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元素周期表进化史—1

译自Chem-Station网站日本版 原文链接:周期表の歴史を振り返る

翻译:炸鸡 校对:Jiao Jiao

 

1869年门捷列夫提出元素周期表,元素周期表至今已经有152年的历史了。本篇内容就来带大家回顾一下门捷列夫对化学做出的贡献以及元素周期表的演变历史。

元素周期表是性质相似的元素有序排列而成的表

1869年,俄国化学家门捷列夫将当时已经发现的63种元素根据原子量大小排列性质相似的元素排列在一起制成一张表,这张表就是元素周期表的雏形。

来看下门捷列夫最早提出的元素周期表吧。

基于原子量和化学性质的排列表,等号后面的数字表示原子量(图片来自维基百科)

什么?这个最早期的元素周期表里元素竟然是纵向排列的?!从表中我们可以看到原子量小的元素在左上位置,越往下原子量逐渐增加,再起一列是一个新周期,因此,在这个早期元素周期表中我们现在说的主族元素是横向排列的而非纵向。

元素周期表作为理解元素性质的工具而产生

在门捷列夫早期的元素周期表中,铝Al和硅Si右边是“?”(上图中间附近)。那里的位置属于现在发现的镓Ga和锗Ge。当时尚未发现镓Ga和锗Ge,所以门捷列夫当时预计那里应该会有未发现的元素并给这两种当时尚未发现的元素取名为镓Ga和锗Ge,还预测了这两种元素的性质。

门捷列夫对镓Ga的的性质预测和镓Ga的实际性质。(表中内容来自Chemistry LibreText)。门捷列夫预测其单质熔点很低,实际上也确实如此:镓30摄氏度左右就会变成液体。一般的金属都是固体,所以金属熔点普遍很高。门捷列夫对镓Ga做出“熔点低”这一预测听起来很不可思议,但却是准确的。

在门捷列夫提出这张早期元素周期表之前并非没有元素一览表。门捷列夫的优秀之处在于他在制作周期表时注意到了有些位置应是空白的,认为那里应该有当时尚未发现的元素并准确预测了空白位置元素的存在和性质。周期表可以说是作为科学家理解元素性质的强有力的武器而C位出道的吧。

门捷列夫对元素周期表的改善

当然了,门捷列夫最早提出的元素周期表还是有几处地方需要完善。在这张早期元素周期表中没有稀有气体元素一行(现行的元素周期表里稀有气体元素是排成一列),因为当时稀有气体元素尚未被发现。还有,为了保证性质相似的元素排列在一起,有些元素并没有遵守按原子量大小顺序排列的规则,比如碲Te和碘I,尽管碲的原子量更大,但碲排在碘的前面。原因是碘I具有明显的卤素元素(溴,氯)的特征。出现这样不遵守原子量大小顺序的排列方式是因为元素本就应该按照核质子数排列而非原子量大小。鉴于当时原子的结构还不清楚,所以出现这种排列上的特殊情况并不是门捷列夫的失误。后来随着原子结构逐渐明了,元素排列顺序改成按核质子数排列了,碲Te和碘I的特殊排列现象也得到了解释。可以说从此元素周期表的排列顺序得到了物理学上的支持。

随着时代发展的元素周期表

随着新元素的发现和原子结构的阐明,周期表的形式也在不断地发展。让我们来看看它的发展情况。下图是门捷列耶夫发布的第二版元素周期表。在这张表中元素的排列变成了横向。注意到在表格顶部的说明栏中有RH和RO的符号。这些对应着所谓的族号,族是用属于该列的元素的氢化物RH和氧化物RO的组成式来命名的

门捷列夫发布的第二版元素周期表。( 图片来自维基百科 )

加了亚族的短周期型的元素周期表

以门捷列夫的第二版元素周期表为基础,添加了稀有气体元素、镧系元素、锕系元素的短周期型元素周期表诞生了。这个短周期型元素周期表中有1族(I族)到8族(VIII族),个族用AB亚族划分。现在的周期表中的1,2,13……17族在短周期型元素周期表中对应IA,IIA,IIIA,……,VII族,现在的3,4,……,11,12族在短周期型元素周期表中对应IIIB,IVB,……,IB,IIB族。虽然这样看有点复杂,但是这个元素周期表里纵向的元素还是性质相似的。

1990年代使用的元素周期表。I到VIII的族被进一步划分为A和B亚族。

参考文献

  1. 井口洋夫, 井口眞 「新元素と周期律」, 裳華房, 2013.
  2. IYPT2019 のWebページhttps://www.iypt2019.org/ 5/4/19 閲覧.
  3. Chemistry LibreText, https://chem.libretexts.org/Under_Construction/Purgatory/Textmaps_and_Wikitexts/Introductory_Chemistry/CK-12_Chemistry_(Version_I)/Chapter_3%3A_The_Organization_of_the_Elements/3.1%3A_Mendeleev’s_Periodic_Table, 5/4/19 閲覧.
  4. Fernellus, W. C.; Powell, W.H.  Chem. Educ.1982, 59, 504. DOI: 10.1021/ed059p504
  5. G. N. Quam, M. B. Types of Graphic Classifications of the element. https://www.meta-synthesis.com/webbook/35_pt/JCE_PTs_1934_medium.pdf
  6. 浜田 圭之助,化学教育,1983, 31,482, 120665/kagakukyouiku.31.6_482
  7. PAC1988, 60, 431-436. DOI: 1351/pac198860030431
  8. Poliakoff, M.; Markin, A. D. J.; Tang, S. L. Y.;  Poliakoff, E. Nature Chemistry 2019, 11, 391. DOI: 1038/s41557-019-0253-6
  9. meta-synthesis https://www.meta-synthesis.com/index.html, 5/5/19 閲覧.

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