西奥多·本菲的螺旋周期表(1964)| 图片来源:DePiep/Wikipedia
来源 Conversation
撰文 Mark Lorch
翻译 赵晓楠
审校 戚译引
元素周期表几乎出现在每个化学实验室的墙上。它的创建通常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将它们进行排列。为了庆祝科学上这个重要时刻的 150 周年,联合国宣布将 2019 年定为国际化学元素周期表年。
但门捷列夫并不是第一个尝试给各种化学元素排序的人。在他之前几十年,化学家约翰·道尔顿(John Dalton)曾试图为这些元素创造一张表格和一些很有趣的符号,但它们没能流传开来。而就在门捷列夫创建周期表的几年前,约翰·纽兰兹(John Newlands)也创建了一张根据元素属性对其进行分类的表格。
约翰·道尔顿的元素列表。| 图片来源:Wikimedia Commons
门捷列夫的天才之处体现在他为元素周期表留出的空白之中。他意识到某些元素是缺失的,还有待被发现。道尔顿、纽兰兹和其他人只是将已知的元素进行排列,只有门捷列夫为未知元素留出了空间。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,在铝(Al)的右侧有留给某种未知金属的位置,门捷列夫预言它的相对原子质量为 68,密度为 6 g/cm3,熔点很低。六年后,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),完美填补了这一空缺——它的相对原子质量为 69.7,密度为 5.9 g/cm,熔点很低,甚至能在人的手里熔化成液体。门捷列夫也对钪(Sc)、锗(Ge)和锝(Tc)作出了同样的猜测,但直到 1937 年人们才发现了锝,那时他已经去世 30 年了。
乍一看,门捷列夫的表与我们所熟悉的元素周期表不太一样。一方面,现代周期表上有一系列被门捷列夫忽略的元素(并且他没有给它们预留空间),最明显的是惰性气体(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。
现代元素周期表 | 图片来源:Wikimedia Commons
但是,一旦把门捷列夫的表旋转 90 度,它与现代版本的相似之处就显而易见了。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(化学家们更喜欢称其为第 17 族,也就是我们所说的第七主族 VIIA)。
从门捷列夫的周期表到今天我们所熟悉的元素周期表之间,看起来只需要一个小小的改动。但是,在门捷列夫论文发表后的多年里,人们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 90 度旋转,并保留这种形式之前,人们还尝试过一些古怪而奇妙的扭转方式。
(a)海因里希·鲍姆豪尔的螺线形元素周期表;
(b)1915 年阿洛瓦斯·比列基(Alois Bilecki)提出的螺旋形元素周期表;
(c)亨利·巴塞特的“哑铃”设计。
图片来源:http://www.chem.msu.ru/eng/misc/mendeleev/hyper/
海因里希·鲍姆豪尔(Heinrich Baumhauer)的螺旋结构就是一个特别引人注目的例子,它发表于 1870 年,以氢元素为中心,元素按照相对原子质量递增的顺序呈螺线形排布。落在每个轮辐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(见上图 a)。还有亨利·巴塞特(Henry Basset)在 1892 年提出的相当奇怪的“哑铃”构想(见上图 c)。
到了 20 世纪初,这张表格就定型成了我们今天所熟悉的水平布局,与 1905 年海因里希·维尔纳(Heinrich Werner)设计的现代版本相似,稀有气体第一次以如今我们熟悉的位置出现在表格的最右边。维尔纳还借鉴门捷列夫的做法,在表格中留下了空白,不过他猜得有些过头了。他认为存在一些比氢更轻的元素,同时氢和氦之间还有另一种元素(这两条猜测都不成立)。
海因里希·维尔纳设计的元素周期表| 图片来源:American Chemical Society.
尽管这张表格看起来已经很现代了,但它仍然需要一些重新排列。特别有影响力的是查尔斯·詹内特(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,创建了一个基于电子构型的布局。由此产生的左阶元素周期表仍然受到许多物理学家的青睐。有趣的是,詹内特把未知元素一直排到了 120 号,尽管当时已知的元素只有 92 个(如今我们知道的也只有 118 个)。
查尔斯·詹内特的左阶元素周期表。| 图片来源:Wikipedia, CC BY-SA
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