元素周期表的过去现在和将来

leafit 2019-03-06

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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。

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。

1869年2月的一天，疲憊的门捷列夫在办公室睡着了。睡梦中，他看到了一张表格，元素们纷纷落在了合适的格子里。醒来后他立刻记下了这张表的设计理念，最终把卡片摆在正确的位置。当接连不上时，他判断该位置的元素可能还未被发现，就在相应位置预留一张空牌。他一共预言了11种未发现元素，加上已经发现的63种元素，这样整副牌就达到了74张。这就是元素周期表的雏形，在这个表里所有化学元素都一目了然。

1869年3月，门捷列夫公开发表了论文《元素属性和相对原子质量的关系》，阐述了周期律的基本要点：将元素按照相对原子质量大小顺序排列起来，在性质上呈现明显的周期性；相对原子质量的大小决定元素的特性；应该预料到许多未知元素将被发现；当知道了某元素的同类元素后，有时可以修正该元素的相对原子质量。

随着元素周期律的发现，门捷列夫的代表作《化学原理》也顺利完成，这是化学史上第一部以元素周期律为基础的著作，详细描述化学元素及其化合物的性质，并对化学基本原理加以系统的整理和概括。在19世纪后期和20世纪初，被国际化学界公认为标准著作，影响了一代又一代化学家。

门捷列夫的“神预言”

元素周期表这个天才的发现真的是在梦中实现的吗？门捷列夫自己并不这么认为。他说，梦中的景象只是我15年来努力的结果。他还说，如果他的这张元素周期表真的是睡梦中上帝赐予的话，那么他得到的应该就是一张比自己发明的更加完善的周期表了。

的确，按照现代化学的观点，原子序数和相对原子质量的关系并不总是一致的。有些元素的相对原子质量大小和它们的相对位置并不一致。在当时周期表中，钴和镍、碲和碘的排列位置不是按相对原子质量的大小顺序，而是颠倒顺序排列的，这是为什么？直到20世纪初，人们仍然不得其解。但是，门捷列夫的元素周期表被广泛接受是因为它展示了惊人的预测能力。

对于相对原子质量不准的问题，门捷列夫通过对比元素性质和相对原子质量的大小，对一些元素的相对原子质量进行了大胆的修改，先后调整了17种元素的序列。如当时认为金的相对原子质量为169.2，应排在锇198.6，铱196.7的前面，而门捷列夫认为金应排在这些元素后面。经重新测定这些元素的相对原子质量分别为：锇190.9，铱193.1，铂195.2，金197.2。事实证明了门捷列夫是正确的。

1871年，门捷列夫发表论文《元素的自然体系和运用它指明某些元素的性质》，其中提到“类铝”，认为这个在周期表中铝元素下面、锌元素后面的未知元素性质与铝元素相近，相对原子质量约为68，比重在5.9～6.0g/cm3，熔点低，以后大概会用分光镜把它找到。

到了1875年，法国化学家布瓦博德朗从闪锌矿中提取出一种物质，在分光镜中观察，见到了两条从未见到过的紫色谱线，从而确定这必然属于一种新元素，他将其命名为镓。布瓦博德朗从数百千克的矿石中才提取出3.4毫克的珍贵的金属镓，它银白发蓝，放在手心里就会熔化成液体。1876年，布瓦博德朗公布了他所测得的有关镓的一些重要性质。不久之后他收到了门捷列夫的一封信，指出镓的比重不应该是4.7g/cm3，而应在5.9～6.0g/cm3之间。这令布瓦博德朗大惑不解：门捷列夫根本接触不到镓，怎么能那么肯定呢？不过，布瓦博德朗还是重新提纯了镓，然后再测比重，结果果然是5.94g/cm3。

这件事很快轰动了科学界，人们无不叹服门捷列夫周期律的伟大意义和他的远见卓识。在化学元素发现史上，镓是第一个先根据元素周期律预言，后在实验中被发现证实的化学元素。1879年发现的钪和1886年发现的锗，就是门捷列夫1871年论文中所预言的“类硼”和“类硅”。从此，在搜寻新元素的过程中，意外性、偶然性和盲目性的枷锁已被打破，人们可以在元素周期律的指引下进行研究了。

为“元素之家”增砖添瓦

在元素周期律的指引下，在门捷列夫元素周期表的基础上，一代又一代的科学家不断为这座“元素之家”填充、扩容和修整，现在我们看到的元素周期表已与150年前门捷列夫脑海中出现的周期表大不相同。人们提出的周期表类型至少有上百种，有短的、有长的、有螺旋线形和圆形的，还有立体的。当前应用最多的是维尔纳长式周期表，列表大体呈长方形，横分7行，代表7个周期，竖分18列，代表16个族，而镧系元素和锕系元素放在下面，以避免表格形式拉得太长。

1868年8月，科学家在观测日全食时，意外地在太阳光的谱线中发现一条不知来源的黄线，这条黄线不属于当时已知的任何元素。人们将其命名为氦，意为“太阳的元素”。这是有史以来第一次发现地球以外的元素，它的性质无从得知，而且在很长一段时间中，人们都认为氦只存在于太阳上。所以，在门捷列夫的周期表中，是没有氦的位置的。

