你好，2019，元素周期表年

几乎每一个化学实验室的墙上，都有一张元素周期表。通常，我们将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）。1869年，他将当时已知的63种元素写在卡片上，并根据化学和物理性质对它们进行排列。为了庆祝元素周期表诞生150周年，联合国宣布将2019年定为国际化学元素周期表年。论坛外链

门捷列夫并不是第一个创造元素周期表的科学家，在他之前，有许多人都曾尝试对这些元素进行排列。例如，化学家约翰·道尔顿（John Dalton）就曾试图为元素创造一张表格和一些有趣的符号（但它们没能流传开来）；约翰·纽兰兹（John Newlands）根据元素的属性对它们进行分类。

约翰·道尔顿的元素列表。图片来源：Wikimedia Commons

相比于其他人，门捷列夫的天才在于他在表格中留出了可能性，他意识到某些特定元素是缺失的，还有待被发现。在道尔顿、纽兰兹和其他人列出已知的元素表上，门捷列夫为未知事物留出了空间。更令人惊讶的是，他准确地预测了缺失元素的性质。

门捷列夫的元素周期表中含有缺失的元素。图片来源：Wikimedia Commons

注意到上面表格中的问号了吗？例如，在Al（铝）旁边有一个留给某种未知金属的空间。门捷列夫预言，它的原子质量为68，密度为每立方厘米6克，熔点很低。六年后，法国化学家保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰（Paul Émile Lecoq de Boisbaudran）分离出了镓（Ga），它的原子质量为69.7，密度为5.9 g/cm³，熔点很低，一旦碰到人的手就会融化成液体——门捷列夫留下的空缺被完美地填补了。对于钪（Sc）、锗（Ge）和锝（Tc），门捷列夫也做了同样的留白与猜测。但直到1937年，也就是他去世30年后，人们才发现了元素锝。

乍一看，门捷列夫的表格不太像我们熟悉的元素周期表。一方面，现代的周期表上有一堆门捷列夫忽略（以及没有留出空间）的元素，最显而易见的自然是惰性气体（如氦、氖、氩）。此外，这张表的排列方式也与现代版本不同，我们现在将元素排成列，然后按行排列。

现代的元素周期表。图片来源：Wikimedia Commons

但是，一旦把门捷列夫的表格旋转90度，就能看出它与现代版本的相似之处了。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 ）。

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周期表的实验

看上去，从门捷列夫的表格到熟悉的现代元素周期表，似乎只是一个小小的飞跃。但是，在门捷列夫的论文被发表多年之后，人们其实对元素的其他排列和分布进行了大量实验。在将门捷列夫的表格进行这次永久的90度翻转之前，就有人尝试过一些古怪而奇妙的扭转了。

Theodor Benfey的螺旋周期表（1964）。图片来源：DePiep/Wikipedia

一个特别引人注目的例子是海因里希·鲍姆豪尔（Heinrich Baumhauer）于1870年发表的螺旋结构，它以氢元素为中心，元素随着原子质量增加呈螺旋式上升。每个轮辐（从中心到外围的直线）上的元素具有相同的属性，就像今天元素周期表中同一族的元素一样。还有亨利·巴塞特（Henry Basset）在1892年提出的相当奇怪的“哑铃”方案。

Heinrich Baumhauer的螺旋。图片来源：American Chemical Society.

然而，到了20世纪初，这张表格就慢慢定型成了我们今天所熟悉的这种水平布局，就像1905年海因里希·维尔纳（Heinrich Werner）设计的现代版本一样。稀有气体第一次出现在了表格最右的位置。维尔纳还借鉴门捷列夫的做法，在表格中留下了空白，不过他的猜测工作做得有些过头了。他猜有比氢更轻的元素，氢和氦之间还存在另一种元素——而这两者都不存在。

Heinrich Werner设计的元素周期表。图片来源：American Chemical Society.

尽管看起来这张表格和现代的非常相似了，但它仍然需要一些重新排列。特别有影响力的是Charles Janet的版本。他采用物理学家的方法，利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”表格仍然受到许多物理学家的青睐。有趣的是，Janet为直到120号的元素都提供了空间，尽管当时已知的元素只有92个（即便现在我们才只知道118个）。

Charles Janet的“阶梯”的元素周期表。图片来源：Wikipedia, CC BY-SA

现代的元素周期表实际上是Janet版本的直接演变。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）从最右边被移到了最左边，形成了一个非常宽的元素周期表。这种布局的问题是，它不能很好地适应页面或海报，主要是出于美学原因，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）通常被剪切下来，放到主表下面。这就是元素周期表演变到今天我们熟悉的样子的历程。

人们并未停止尝试修改周期表的布局，这通常是为了突出在传统表格中并不明显的元素之间的相关性。周期表有数百种不同的样子（可以查看Mark Leach的数据库），其中螺旋状和3D版本尤为流行，更不要说许多带着玩笑意味的变体了。比如，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：

