對元素周期表的再認知

龐雅莉

摘要：本文試圖講論三個問題：一、元素周期表是個人類學奇跡，不僅是人類科研活動的指南，也是人類某日溝通外星文明的標志性王牌。二、引領思考是什么原因促使門捷列夫在元素周期表的發現中獲得如此尊崇。三、當今教學對元素周期律解釋存在的問題。

關鍵詞：元素；元素周期表；電子結構；量子力學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）12-0212-02

元素周期表是個人類學奇跡，作為人工制品，它映射出我們如何與物理世界互動——它以簡潔而優雅的形式寫下了我們這個種族的簡史[1]。

一、元素的來源

大爆炸理論提出，大約137億年前，宇宙中的原本物質和能量都是從一個奇點上噴發出來的。這次大爆炸產生了物質和能量，僅有4%是普通物質，余下的為“暗物質”、“暗能量”。氫、氦、氘、鋰是最初存在的元素，自然界中鐵之前的元素幾乎都是在恒星內部產生，更重的元素（一直到鉍）是在恒星表面產生的，超新星的爆炸則會將已存在的元素熔合成更重的元素。我們生存的地球完全由普通物質構成。元素，如同構成了宇宙、太陽、地球一樣，也構成了我們人類。

二、元素的本質

原子是化學反應中不可再分的基本微粒。如果說原子是構成物質的最小實體粒子，元素則表示原子的種類。化學元素就是具有相同的核電荷數（即核內質子數）的一類原子的總稱。作為元素周期表的主要發現者，門捷列夫的非凡洞察力來自于他對元素本質的哲學思考。如果沒有對于事物本質的哲學思考，很容易被各種雜亂無序的現象干擾而無法發現事物的內在規律。對門捷列夫而言，元素的本質是特性的載體，本質上是不可見的。但它構成了單質的內在本質。門捷列夫天才地認識到既然元素能夠完整地在化合物形成過程中存在，必存在一個與之對應的不變的物理量。從當時可測量屬性的角度來看，他認為是原子量。這樣抽象元素便與可測屬性原子量結合在一起了。門捷列夫關于元素本質的哲學思考使得他對抽象元素進行分類時可以避免非本質化學性質的誤導，也能夠不受物理學進展的影響。[2]

三、元素周期表的形成

人們公認是門捷列夫創造了元素周期表。但是元素周期表并不是門捷列夫單槍匹馬發明的。在19世紀60年代卡爾斯魯厄會議上確定了元素原子量的合理性后，六位科學家幾乎在同一時期發現了元素周期系。很多方面表明元素周期律實際上是由法國地質學家尚古爾多阿在1862年首先發現的。他把化學元素按原子重量排列，繪制出一幅圓柱形的圖解，并首先發現元素性質是原子量的周期函數，這比門捷列夫早了7年。只是這張三維元素周期表過于復雜，不幸被出版商隱而不發，而這幅插圖是闡明其觀點所不可缺少的，刪掉它，論文就失去了它存在的價值。他未能活到追認他的發現的那一天。相比于尚古爾多阿，英國化學家紐蘭茲是幸運的。雖然紐蘭茲最初提出的“元素八音律”觀點遭到了奚落。但最終他也因發現元素周期律而獲得戴維勛章。有人認為紐蘭茲的陳述之所以沒有被倫敦化學學會發表是由于奧德林的嫉妒。事實上，奧德林的興趣主要在原子量和當量的關系。對元素分類只是他的副業。奧德林橫向排列元素的周期表顯現了元素化學性質一定的周期性。但令人詫異的是，他否認了元素周期性的合理性。在元素周期律的發現者中，欣里赫斯顯得比較奇特。他分類元素的依據非常特殊。在元素分類時，他始終支持存在“基本物質”這一概念。欣里赫斯敏銳地將元素光譜和原子聯系起來，發現譜線的頻率與元素的原子量及假定的原子尺寸大小有關，采用類比于太陽系中行星與太陽的位置關系對元素進行排列，用畢達哥拉斯形式發展了一個螺旋式周期系。在對許多重要的元素分類上欣里赫斯周期表是成功的。邁耶爾是門捷列夫的有力競爭者。其實早在1864年，邁耶爾發表了一篇包含28種元素的周期表。在這篇論文里，他明確提出兩個觀點，一是元素按照原子量遞增的順序排列，二是該周期表清楚地建立了元素間的橫向關系。人們卻誤認這兩個觀點是門捷列夫首先提出的。邁耶爾1862年（發表于1854）的周期表，已給未知元素（鍺）留下了空白，這再一次表明給未知元素預留位置并非始自門捷列夫。在排列元素時，邁耶爾盡力兼顧原子量和化學性質。按照現代觀點，將主族與過渡元素分開，是現代中長式和長式周期表的顯著特征。當時邁耶爾已經這么做了。兩人于1882年共獲戴維勛章以表彰他們發現元素周期系[2]。

