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元素周期表进化史—2

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

Bayley和Bohr的金字塔型元素周期表反映了原子结构

在下图这张金字塔元素周期表的第三周期到第四周期过渡的时候(图中表现为 II 到III 过渡),出现了分裂,裂分为典型元素区和过渡金属元素区。当Bayley(贝利)提出这个金字塔型元素周期表时,人们尚不清楚原子的结构,因此我们不知道Bayley是否有划分元素区块的意图。但后来,以设计出原子模型而闻名的Bohr(玻尔)也提出了金字塔型元素周期表。为了在周期表中反映原子的结构,玻尔可能意识到需要将短周期型元素周期表的亚族分离出来。周期表作为一种不仅帮助了解元素性质,还帮助了解原子结构的工具正在逐步发展。

Bayley 提出的元素周期表。图片来自文献[5]

但是这份金字塔型元素周期表初看很难看出族与族之间的联系。比如通过从钠Na延伸的线,可以导出钾K,K和Na一样都是碱金属元素。钠在金字塔的边缘,所以不用太费劲就能追踪到钾,但是从里面的磷P等寻找下一个周期的元素,就像追踪错综复杂的电线一样难找。沿着Na延伸的线,我们还可以找到和Na八竿子也打不着的Cu。在门捷列夫的元素周期表中,Na和Cu是以亚属的形式区分的,但在金字塔型元素周期表中,给人的印象是族之间的联系反而变弱了

在金字塔型元素周期表里找寻族与族之间的联系简直太难了

长周期型周期表解决了亚族问题同时区分了元素区

随着金字塔型元素周期表被提出,后续也有多种元素周期表被陆陆续续提出,1950年代,短周期型元素周期表是最常被使用的。那么我们现在熟知的并且在教科书里广泛出现的那张中间有凹槽的元素周期表是什么时候诞生的呢?令人颇感惊讶的是它其实早在1923年就诞生了9。下图为我们现在熟悉的元素周期表的前身。除了稀有气体元素位于左端,硼B和铝Al位于凹槽左侧外,形状与现在的元素周期表基本一致。元素族的名称也继承了短周期型元素周期表的名称,1-8族(I–VIII)分为A和B亚族。

Deming的周期表  片来自meta-synthesis9

那么问题来了,这个长周期型元素周期表是怎么由它之前的元素周期表演变而来的呢?从金字塔型元素周期表出发的话,将2族和3族切断,然后将2族和3族的元素横向排列就得到了长周期型元素周期表;从短周期型元素周期表出发的话,把I B, IIB, IIIA–VIIA族全部迁移到VIII族的右边。短周期和长周期虽然很相像,但是完成转变工程量还是很大的。长周期型元素周期表没有削弱元素横向纵向的联系,并且还表现出了金字塔型元素周期表里的元素区。

元素周期表变形过程分析

长周期型元素周期表是怎么变宽的?

长周期型元素周期表并不是一下子变长的。前面提到长周期型元素周期表最早于1923年提出。那么提出后,它是怎么被世人接受并认可的呢?答案是药品公司的宣传册上大量印刷这个元素周期表,并大量发散,这样人们就接受了这个元素周期表的存在4。如果某个元素周期表被教科书采用的话它的大众知名度就会极大地提升。经过一遍遍修改,终于在1950年,长周期型元素周期表被教科书正式采用,出现在了教科书上4

然而短周期型元素周期表直到上世纪80年代后期仍在使用。毕竟考虑到从短周期表过渡到长周期表,变化还是很巨大的,人们自然需要多花点时间接受。但是我们不得不思考一个问题:究竟是什么让科学家们抛弃了使用近100年的短周期元素周期表而转向使用周期元素周期表?

短周期元素周期表为什么退出了历史舞台?

笔者费尽周折调查一番,发现并没有一份明确的声明宣布废止短周期元素周期表。但是IUPAC在1988年公布了元素周期表综列的1至18族的名称6。正是这个决定把短周期元素周期表推向了灭绝的边缘。如果元素族要凑满18个的话,就只有使用长周期型元素周期表来命名元素族了。但是这引出了一个新问题。。。。。

1988年IUPAC对元素族名做出改革,自此元素亚族消失

为什么要废除亚族,为什么元素族的名称要变成1-18族?

上世纪后半叶,短周期元素周期表与长周期元素周期表并用,亚族(A和B族)的命名方法因不同的元素周期表而异,十分混乱4, 6。如下图所示,从III族到VII族,无论亚族如何分配,性质相似的元素都可以纵向对齐,周期律不会出现不妥。从III族到VII族,亚族A和B的取法是任意的

混乱的亚族命名。试试看找找两个元素周期表的不同之处!

虽然族名的取法是任意的,但是对初学元素周期表的学生而言,不同参考书上会因为采用的元素周期表不同,族名取法也不一样,这会给初学者带来极大的困扰。在这样混乱的族名命名情况下,化学界开始审议变更族名,1988年IUPAC正式规范了1-18族的名称。

2016年元素周期表正式确定!

除了规范元素族名之外,科学家还花了很多努力来填补元素周期表上空缺的元素位置。直到2016年,IUPAC才正式命名了鉨Nihonium(Nh)和Oganeson(Og)等118号元素。门捷列夫提出元素周期表近150年后,元素周期表至第七周期的空白才全部填满。至此,元素周期表算是正式完成了

2019年现在使用的长周期型元素周期表。

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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