對(duì)元素周期表的再認(rèn)知

龐雅莉

摘要：本文試圖講論三個(gè)問題：一、元素周期表是個(gè)人類學(xué)奇跡，不僅是人類科研活動(dòng)的指南，也是人類某日溝通外星文明的標(biāo)志性王牌。二、引領(lǐng)思考是什么原因促使門捷列夫在元素周期表的發(fā)現(xiàn)中獲得如此尊崇。三、當(dāng)今教學(xué)對(duì)元素周期律解釋存在的問題。

關(guān)鍵詞：元素；元素周期表；電子結(jié)構(gòu)；量子力學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）12-0212-02

元素周期表是個(gè)人類學(xué)奇跡，作為人工制品，它映射出我們?nèi)绾闻c物理世界互動(dòng)——它以簡潔而優(yōu)雅的形式寫下了我們這個(gè)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(zhì)和能量都是從一個(gè)奇點(diǎn)上噴發(fā)出來的。這次大爆炸產(chǎn)生了物質(zhì)和能量，僅有4%是普通物質(zhì)，余下的為“暗物質(zhì)”、“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(nèi)部產(chǎn)生，更重的元素（一直到鉍）是在恒星表面產(chǎn)生的，超新星的爆炸則會(huì)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(zhì)構(gòu)成。元素，如同構(gòu)成了宇宙、太陽、地球一樣，也構(gòu)成了我們?nèi)祟悺?/p>

二、元素的本質(zhì)

原子是化學(xué)反應(yīng)中不可再分的基本微粒。如果說原子是構(gòu)成物質(zhì)的最小實(shí)體粒子，元素則表示原子的種類。化學(xué)元素就是具有相同的核電荷數(shù)（即核內(nèi)質(zhì)子數(shù)）的一類原子的總稱。作為元素周期表的主要發(fā)現(xiàn)者，門捷列夫的非凡洞察力來自于他對(duì)元素本質(zhì)的哲學(xué)思考。如果沒有對(duì)于事物本質(zhì)的哲學(xué)思考，很容易被各種雜亂無序的現(xiàn)象干擾而無法發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)在規(guī)律。對(duì)門捷列夫而言，元素的本質(zhì)是特性的載體，本質(zhì)上是不可見的。但它構(gòu)成了單質(zhì)的內(nèi)在本質(zhì)。門捷列夫天才地認(rèn)識(shí)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(gè)與之對(duì)應(yīng)的不變的物理量。從當(dāng)時(shí)可測量屬性的角度來看，他認(rèn)為是原子量。這樣抽象元素便與可測屬性原子量結(jié)合在一起了。門捷列夫關(guān)于元素本質(zhì)的哲學(xué)思考使得他對(duì)抽象元素進(jìn)行分類時(shí)可以避免非本質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的誤導(dǎo)，也能夠不受物理學(xué)進(jìn)展的影響。[2]

三、元素周期表的形成

人們公認(rèn)是門捷列夫創(chuàng)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(fā)明的。在19世紀(jì)60年代卡爾斯魯厄會(huì)議上確定了元素原子量的合理性后，六位科學(xué)家?guī)缀踉谕粫r(shí)期發(fā)現(xiàn)了元素周期系。很多方面表明元素周期律實(shí)際上是由法國地質(zhì)學(xué)家尚古爾多阿在1862年首先發(fā)現(xiàn)的。他把化學(xué)元素按原子重量排列，繪制出一幅圓柱形的圖解，并首先發(fā)現(xiàn)元素性質(zhì)是原子量的周期函數(shù)，這比門捷列夫早了7年。只是這張三維元素周期表過于復(fù)雜，不幸被出版商隱而不發(fā)，而這幅插圖是闡明其觀點(diǎn)所不可缺少的，刪掉它，論文就失去了它存在的價(jià)值。他未能活到追認(rèn)他的發(fā)現(xiàn)的那一天。相比于尚古爾多阿，英國化學(xué)家紐蘭茲是幸運(yùn)的。雖然紐蘭茲最初提出的“元素八音律”觀點(diǎn)遭到了奚落。但最終他也因發(fā)現(xiàn)元素周期律而獲得戴維勛章。有人認(rèn)為紐蘭茲的陳述之所以沒有被倫敦化學(xué)學(xué)會(huì)發(fā)表是由于奧德林的嫉妒。事實(shí)上，奧德林的興趣主要在原子量和當(dāng)量的關(guān)系。對(duì)元素分類只是他的副業(yè)。奧德林橫向排列元素的周期表顯現(xiàn)了元素化學(xué)性質(zhì)一定的周期性。但令人詫異的是，他否認(rèn)了元素周期性的合理性。在元素周期律的發(fā)現(xiàn)者中，欣里赫斯顯得比較奇特。他分類元素的依據(jù)非常特殊。在元素分類時(shí)，他始終支持存在“基本物質(zhì)”這一概念。欣里赫斯敏銳地將元素光譜和原子聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)譜線的頻率與元素的原子量及假定的原子尺寸大小有關(guān)，采用類比于太陽系中行星與太陽的位置關(guān)系對(duì)元素進(jìn)行排列，用畢達(dá)哥拉斯形式發(fā)展了一個(gè)螺旋式周期系。在對(duì)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(shí)早在1864年，邁耶爾發(fā)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(gè)觀點(diǎn)，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(guān)系。人們卻誤認(rèn)這兩個(gè)觀點(diǎn)是門捷列夫首先提出的。邁耶爾1862年（發(fā)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(yù)留位置并非始自門捷列夫。在排列元素時(shí)，邁耶爾盡力兼顧原子量和化學(xué)性質(zhì)。按照現(xiàn)代觀點(diǎn)，將主族與過渡元素分開，是現(xiàn)代中長式和長式周期表的顯著特征。當(dāng)時(shí)邁耶爾已經(jīng)這么做了。兩人于1882年共獲戴維勛章以表彰他們發(fā)現(xiàn)元素周期系[2]。

