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元素周期表

什么是元素周期表？

尽管科学家知道许多元素，但其中许多元素的性质相似。因此，如果它们根据其性质进行分组，则可以轻松地研究和比较它们的性质。元素周期表是组织所有已知元素的一种方法。在早期，元素仅分为两类：金属和非金属。但有些元素同时表现出金属和非金属的性质。它们被称为类金属。

元素周期表的历史

早期历史

人们从古代就知道了基本的化学元素，如金、银和铜，因为这些元素都可以以自然形式被发现，而且用原始工具开采起来相对容易。哲学家亚里士多德推测，所有事物都是由四种元素中的一种或多种混合而成。它们是土、水、气和火。这更像是物质的四种状态（按相同顺序）：固体、液体、气体和等离子体，尽管他同样推测它们会转化成新的物质来形成我们所看到的东西。

亨尼格·布兰德是第一个发现新元素的人。布兰德是一个破产的德国商人，他试图发现炼金术士的石头——一种神话中的物体，据说可以将廉价的贱金属转化为黄金。他尝试蒸馏人尿，直到 1669 年，他终于获得了一种发光的白色物质，他将其命名为磷。他保守着自己的发现，直到 1680 年，罗伯特·波义耳重新发现它，它才被公之于众。

到 1809 年，总共发现了 47 种元素。随着已知元素数量的增加，科学家开始认识到化学反应方式中的规律，并开始设计分类元素的方法。

安托万-洛朗·拉瓦锡

安托万·拉瓦锡的化学基础论 (化学基础论，1789 年，由罗伯特·凯尔翻译成英文) 被认为是第一部现代化学教科书。它包含一个元素列表，或不能进一步分解的物质，包括氧气、氮气、氢气、磷、汞、锌和硫。它也构成了现代元素列表的基础。然而，他的列表还包括光和热量，他认为它们是物质物质。尽管当时许多领先的化学家拒绝相信拉瓦锡的新发现，但化学基础论写得很好，足以说服年轻一代。

这个模型只将元素分为金属和非金属，因此没有被接受。

亚历山大-埃米尔·贝古耶·德·尚库尔图瓦

亚历山大-埃米尔·贝古耶·德·尚库尔图瓦，一位法国地质学家，是第一个注意到元素周期性，周期性或重复性质的人——当元素按原子量排序时，类似的元素似乎以规律的间隔出现。他设计了一种早期的元素周期表形式，他称之为地质螺旋。通过按原子量递增的顺序将元素以螺旋形排列在圆柱体上，尚库尔图瓦发现具有相似性质的元素垂直排列。他的图表除了元素外还包括一些离子化合物。他的论文发表在 1862 年，但使用了地质术语而不是化学术语，也没有包含图表；结果，直到德米特里·门捷列夫的工作才引起人们的注意。^[1]

约翰·纽兰兹

约翰·纽兰兹是一位英国化学家，他于 1863 年将当时已发现的 56 种元素分为 11 组，这些组是基于相似的物理性质。他注意到，许多相似的元素对存在，它们的原子量相差八的倍数。

第一个元素周期表

德米特里·门捷列夫

德米特里·门捷列夫，也拼写为德米特里·门捷列耶夫，中间名（父名）伊万诺维奇，是一位出生于西伯利亚的俄罗斯化学家，是第一个制作出与我们今天使用的元素周期表非常相似的科学家。门捷列夫将元素按原子量排列在表格中。有时据说他曾在长途火车旅行中玩“化学纸牌游戏”，使用带有已知元素各种事实的卡片。^[3] 1869 年 3 月 6 日，在俄罗斯化学学会进行了一次正式的演讲，名为元素原子量性质之间的依赖关系。他的表格发表在一本不知名的俄罗斯期刊上，但在 1869 年很快就在一本德国期刊上重新发表，即化学杂志。它指出