1894年，英国化学家莱姆塞和瑞利从空气中发现一种“懒惰的”气体元素—氩。1895年，莱姆塞又把沥青铀矿中分离出的一种此前被人们忽视的气体鉴定为氦气，从而在地球上发现了氦元素。除了氩以外，氦和其他已经发现的任何气体元素性质都截然不同。莱姆塞对门捷列夫的周期率有深刻的理解。在周期表中按照相对原子质量的大小，氦应该排在氢和锂之间，但却没有这么一族。而且，从氢到锂，特别是从氟到钠、从氯到钾这几对相邻元素之间性质差别如此剧烈，而且都是第七族后发生这个突跃。因此，莱姆塞相信这里一定有一个以氦为首的惰性气体的新家族存在，他还预言其中的两个元素相对原子质量为82和129。1898年，莱姆赛等人一鼓作气发现了氪、氖、氙。这样，五个惰性气体便形成了周期表中的一个完整新族—零族。

同样是在1898年，居里夫妇相继发现了钋和镭，并开辟了利用放射性寻找新元素的途径。1898年堪称化学史上的“丰收年”，是发现元素最多的一年。

原子结构理论的发展，使元素周期律获得新意义。1913年，英国物理学家莫塞莱测定了每个元素的核电荷数，得出周期表中元素排列的顺序不是以相对原子质量而是以核电荷数为依据的。这样周期表中钾和氩、钴和镍、碲和碘排序倒置的长期困扰就迎刃而解了。

1916年，德国的柯尔塞把核电荷数称为原子序数，放进周期表。

1925 年，元素的周期性规律终于随着量子力学的发展而得到了很好的解释。原来，元素性质的周期性是原子核外各层电子的排布状况所决定的。也就是说，一个元素的化学性质取决于其原子最外层的电子数，而周期表上位于同一列的元素，都有着相同的最外层电子数，所以性质相近。还是在这一年，最后一个天然元素—75号元素铼被发现。为什么说是最后一个天然元素？因为人们计算过，一些元素可能没有稳定的同位素（具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素互为同位素），即使该元素曾存在过的话，大概已经蜕变完了，在地球上“绝种”了。

所以，在此之后人类便走上了人工合成元素的漫漫长路。人工合成的第一个元素是43号元素锝，1937年由塞格瑞、佩里厄在回旋加速器上用中子和氘轰击钼而得。锝与铼同属锰族，是门捷列夫所预测的“类锰”。直到1947年，美国核物理学家马林斯基从人工铀裂变产物中以及用中子轰击钕时，找到了61号元素钷，周期表中92号铀元素之前的空位才全部填补上。

值得一提的是，自从核物理学家实现了人工放射、人造元素以及核裂变反应后，人们对元素蜕变规律和核稳定性有了更深刻的了解，于是便再度到自然界中去探寻“绝种”元素，这种尝试也取得了一些成果，比如在铀天然放射系中找到了87号元素钫。但是，即便是钫最稳定的同位素，半衰期也不过22分钟，所以在自然界中极难找到它。

元素周期表会有终结的那一天吗

20世纪30年代，元素周期表中最后一个元素是铀。著名物理学家费米认为，铀不是元素周期表的终点，而存在原子序数大于92的超铀元素。1934年实现人工放射以后，费米和他的同事就用中子去轰击各种元素。他推测用中子轰击铀和接近铀的几个元素，应该得到比铀的原子序数更高的新元素。终于在1940年，美国核物理学家麦克米伦利用中子照射氧化铀薄片，人工合成了第一个超铀元素—93号元素镎。紧接着美国核化学家西博格又发现了第94号元素钚，从此开始了人工合成超铀元素的新时代。

西博格的贡献还在于，创新了现代元素周期表体系。他比较了新合成的镎和钚，认为它们与铀的性质相似，同时又与稀土元素中钐相似。他提出建立与镧系元素相同的锕系元素，并预言了锕系元素的化学性质和在周期表中的位置，从而形成现在的118格的元素周期表。

随着2015年12月30日国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）正式确认4种人造元素：2004年发现的113号元素Nh、2003年发现的115号元素Mc、2010年发现的117号元素Ts和2006年发现的118号元素Og，元素周期表中第七周期被全部填满。这也意味着，现有元素周期表中的118格全部被填满了。

此时，令人着迷又困扰的问题就产生了：元素周期表还会扩充吗？元素的发现究竟有没有尽头？

现在，科学家们一方面在试图发现119号和120号元素，一方面也在思索着这个问题。

一种普遍观点认为，周期表不是无限的，虽然现在还不能预测其极限在哪里。原因在于，原子核的稳定性取决于核内质子与中子之间相互吸引的核力和质子之间的静电排斥力两者的抗衡。目前所有的计算结果都表明，拥有超过特定数目质子的原子核是无法形成的，因为它们都太不稳定，仅能存在极短的时间。无论是118个这种情况，还是有些模型得出的137个，或者是173个，总之，当质子数大到一定程度的时候，即使在某些极端的环境中可以生成，但半衰期短到几乎无法用仪器探测到，那么也就失去了元素存在的意义。

不过，这并不意味着元素周期表不会再扩充。如果未来发现第119号和120号元素，它们将另起一行，展开全新的第八周期。按理论计算，第八周期应该有50种元素，其中7种主族元素，1种惰性元素，10种副族元素或过渡元素，还有32种超锕系元素（将列在周期表锕系的下方）。

那么，什么是稳定岛呢？早在20世纪60年代，理论物理学家把当时所有元素的同位素，以其质子数Z和中子数N为坐标建立坐标系，并按原子核的稳定性高低用山峰、海洋等地形来标注，就发现一个明显的趋势，或者说是一种规律，即稳定的原子核都集中在一条狭长的地带上，称为β稳定半岛，周围茫茫的大海则是具有β放射性的极不稳定的核所处的区域。而具有α放射性的重核则居于半岛东北端的海洋里。科学家推断，在β稳定半岛的东北方，越过那片不稳定海洋，应该存在一个超重核稳定岛。