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元素週期表

什麼是元素週期表？

儘管科學家知道許多元素，但其中許多元素的性質相似。因此，如果它們根據其性質進行分組，則可以輕鬆地研究和比較它們的性質。元素週期表是組織所有已知元素的一種方法。在早期，元素僅分為兩類：金屬和非金屬。但有些元素同時表現出金屬和非金屬的性質。它們被稱為類金屬。

元素週期表的歷史

早期歷史

人們從古代就知道了基本的化學元素，如金、銀和銅，因為這些元素都可以以自然形式被發現，而且用原始工具開採起來相對容易。哲學家亞里士多德推測，所有事物都是由四種元素中的一種或多種混合而成。它們是土、水、氣和火。這更像是物質的四種狀態（按相同順序）：固體、液體、氣體和等離子體，儘管他同樣推測它們會轉化成新的物質來形成我們所看到的東西。

亨尼格·布蘭德是第一個發現新元素的人。布蘭德是一個破產的德國商人，他試圖發現鍊金術士的石頭——一種神話中的物體，據說可以將廉價的賤金屬轉化為黃金。他嘗試蒸餾人尿，直到 1669 年，他終於獲得了一種發光的白色物質，他將其命名為磷。他保守著自己的發現，直到 1680 年，羅伯特·波義耳重新發現它，它才被公之於眾。

到 1809 年，總共發現了 47 種元素。隨著已知元素數量的增加，科學家開始認識到化學反應方式中的規律，並開始設計分類元素的方法。

安託萬-洛朗·拉瓦錫

安託萬·拉瓦錫的化學基礎論 (化學基礎論，1789 年，由羅伯特·凱爾翻譯成英文) 被認為是第一部現代化學教科書。它包含一個元素列表，或不能進一步分解的物質，包括氧氣、氮氣、氫氣、磷、汞、鋅和硫。它也構成了現代元素列表的基礎。然而，他的列表還包括光和熱量，他認為它們是物質物質。儘管當時許多領先的化學家拒絕相信拉瓦錫的新發現，但化學基礎論寫得很好，足以說服年輕一代。

這個模型只將元素分為金屬和非金屬，因此沒有被接受。

亞歷山大-埃米爾·貝古耶·德·尚庫爾圖瓦

亞歷山大-埃米爾·貝古耶·德·尚庫爾圖瓦，一位法國地質學家，是第一個注意到元素週期性，週期性或重複性質的人——當元素按原子量排序時，類似的元素似乎以規律的間隔出現。他設計了一種早期的元素週期表形式，他稱之為地質螺旋。透過按原子量遞增的順序將元素以螺旋形排列在圓柱體上，尚庫爾圖瓦發現具有相似性質的元素垂直排列。他的圖表除了元素外還包括一些離子化合物。他的論文發表在 1862 年，但使用了地質術語而不是化學術語，也沒有包含圖表；結果，直到德米特里·門捷列夫的工作才引起人們的注意。^[1]

約翰·紐蘭茲

約翰·紐蘭茲是一位英國化學家，他於 1863 年將當時已發現的 56 種元素分為 11 組，這些組是基於相似的物理性質。他注意到，許多相似的元素對存在，它們的原子量相差八的倍數。

第一個元素週期表

德米特里·門捷列夫

德米特里·門捷列夫，也拼寫為德米特里·門捷列耶夫，中間名（父名）伊萬諾維奇，是一位出生於西伯利亞的俄羅斯化學家，是第一個製作出與我們今天使用的元素週期表非常相似的科學家。門捷列夫將元素按原子量排列在表格中。有時據說他曾在長途火車旅行中玩“化學紙牌遊戲”，使用帶有已知元素各種事實的卡片。^[3] 1869 年 3 月 6 日，在俄羅斯化學學會進行了一次正式的演講，名為元素原子量性質之間的依賴關係。他的表格發表在一本不知名的俄羅斯期刊上，但在 1869 年很快就在一本德國期刊上重新發表，即化學雜誌。它指出

