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德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫 |
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化学元素周期表用途广泛 |
在我们的化学教科书和一些字典中，都会附有一张“元素周期表”。目前表中已记录了118位化学元素，它们根据原子序数从小至大排序排列在一张大体上呈长方形的表格中，最小的排在最先，表中一横行称为一个周期，一列称为一个族（特性相近的元素归在同一族中）。原子半径由左到右依次减小，自上到下依次增大。这张元素周期表共有7个周期，16个族，118位化学元素。它揭示了物质世界的秘密，把一些看来似乎互不相关的元素统一起来，组成了一个完整的自然体系。 明年，化学元素周期表将迎来150周岁生日。为了给它“庆生”，联合国宣布2019年为“国际化学元素周期表年”。 每个学生都会因为要背这张化学元素周期表上的118位元素而犯“头痛病”，或许对这张表格了解更多有助于治疗此病？ 发现并制作者到底是谁？ 学子们之所以要背下这张化学元素周期表，是因为它能够准确地预测各种元素的特性及彼此之间的关系，因此它在化学及其他科学范畴中被广泛使用，作为分析化学行为时十分有用的框架。 在很多资料中，俄国化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫都被称为元素周期律的发现者和第一张元素周期表的制作者。1869年，他将当时已知的63种元素依相对原子质量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一列，制成了元素周期表的雏形。在苏联科学史学家鲍·米·凯德洛夫的一张《伟大发现的一天》书中，用半部书的篇幅论证了这个说法，认为元素周期律是门捷列夫在1869年2月17日这一天发现的。 但事实上，早在1789年出版的《化学大纲》中，法国化学家拉瓦锡就发表了历史上第一张《元素表》。在这张表中，当时已知的33种元素被分为了4类。此后，又有多位化学家对元素的性质和分类研究作出贡献，这张化学元素周期表才逐渐形成了今天的模样。比如1865年，英国化学家纽兰兹在研究中发现，当元素按原子量递增的顺序排列起来时，每隔8个元素，元素的物理性质和化学性质就会重复出现，他把这一规律称为“八音律”。等等。还有人提出，各种类型的化学元素周期表有不下170余种，归纳起来主要有：短式表（以门捷列夫为代表）、长式表（维尔纳式为代表）、特长表（以波尔塔式为代表）；平面螺线表和圆形表（以达姆开夫式为代表）；立体周期表（以莱西的圆锥柱立体表为代表）等。 但我们目前还是以“门捷列夫为第一位发现者和制作者”的说法为准，给化学元素周期表过150岁生日吧。 如此“高龄”还在“添丁”？ 我们可以看到这张表中共有7个周期，特性相近的元素都归在同一族中，比如碱金属元素是一族，卤族元素是一族等。而某些元素周期中还留有空格。不要以为这张表就这样确定不变了，随着人们的研究进展，还不断有新的元素被列入此表。 2016年11月就刚加入了4种新元素（113、115、117、118），IUPAC（国际纯粹与应用化学联合会）核准并发布了4种人工合成元素的英文名称和元素符号，分别是：2004年发现的nihonium(Nh)、2003年发现的moscovium(Mc)、2010年发现的tennessine(Ts)和2006年发现的oganesson(Og)。元素周期表中第7周期被全部填满。而这4种新元素的中文命名则在去年确定下来，分别是：公式。 这四个元素分别由日本、俄罗斯和美国科学家命名。其中113号元素Nh是首个由亚洲科学家合成的新元素。虽然相关工作也有中国科学家参与，但中国目前还没有在合成新元素上实现突破。 目前，119号元素的搜寻工作也正在全球几个实验室中进行。它究竟会是一个什么特性的元素还不可知。但一位核物理学教授Witold Nazarewicz最近发表于《自然·物理》杂志上的论文中提到，将被发现的119号元素可能是一个人造元素，而且它可能会有一个超重核。这位物理学家表示：“119号元素一旦被确认，它将开启元素周期表的第8行周期。” 论文中提到的“超重核”，不仅是核物理的重大前沿领域之一，也是自然科学的一个重要基本问题。它应该可以这样理解：当原子的质子数多达172个时，就可能在核力的作用下，物理性地形成一个结合在一起的原子核。正是这种核力阻止了原子的解体，但它能维持的时长只有几分之一秒。而在实验室中制造的原子核其实非常不稳定，它们会在形成后不久就发生自发性的衰变。这一过程可能快到没有足够的时间吸引并捕获一个电子来形成原子。因此它们的整个生命周期都将以一种质子与中子的聚集形态存在。如果真是这样的话，这将挑战科学家现有对“原子”的定义和理解方式。原子将不能再被描述成一个有电子环绕的中心核。但目前我们并不知道这样的原子核是否真的可以形成。科学家们也正在努力中，Nazarewicz表示：“实验已经在进行中，我们或许离这一发现已经不远了。” 但像这种人造元素其实在化学元素周期表上只有极少数。大部分元素都是在地球上本身存在的自然元素。但这种人造元素也会是构成地球体系的一部分，并最终存在意义。比如超重元素的合成和研究就有助于探索原子核质量存在的极限，最终确定化学元素周期表的边界，也是对原子核壳模型等相关理论正确与否的实际检验。 科学家们相信，新元素还会不断被发现。
