对元素周期表的再认知

庞雅莉

摘要：本文试图讲论三个问题：一、元素周期表是个人类学奇迹，不仅是人类科研活动的指南，也是人类某日沟通外星文明的标志性王牌。二、引领思考是什么原因促使门捷列夫在元素周期表的发现中获得如此尊崇。三、当今教学对元素周期律解释存在的问题。

关键词：元素；元素周期表；电子结构；量子力学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）12-0212-02

元素周期表是个人类学奇迹，作为人工制品，它映射出我们如何与物理世界互动——它以简洁而优雅的形式写下了我们这个种族的简史[1]。

一、元素的来源

大爆炸理论提出，大约137亿年前，宇宙中的原本物质和能量都是从一个奇点上喷发出来的。这次大爆炸产生了物质和能量，仅有4%是普通物质，余下的为“暗物质”、“暗能量”。氢、氦、氘、锂是最初存在的元素，自然界中铁之前的元素几乎都是在恒星内部产生，更重的元素（一直到铋）是在恒星表面产生的，超新星的爆炸则会将已存在的元素熔合成更重的元素。我们生存的地球完全由普通物质构成。元素，如同构成了宇宙、太阳、地球一样，也构成了我们人类。

二、元素的本质

原子是化学反应中不可再分的基本微粒。如果说原子是构成物质的最小实体粒子，元素则表示原子的种类。化学元素就是具有相同的核电荷数（即核内质子数）的一类原子的总称。作为元素周期表的主要发现者，门捷列夫的非凡洞察力来自于他对元素本质的哲学思考。如果没有对于事物本质的哲学思考，很容易被各种杂乱无序的现象干扰而无法发现事物的内在规律。对门捷列夫而言，元素的本质是特性的载体，本质上是不可见的。但它构成了单质的内在本质。门捷列夫天才地认识到既然元素能够完整地在化合物形成过程中存在，必存在一个与之对应的不变的物理量。从当时可测量属性的角度来看，他认为是原子量。这样抽象元素便与可测属性原子量结合在一起了。门捷列夫关于元素本质的哲学思考使得他对抽象元素进行分类时可以避免非本质化学性质的误导，也能够不受物理学进展的影响。[2]

三、元素周期表的形成

人们公认是门捷列夫创造了元素周期表。但是元素周期表并不是门捷列夫单枪匹马发明的。在19世纪60年代卡尔斯鲁厄会议上确定了元素原子量的合理性后，六位科学家几乎在同一时期发现了元素周期系。很多方面表明元素周期律实际上是由法国地质学家尚古尔多阿在1862年首先发现的。他把化学元素按原子重量排列，绘制出一幅圆柱形的图解，并首先发现元素性质是原子量的周期函数，这比门捷列夫早了7年。只是这张三维元素周期表过于复杂，不幸被出版商隐而不发，而这幅插图是阐明其观点所不可缺少的，删掉它，论文就失去了它存在的价值。他未能活到追认他的发现的那一天。相比于尚古尔多阿，英国化学家纽兰兹是幸运的。虽然纽兰兹最初提出的“元素八音律”观点遭到了奚落。但最终他也因发现元素周期律而获得戴维勋章。有人认为纽兰兹的陈述之所以没有被伦敦化学学会发表是由于奥德林的嫉妒。事实上，奥德林的兴趣主要在原子量和当量的关系。对元素分类只是他的副业。奥德林横向排列元素的周期表显现了元素化学性质一定的周期性。但令人诧异的是，他否认了元素周期性的合理性。在元素周期律的发现者中，欣里赫斯显得比较奇特。他分类元素的依据非常特殊。在元素分类时，他始终支持存在“基本物质”这一概念。欣里赫斯敏锐地将元素光谱和原子联系起来，发现谱线的频率与元素的原子量及假定的原子尺寸大小有关，采用类比于太阳系中行星与太阳的位置关系对元素进行排列，用毕达哥拉斯形式发展了一个螺旋式周期系。在对许多重要的元素分类上欣里赫斯周期表是成功的。迈耶尔是门捷列夫的有力竞争者。其实早在1864年，迈耶尔发表了一篇包含28种元素的周期表。在这篇论文里，他明确提出两个观点，一是元素按照原子量递增的顺序排列，二是该周期表清楚地建立了元素间的横向关系。人们却误认这两个观点是门捷列夫首先提出的。迈耶尔1862年（发表于1854）的周期表，已给未知元素（锗）留下了空白，这再一次表明给未知元素预留位置并非始自门捷列夫。在排列元素时，迈耶尔尽力兼顾原子量和化学性质。按照现代观点，将主族与过渡元素分开，是现代中长式和长式周期表的显著特征。当时迈耶尔已经这么做了。两人于1882年共获戴维勋章以表彰他们发现元素周期系[2]。