1. 如果按原子量排列元素，就会出现明显的性质周期性。
2. 在化学性质方面相似的元素，要么具有几乎相同的原子量（例如，铂、铱、锇），要么原子量呈规律性增加（例如，钾、铷、铯）。
3. 按原子量排列元素或元素组，对应于它们的所谓价键，以及在一定程度上对应于它们的独特化学性质；如在锂、铍、钡、碳、氮、氧和锡（可能错误地写为锂、铍、硼、碳、氮、氧和氟，因为元素符号当时尚未完全标准化）等系列中所见。
4. 分布最广的元素具有较小的原子量。
5. 原子量的数值决定了元素的性质，就像分子的数值决定了化合物的性质一样。
6. 我们必须期待许多尚未发现的元素的发现——例如，类似于铝和硅的元素——它们的原子量介于 65 和 75 之间。
7. 元素的原子量有时可以根据其相邻元素的原子量进行修正。因此，碲的原子量必须介于123和126之间，不能是128。
8. 元素的某些特征性质可以从它们的原子量预测出来。

优点

• 门捷列夫预测了其他元素的发现，并为这些新元素留下了空间，即类硅（锗）、类铝（镓）和类硼（钪）。因此，元素周期表没有被打乱。
• 他预测了当时这些缺失元素的一些性质（结果证明很多是准确的），以及它们的一些化合物的性质。
• 他指出，当时的一些原子量是不正确的。
• 他提供了原子量顺序的偏差。

缺点

• 没有为各种元素的同位素留出位置。
• 他的表格没有包括任何惰性气体，这些气体尚未被发现。但这些气体被威廉·拉姆齐爵士添加为第0族，并没有对元素周期表的基本概念造成任何干扰。

门捷列夫不知道，洛塔尔·迈耶尔也在研究元素周期表。在他的1864年出版的著作中，迈耶尔只展示了28种元素，按价态而不是原子量进行分类。此外，迈耶尔从未想到预测新元素和修正原子量。在门捷列夫发表了他包含所有已知元素的元素周期表（并预测了几个新元素来完成该表，以及一些修正的原子量）几个月后，迈耶尔发表了一个几乎相同的表格。有些人认为迈耶尔和门捷列夫是元素周期表的共同创造者，尽管大多数人同意门捷列夫对未发现元素性质的准确预测使他获得了更多的赞誉。无论如何，在当时，门捷列夫的预测给他的同时代人留下了深刻的印象，并最终被证明是正确的。英国化学家威廉·奥德林在1864年也绘制了一张表格，与门捷列夫的表格非常相似。

亨利·莫斯利

1914年，亨利·莫斯利发现了元素的X射线波长与其原子序数之间的关系，因此根据电子电荷而不是原子量对表格进行了重新排序。在此发现之前，原子序数只是基于元素原子量的顺序数字。莫斯利的发现表明，原子序数有实验可测量的基础。

莫斯利的研究还表明，他的表格中在原子序数43和61处存在空缺，现在已知这些空缺是放射性的，并非自然存在的。紧随德米特里·门捷列夫的脚步，亨利·莫斯利也预测了新元素。

格伦·西奥多·西博格

1944年，格伦·西奥多·西博格在曼哈顿计划的研究中，意外地遇到了分离镅（95）和锔（96）的困难。他开始怀疑，这些元素可能更适当地属于一个不同的系列，这将解释为什么新元素的预期化学性质有所不同。1945年，他违背了同事的建议，提出了对门捷列夫表格的重大修改：锕系元素系列。

西博格的锕系元素重元素电子结构概念预测，锕系元素形成与稀土元素镧系元素类似的过渡系列，现已得到科学界的广泛认可，并被纳入所有标准的元素周期表配置中。锕系元素是f区（5f系）的第二行，包括从锕到铹的元素。西博格随后对锕系元素概念的阐述，理论上预测了一系列超重元素，包括从104到121的超锕系元素系列，以及包括从122到153的超锕系元素系列。