)）核準(zhǔn)并發(fā)布了4種人工合成元素的英文名稱和元素符號(hào)，分別是：2004年發(fā)現(xiàn)的nihonium(Nh)、2003年發(fā)現(xiàn)的moscovium(Mc)、2010年發(fā)現(xiàn)的tennessine(Ts)和2006年發(fā)現(xiàn)的oganesson(Og)。元素周期表中第7周期被全部填滿。而這4種新元素的中文命名則在去年確定下來，分別是：公式。

這四個(gè)元素分別由日本、俄羅斯和美國科學(xué)家命名。其中113號(hào)元素Nh是首個(gè)由亞洲科學(xué)家合成的新元素。雖然相關(guān)工作也有中國科學(xué)家參與，但中國目前還沒有在合成新元素上實(shí)現(xiàn)突破。

目前，119號(hào)元素的搜尋工作也正在全球幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。它究竟會(huì)是一個(gè)什么特性的元素還不可知。但一位核物理學(xué)教授Witold Nazarewicz最近發(fā)表于《自然·物理》雜志上的論文中提到，將被發(fā)現(xiàn)的119號(hào)元素可能是一個(gè)人造元素，而且它可能會(huì)有一個(gè)超重核。這位物理學(xué)家表示：“119號(hào)元素一旦被確認(rèn)，它將開啟元素周期表的第8行周期?！?/p>

論文中提到的“超重核”，不僅是核物理的重大前沿領(lǐng)域之一，也是自然科學(xué)的一個(gè)重要基本問題。它應(yīng)該可以這樣理解：當(dāng)原子的質(zhì)子數(shù)多達(dá)172個(gè)時(shí)，就可能在核力的作用下，物理性地形成一個(gè)結(jié)合在一起的原子核。正是這種核力阻止了原子的解體，但它能維持的時(shí)長(zhǎng)只有幾分之一秒。而在實(shí)驗(yàn)室中制造的原子核其實(shí)非常不穩(wěn)定，它們會(huì)在形成后不久就發(fā)生自發(fā)性的衰變。這一過程可能快到?jīng)]有足夠的時(shí)間吸引并捕獲一個(gè)電子來形成原子。因此它們的整個(gè)生命周期都將以一種質(zhì)子與中子的聚集形態(tài)存在。如果真是這樣的話，這將挑戰(zhàn)科學(xué)家現(xiàn)有對(duì)“原子”的定義和理解方式。原子將不能再被描述成一個(gè)有電子環(huán)繞的中心核。但目前我們并不知道這樣的原子核是否真的可以形成?？茖W(xué)家們也正在努力中，Nazarewicz表示：“實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在進(jìn)行中，我們或許離這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)不遠(yuǎn)了?！?/p>

但像這種人造元素其實(shí)在化學(xué)元素周期表上只有極少數(shù)。大部分元素都是在地球上本身存在的自然元素。但這種人造元素也會(huì)是構(gòu)成地球體系的一部分，并最終存在意義。比如超重元素的合成和研究就有助于探索原子核質(zhì)量存在的極限，最終確定化學(xué)元素周期表的邊界，也是對(duì)原子核殼模型等相關(guān)理論正確與否的實(shí)際檢驗(yàn)。

科學(xué)家們相信，新元素還會(huì)不斷被發(fā)現(xiàn)。