元素周期表新玩法

丹丘生

雖然我們已經用慣了元素周期表，但表上所有元素是否都已排在正確的位置上，這不是沒有爭議的。

用手指敲鋼琴的白色琴鍵，隨著你的手指向右移動，每一個音符聽起來都不同，“哆-來-咪-發-梭-拉-西”。但是，當你敲到第八個鍵時，聽起來又跟第一個“哆”一樣了，只是調子提高了一些而已。

在150年前，我們開始意識到化學元素也發生了類似的事情。科學家甚至戲稱之為“八音律”。其實最早發現這一“八音律”的還不是門捷列夫，而是英國化學家約翰·紐蘭茲。1865年，紐蘭茲將當時已知的61種元素按原子量的遞增順序排列，發現每隔7種元素便出現性質相似的元素，如同音樂中的音階一樣。可惜他的這一發現未被時人重視。當他說給同行聽時，他們都譏嘲他：“你怎么不按照元素名稱的首字母來排列呢？”

正是元素性質的這種重復，被后來的周期表漂亮地體現出來。在周期表上，性質相似的元素排在同一列。第一列除了氫元素以外，其余皆是活潑金屬，其中一些遇水就會劇烈反應;周期表的最后一列，則是幾乎不與任何物質反應的惰性氣體元素，如氬、氖等。

但是，人們對周期表上的所有元素是否都已排在最合適的位置，不是沒有疑問的。正如音符可以以各種方式排列產生音樂一樣，元素之間的關系也可以用不同的方式來描述。判斷哪一種更好，哪一種更真實，有時并非一件容易的事情。因此，對于當前周期表中某些元素排列，至今仍爭議不斷;一些化學家甚至主張用更激進的方法重新設計元素周期表。

關于當前元素周期表的爭議

門捷列夫最初發明的周期表中，元素是按原子量大小來排列的。現在，我們則是根據原子核中質子的數量來排列的。因為我們后來知道，元素的性質很大程度上是由核外電子的排布決定的，這些電子以電子層的形式圍繞原子核運動。

最輕的元素氫只有一個電子層，最多可容納兩個電子。較重的元素有更多的電子層，可以容納更多的電子。迄今所有的元素，電子層最多可達7層，分別用1、2、3、4、5、6、7來表示。每個電子層又最多分為4個電子亞層（在同一電子層中電子能量還有微小的差異，電子運動的軌道也略有不同，根據這些差別把一個電子層分為一個或幾個電子亞層），分別用s、p、d、f來標記。一個元素的電子排布，就是標出它有哪些電子層和電子亞層，并在亞層符號右上角用數字標出各亞層上的電子數。如鈉原子的電子排布1s2 2s2 2p6 3s1 ，其含義是：鈉原子有3個電子層，第一電子層只有s亞層，且只有1個電子;第二電子層有s、p兩個亞層，s亞層有2個電子，p亞層有6個電子;第三電子層只有s亞層，只有1個電子。

根據最后一個電子所處亞層是s、p、d、f中的哪一個，周期表又分成4個區，分別為s區、p區、d區、f區。大多數周期表將組成f區的元素單獨分離出來，組成鑭系和錒系，放在總表的下方。

盡管這種做法已被大家普遍接受，但關于f區元素該包含哪些元素仍存在爭議。目前的周期表中，鑭元素和錒元素位于獨立出來的f區（即鑭系和錒系）的最左端，后面的镥（Lu）元素和鐒（Lr）元素則在總表上，不在鑭系、錒系之列。這樣做的根據是，鑭和錒原子最后一個電子落在f亞層，而镥和鐒原子最后一個電子落在s亞層。

但是一些人指出，根據元素原子半徑和熔點等化學性質，镥和鐒似乎也跟鑭系和錒系元素十分相近，所以應該把它們也包含進來。這個建議已經被部分近年來出版的周期表采用。2016年，國際純化學與應用化學聯合會成立了一個工作組來解決這一爭論，但至今還沒有做出決定。

重新設計元素周期表

這些爭論盡管瑣碎，但已經讓一些化學家相信，我們需要重新繪制元素周期表，而且這方面迄今也不缺乏點子。目前已有數百個版本的元素周期表。

為了更好地體現當前周期表元素的連續性，加拿大化學家費爾南多·杜福爾開發了一個三維周期表系統。它看起來像一棵圣誕樹，元素從樹干出發，形成一個個圓圈，圈越大，越接近底部。德國化學家西奧多·本菲開發的螺旋形周期表，則像一只手套，允許f區元素像指頭一樣向外凸出。美國加州大學恩里克·斯克利則將當前獨立出來的鑭系和錒系元素都放進總表中，這樣一來，總表就不只是有18列，而是有32列了，這樣可以保證原子序數不間斷。

在很多人看來，重新設計周期表似乎是不切實際的，因為就算當前的周期表存在缺陷，也還不至于需要推倒重來的地步。不過，隨著發現的元素越來越多，這很可能會成為一個緊迫的任務。

超重元素可能不符合

元素周期律

過去數十年，經過各國科學家的努力，我們已經將周期表拓展到了第118號。從第93號元素镎開始，都是人工合成的放射性元素。它們極不穩定，存在時間不到1秒，它們雖然被填在周期表上，但其實我們對它們的化學性質一無所知。

但是原子核理論預言，質子數為114、中子數為184的原子核具有較高的穩定性（我們雖已制造出114號元素，但可惜制造的原子核中子數還不是184，所以依然極不穩定），圍繞它可能存在著“穩定島”，“島”上的原子核也具有較高的穩定性，使我們有可能檢驗其化學性質。這些原子核被稱為超重核。原子核為超重核的元素稱為超重元素。

有跡象表明，超重元素的化學性質可能不符合元素的周期律。這樣一來，你就不得不懷疑現在使用的元素周期表對它們是否還有效了。

計算表明，我們已制造的某些超重元素，很可能表現得像惰性氣體元素，盡管它們在周期表上與惰性氣體元素不在同一列。這些計算基于愛因斯坦的狹義相對論。狹義相對論的一個推論是，物體運動速度越快，質量越大。對于較輕的元素，這個效應可以忽略不計。但對于超重元素，這個效應就顯得很重要了，因為它們的原子核擁有更多的正電荷，對核外電子的吸引力更強，這意味著電子繞核轉得更快，因此質量也變得更大了。反過來，電子的質量變大了，意味著它們的軌道比我們預期（不考慮相對論效應）的要更靠近原子核，從而改變了原子的化學性質。

所以，如果發現了超重元素，在周期表中該放在哪里，周期表怎樣設計才能更好地體現它的屬性，對于不同版本的元素周期表，將是一個“優勝劣汰”的選擇。