1. 如果按原子量排列元素，就會出現明顯的性質週期性。
2. 在化學性質方面相似的元素，要麼具有幾乎相同的原子量（例如，鉑、銥、鋨），要麼原子量呈規律性增加（例如，鉀、銣、銫）。
3. 按原子量排列元素或元素組，對應於它們的所謂價鍵，以及在一定程度上對應於它們的獨特化學性質；如在鋰、鈹、鋇、碳、氮、氧和錫（可能錯誤地寫為鋰、鈹、硼、碳、氮、氧和氟，因為元素符號當時尚未完全標準化）等系列中所見。
4. 分佈最廣的元素具有較小的原子量。
5. 原子量的數值決定了元素的性質，就像分子的數值決定了化合物的性質一樣。
6. 我們必須期待許多尚未發現的元素的發現——例如，類似於鋁和矽的元素——它們的原子量介於 65 和 75 之間。
7. 元素的原子量有時可以根據其相鄰元素的原子量進行修正。因此，碲的原子量必須介於123和126之間，不能是128。
8. 元素的某些特徵性質可以從它們的原子量預測出來。

優點

• 門捷列夫預測了其他元素的發現，併為這些新元素留下了空間，即類矽（鍺）、類鋁（鎵）和類硼（鈧）。因此，元素週期表沒有被打亂。
• 他預測了當時這些缺失元素的一些性質（結果證明很多是準確的），以及它們的一些化合物的性質。
• 他指出，當時的一些原子量是不正確的。
• 他提供了原子量順序的偏差。

缺點

• 沒有為各種元素的同位素留出位置。
• 他的表格沒有包括任何惰性氣體，這些氣體尚未被發現。但這些氣體被威廉·拉姆齊爵士新增為第0族，並沒有對元素週期表的基本概念造成任何干擾。

門捷列夫不知道，洛塔爾·邁耶爾也在研究元素週期表。在他的1864年出版的著作中，邁耶爾只展示了28種元素，按價態而不是原子量進行分類。此外，邁耶爾從未想到預測新元素和修正原子量。在門捷列夫發表了他包含所有已知元素的元素週期表（並預測了幾個新元素來完成該表，以及一些修正的原子量）幾個月後，邁耶爾發表了一個幾乎相同的表格。有些人認為邁耶爾和門捷列夫是元素週期表的共同創造者，儘管大多數人同意門捷列夫對未發現元素性質的準確預測使他獲得了更多的讚譽。無論如何，在當時，門捷列夫的預測給他的同時代人留下了深刻的印象，並最終被證明是正確的。英國化學家威廉·奧德林在1864年也繪製了一張表格，與門捷列夫的表格非常相似。

亨利·莫斯利

1914年，亨利·莫斯利發現了元素的X射線波長與其原子序數之間的關係，因此根據電子電荷而不是原子量對錶格進行了重新排序。在此發現之前，原子序數只是基於元素原子量的順序數字。莫斯利的發現表明，原子序數有實驗可測量的基礎。

莫斯利的研究還表明，他的表格中在原子序數43和61處存在空缺，現在已知這些空缺是放射性的，並非自然存在的。緊隨德米特里·門捷列夫的腳步，亨利·莫斯利也預測了新元素。

格倫·西奧多·西博格

1944年，格倫·西奧多·西博格在曼哈頓計劃的研究中，意外地遇到了分離鋂（95）和鋦（96）的困難。他開始懷疑，這些元素可能更適當地屬於一個不同的系列，這將解釋為什麼新元素的預期化學性質有所不同。1945年，他違背了同事的建議，提出了對門捷列夫表格的重大修改：錒系元素系列。

西博格的錒系元素重元素電子結構概念預測，錒系元素形成與稀土元素鑭系元素類似的過渡系列，現已得到科學界的廣泛認可，並被納入所有標準的元素週期表配置中。錒系元素是f區（5f系）的第二行，包括從錒到鐒的元素。西博格隨後對錒系元素概念的闡述，理論上預測了一系列超重元素，包括從104到121的超錒系元素系列，以及包括從122到153的超錒系元素系列。