那么是什么促成了人们对门捷列夫周期表的认可？首先，与其他发现者相比，门捷列夫更关注元素的哲学意义。其次，他提出的周期系更完整，且经受住了考验，成功地接纳了稀有元素，稀土元素；同位素、原子序数的发现、更后的量子力学理论的诞生反而进一步强化了周期表的地位。再次，这个周期表提供了一种思想，使他成功地预测了一些尚未发现元素。最后，他还是周期系的倡导者。到1890年，门捷列夫周期表已经成为化学百花园中永久性的标志了[2]。门捷列夫时代只有63种元素被发现，此后不断发现并制造的新元素，达到118种，被忠实地放进他的表格中[3]。

四、元素周期表的作用

元素周期表和周期律，反映了元素性质与它的原子结构的关系，是21世纪发展科技的重要理论依据之一[4]，对自然科学、生产实践方面有着灯塔般的指导作用。元素周期律和周期表是众多自然学科不可缺少的工具。在化学方面，周期表为发展量子力学理论，甚至为具有特殊性質新元素的合成、预测新元素的结构和性质都提供了线索[4]。享有相同电子构型的元素性质相似，这就启发人们在周期表中一定的区域内寻找新的物质。在超导研究领域，实现室温超导是科学家的终极目标。受镧系元素启发，科学家已经在锕系元素中找到了镱，合成出了含镱元素超导体YBa2Cu3O7，该化合物的超导温度是93K；在过渡金属元素区域寻找具有催化性能、耐高温、耐腐蚀的特种合金等材料；根据元素在周期表里的位置，在地壳、岩层不同区域寻找不同的矿物[5]。

五、对周期表的疑问

周期表的每行每列都可观察到一些趋势。每个周期从金属开始，经过过渡金属，最后到了最右边的非金属元素，通常情况下，从左到右元素的物理性质和化学性质会逐渐变化。而每一纵列中的元素倾向于具有相似的化学性质。如果要问一位现代化学家或者查看化学教材，周期表中各种元素排列方式的缘由，几乎口径一致认为这是完全基于量子力学，元素按照原子序数递增顺序排列。周期表的形状与电子填充到轨道的顺序相一致，诸如此类。在化学教育中，这个现象已经很普遍，倾向于向学生灌输电子排布的规则，并使学生相信化学元素会遵从这种规则，而不是从化学事实和元素性质出发[2]。事实呢？不妨看看P区元素。这部分元素被处于对角线位置的元素分为左下角的普通金属和右上角的非金属两部分，而处于对角线位置的元素则是模棱两可的准金属。恰恰是这条对角线的事实破坏了在同一纵列中的元素具有共同特征的一般规律。再进入到锕系元素中，核外电子填充轨道的规律几乎消失，錒把1个电子放到一个新的d亚层（6d1），就像上一行的镧（5d1）一样。那么钍的行为应该像铈，因为钍就在铈的正下方，但铈的电子就是放到新的f亚层（4f2），而钍元素却继续将电子放到d亚层（6d2），镤则开始把电子填入新的f亚层，同时还把在钍元素中填入到d亚层的1个电子挪到f亚层中（5f26d1）[3]。电子构型解释了元素之间的位置关系，但有时候会掩盖不同族、不同系元素性质相似的事实。钍和以钛为首的第四副族元素，镤和以钒为首的第五副族，铀和以铬为首的第六副族元素之间有许多相似性[2]。

虽然量子力学在很多方面影响元素的化学性质，但它的影响不全面、不唯一。量子力学也试图解释周期表的模样。但这张表的形状与量子力学无关。事实上，电子如何适应轨道的细节反倒是从周期表的形状中推导出来的，而不是来自其他方法[3]。

另外，如果不告诉学生教材附表上的中长式周期表其实只是周期系的一种形式，是不利于学生的创新思考的。

参考文献：

[1]山姆.基恩.元素的盛宴[M].北京：接力出版社，2013：引言4.

[2]Eric R. Scerri.元素周期表的故事，意义，哲理[M].大连：大连理工大学出版社，2012：78-303.

[3]西蒙.库伦.菲尔德，西奥多.格雷.神奇的化学元素[M].北京：人民邮电出版社，2013：9，附录177.

[4]北京師范大学.无机化学[M].第4版.北京：高等教育出版社，2002：52.

[5]王冬生.元素周期律和元素周期表的重要意义[J].中学生数理化：高一版，2007，（2）：87.