那么是什么促成了人們對(duì)門捷列夫周期表的認(rèn)可？首先，與其他發(fā)現(xiàn)者相比，門捷列夫更關(guān)注元素的哲學(xué)意義。其次，他提出的周期系更完整，且經(jīng)受住了考驗(yàn)，成功地接納了稀有元素，稀土元素；同位素、原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)、更后的量子力學(xué)理論的誕生反而進(jìn)一步強(qiáng)化了周期表的地位。再次，這個(gè)周期表提供了一種思想，使他成功地預(yù)測了一些尚未發(fā)現(xiàn)元素。最后，他還是周期系的倡導(dǎo)者。到1890年，門捷列夫周期表已經(jīng)成為化學(xué)百花園中永久性的標(biāo)志了[2]。門捷列夫時(shí)代只有63種元素被發(fā)現(xiàn)，此后不斷發(fā)現(xiàn)并制造的新元素，達(dá)到118種，被忠實(shí)地放進(jìn)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(zhì)與它的原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，是21世紀(jì)發(fā)展科技的重要理論依據(jù)之一[4]，對(duì)自然科學(xué)、生產(chǎn)實(shí)踐方面有著燈塔般的指導(dǎo)作用。元素周期律和周期表是眾多自然學(xué)科不可缺少的工具。在化學(xué)方面，周期表為發(fā)展量子力學(xué)理論，甚至為具有特殊性質(zhì)新元素的合成、預(yù)測新元素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都提供了線索[4]。享有相同電子構(gòu)型的元素性質(zhì)相似，這就啟發(fā)人們?cè)谥芷诒碇幸欢ǖ膮^(qū)域內(nèi)尋找新的物質(zhì)。在超導(dǎo)研究領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)是科學(xué)家的終極目標(biāo)。受鑭系元素啟發(fā)，科學(xué)家已經(jīng)在錒系元素中找到了鐿，合成出了含鐿元素超導(dǎo)體YBa2Cu3O7，該化合物的超導(dǎo)溫度是93K；在過渡金屬元素區(qū)域?qū)ふ揖哂写呋阅堋⒛透邷亍⒛透g的特種合金等材料；根據(jù)元素在周期表里的位置，在地殼、巖層不同區(qū)域?qū)ふ也煌牡V物[5]。

五、對(duì)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(gè)周期從金屬開始，經(jīng)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(zhì)和化學(xué)性質(zhì)會(huì)逐漸變化。而每一縱列中的元素傾向于具有相似的化學(xué)性質(zhì)。如果要問一位現(xiàn)代化學(xué)家或者查看化學(xué)教材，周期表中各種元素排列方式的緣由，幾乎口徑一致認(rèn)為這是完全基于量子力學(xué)，元素按照原子序數(shù)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(xué)教育中，這個(gè)現(xiàn)象已經(jīng)很普遍，傾向于向?qū)W生灌輸電子排布的規(guī)則，并使學(xué)生相信化學(xué)元素會(huì)遵從這種規(guī)則，而不是從化學(xué)事實(shí)和元素性質(zhì)出發(fā)[2]。事實(shí)呢？不妨看看P區(qū)元素。這部分元素被處于對(duì)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(duì)角線位置的元素則是模棱兩可的準(zhǔn)金屬。恰恰是這條對(duì)角線的事實(shí)破壞了在同一縱列中的元素具有共同特征的一般規(guī)律。再進(jìn)入到錒系元素中，核外電子填充軌道的規(guī)律幾乎消失，錒把1個(gè)電子放到一個(gè)新的d亞層（6d1），就像上一行的鑭（5d1）一樣。那么釷的行為應(yīng)該像鈰，因?yàn)殁Q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(xù)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(shí)還把在釷元素中填入到d亞層的1個(gè)電子挪到f亞層中（5f26d1）[3]。電子構(gòu)型解釋了元素之間的位置關(guān)系，但有時(shí)候會(huì)掩蓋不同族、不同系元素性質(zhì)相似的事實(shí)。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(xué)在很多方面影響元素的化學(xué)性質(zhì)，但它的影響不全面、不唯一。量子力學(xué)也試圖解釋周期表的模樣。但這張表的形狀與量子力學(xué)無關(guān)。事實(shí)上，電子如何適應(yīng)軌道的細(xì)節(jié)反倒是從周期表的形狀中推導(dǎo)出來的，而不是來自其他方法[3]。

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

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)出版社，2012：78-303.

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

[4]北京師范大學(xué).無機(jī)化學(xué)[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(xué)生數(shù)理化：高一版，2007，（2）：87.