元素的地铁线路图。Mark Lorch

或者，那些旨在为从啤酒到迪斯尼卡通人物的一切事物的分类赋予一种科学感的眼花缭乱的模仿，以及我特别喜欢的“非理性废话”：

非理性废话周期表，包含灵媒，外星，隐匿动物学，超常/超自然，宗教，伪科学，心灵感应，占卜，恶作剧、欺诈和否认，替代医学。 图片来源：Crispian Jago

所有这些都表明，元素周期表早已成为科学的标志性符号。

最后大家再来欣赏一曲鬼畜神曲《元素周期表之歌》

歌词和注解

There's Hydrogen and Helium

这是氢和氦（可充气球）

Then Lithium, Beryllium

锂（锂电池），铍（航空材料）

Boron, Carbon everywhere

硼（烧杯，高硼硅玻璃），碳（钻石）到处都是

Nitrogen all through the air

氮充满空气

With Oxygen so you can breathe

和氧一起这样你能呼吸

And Fluorine for your pretty teeth

氟保护你的漂亮牙齿

Neon to light up the signs

氖点亮广告牌（霓虹灯）

Sodium for salty times

钠提供咸味

Magnesium, Aluminium, Silicon

镁（耀眼的高温火焰），铝（铝箔），硅（电路板）

Phosphorus, then Sulfur, Chlorine and Argon

磷（火柴），硫（大蒜和洋葱含硫化物），氯（这是啥……）和氩（荧光灯含有氩气）

Potassium, and Calcium so you'll grow strong

钾（香蕉），钙帮你长强壮（牛奶）

Scandium, Titanium, Vanadium and Chromium and Manganese

钪（钪合金可做自行车车架），钛（钛合金剃刀），钒（铬钒钢扳手），铬（谷歌Chrome配色）和锰（锌锰电池）。

CHORUS

（合唱）

This is the Periodic Table

这是元素周期表

Noble gas is stable

惰性气体很稳定

Halogens and Alkali react aggressively

卤素和碱金属剧烈反应

Each period will see new outer shells

每个周期都多出新的电子层

While electrons are added moving to the right

从左到右增加电子

Iron is the 26th

铁是26号

Then Cobalt, Nickel coins you get

接下来是钴（铁磁性），镍制硬币

Copper, Zinc and Gallium

铜，锌（黄铜，铜锌合金）和镓（砷化镓为常用半导体材料）

Germanium and Arsenic

锗（用于太阳能电池）和砷（砷中毒）

Selenium and Bromine film

硒（二硫化硒添加到洗发水中用于去屑）和溴化银胶片

While Krypton helps light up your room

氪帮你点亮房间（图中是玩具等离子球，发光原理和霓虹灯一样，一般充入氖和氩气，也有用氪的）

Rubidium and Strontium then Yttrium, Zirconium

铷（有地方说铷盐可以在烟花中制造紫色，但根据我之前查的资料一般还是用红+蓝来配紫色），锶（在烟花中制造红色）然后是钇（氧化钇用于老式显像管电视的红色发光体），锆（锆合金用于核电站）

Niobium, Molybdenum, Technetium

铌（含铌高温合金可做火箭组件），钼（植物所需的微量元素），锝（放射性核素锝99用于医疗检查）

Ruthenium, Rhodium, Palladium

钌（可做首饰），铑（也可以做首饰），钯（还是可以做首饰……）

Silver-ware then Cadmium and Indium

银器，镉（镉红颜料，硒硫化镉）和铟（用于F1赛车的滚珠轴承）

Tin-cans, Antimony then Tellurium and Iodine and Xenon and then Caesium and...

马口铁罐（镀锡），锑（古代曾有过加入辉锑矿的睫毛膏），碲（用于光盘的记录介质）和碘与氙（闪光灯），然后是铯（铯原子钟）。

Barium is 56 and this is where the table splits

钡是56号，接下来周期表分裂到下方

Where Lanthanides have just begun

镧系元素开始

Lanthanum, Cerium and Praseodymium

镧（打火机的打火装置含有一系列稀土金属，包括镧和铈），铈和镨（合金可用于飞机引擎）

Neodymium's next too

钕（做磁铁的经典元素，耳机里也有）

Promethium, then 62's

钷，接下来是62号

Samarium, Europium, Gadolinium and Terbium

钐（放射性的钐153用于杀死癌细胞），铕，钆（可用于彩色显像管）和铽

Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium

镝（不知道画的啥，核反应堆控制棒？），钬（这又是啥），铒，铥（医用放射性核素）

Ytterbium, Lutetium

镱（可以作为掺杂剂，提高不锈钢性能），镥（发光二极管？）

Hafnium, Tantalum, Tungsten then we're on to

铪（用于核潜艇），钽（手机会用到钽电容），钨（白炽灯灯丝）

Rhenium, Osmium and Iridium

铼（可用于火箭发动机），锇（锇合金可用于钢笔笔尖）和铱（注射针头）

Platinum, Gold to make you rich till you grow old

铂（处理汽车尾气的催化剂）和金

Mercury to tell you when it's really cold

汞告诉你啥时候是真的冷（温度计）

Thallium and Lead then Bismuth for your tummy

铊（高毒性）和铅（子弹），然后是铋（胃药）

Polonium, Astatine would not be yummy

钋（火星车核电池用的钋-238），砹

Radon, Francium will last a little time

氡，钫

Radium then Actinides at 89

镭，然后锕系元素

REPEAT CHORUS

（重复合唱部分）

Actinium, Thorium, Protactinium

锕，钍，镤

Uranium, Neptunium, Plutonium

铀，镎，钚

Americium, Curium, Berkelium

镅，锔，锫

Californium, Einsteinium, Fermium

锎，鑀，镄

Mendelevium, Nobelium, Lawrencium

钔，锘，铹

Rutherfordium, Dubnium, Seaborgium

鈩，𨧀，钅喜

Bohrium, Hassium then Meitnerium

钅波，𨭆，鿏

Darmstadtium, Roentgenium, Copernicium

𫟼，𬬭，鿔

Nihonium, Flerovium

鉨，𫓧

Moscovium, Livermorium

镆，𫟷

Tennessine and Oganesson

石田，气奥（打不出来……这两个是去年才新造的汉字）

And then we're done!!

然后就完成啦！