那么是什么促成了人們對門捷列夫周期表的認可？首先，與其他發現者相比，門捷列夫更關注元素的哲學意義。其次，他提出的周期系更完整，且經受住了考驗，成功地接納了稀有元素，稀土元素；同位素、原子序數的發現、更后的量子力學理論的誕生反而進一步強化了周期表的地位。再次，這個周期表提供了一種思想，使他成功地預測了一些尚未發現元素。最后，他還是周期系的倡導者。到1890年，門捷列夫周期表已經成為化學百花園中永久性的標志了[2]。門捷列夫時代只有63種元素被發現，此后不斷發現并制造的新元素，達到118種，被忠實地放進他的表格中[3]。

四、元素周期表的作用

元素周期表和周期律，反映了元素性質與它的原子結構的關系，是21世紀發展科技的重要理論依據之一[4]，對自然科學、生產實踐方面有著燈塔般的指導作用。元素周期律和周期表是眾多自然學科不可缺少的工具。在化學方面，周期表為發展量子力學理論，甚至為具有特殊性質新元素的合成、預測新元素的結構和性質都提供了線索[4]。享有相同電子構型的元素性質相似，這就啟發人們在周期表中一定的區域內尋找新的物質。在超導研究領域，實現室溫超導是科學家的終極目標。受鑭系元素啟發，科學家已經在錒系元素中找到了鐿，合成出了含鐿元素超導體YBa2Cu3O7，該化合物的超導溫度是93K；在過渡金屬元素區域尋找具有催化性能、耐高溫、耐腐蝕的特種合金等材料；根據元素在周期表里的位置，在地殼、巖層不同區域尋找不同的礦物[5]。

五、對周期表的疑問

周期表的每行每列都可觀察到一些趨勢。每個周期從金屬開始，經過過渡金屬，最后到了最右邊的非金屬元素，通常情況下，從左到右元素的物理性質和化學性質會逐漸變化。而每一縱列中的元素傾向于具有相似的化學性質。如果要問一位現代化學家或者查看化學教材，周期表中各種元素排列方式的緣由，幾乎口徑一致認為這是完全基于量子力學，元素按照原子序數遞增順序排列。周期表的形狀與電子填充到軌道的順序相一致，諸如此類。在化學教育中，這個現象已經很普遍，傾向于向學生灌輸電子排布的規則，并使學生相信化學元素會遵從這種規則，而不是從化學事實和元素性質出發[2]。事實呢？不妨看看P區元素。這部分元素被處于對角線位置的元素分為左下角的普通金屬和右上角的非金屬兩部分，而處于對角線位置的元素則是模棱兩可的準金屬。恰恰是這條對角線的事實破壞了在同一縱列中的元素具有共同特征的一般規律。再進入到錒系元素中，核外電子填充軌道的規律幾乎消失，錒把1個電子放到一個新的d亞層（6d1），就像上一行的鑭（5d1）一樣。那么釷的行為應該像鈰，因為釷就在鈰的正下方，但鈰的電子就是放到新的f亞層（4f2），而釷元素卻繼續將電子放到d亞層（6d2），鏷則開始把電子填入新的f亞層，同時還把在釷元素中填入到d亞層的1個電子挪到f亞層中（5f26d1）[3]。電子構型解釋了元素之間的位置關系，但有時候會掩蓋不同族、不同系元素性質相似的事實。釷和以鈦為首的第四副族元素，鏷和以釩為首的第五副族，鈾和以鉻為首的第六副族元素之間有許多相似性[2]。

雖然量子力學在很多方面影響元素的化學性質，但它的影響不全面、不唯一。量子力學也試圖解釋周期表的模樣。但這張表的形狀與量子力學無關。事實上，電子如何適應軌道的細節反倒是從周期表的形狀中推導出來的，而不是來自其他方法[3]。

另外，如果不告訴學生教材附表上的中長式周期表其實只是周期系的一種形式，是不利于學生的創新思考的。

參考文獻：

[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，意義，哲理[M].大連：大連理工大學出版社，2012：78-303.

[3]西蒙.庫倫.菲爾德，西奧多.格雷.神奇的化學元素[M].北京：人民郵電出版社，2013：9，附錄177.

[4]北京師范大學.無機化學[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義[J].中學生數理化：高一版，2007，（2）：87.