元素周期表的過去、現(xiàn)在與未來

物質(zhì)世界紛繁復(fù)雜，但構(gòu)成物質(zhì)的元素只有110多種，就如同26個英文字母組成了成千上萬的單詞。這些元素的名稱、原子序數(shù)、相對原子質(zhì)量等基本特性可以展現(xiàn)在一張表格中，這就是任何一本化學(xué)教科書或字典后面都會附有的化學(xué)元素周期表。這張表把迄今發(fā)現(xiàn)的所有元素按原子序數(shù)（即原子核電荷數(shù)）增加的次序排列在一個整體框架內(nèi)，元素的性質(zhì)隨原子序數(shù)的遞增而呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。一般認(rèn)為，化學(xué)元素周期表誕生在1869年，它的編制者是俄國化學(xué)家門捷列夫（1834～1907）。當(dāng)然，更確切地說，門捷列夫是在前人研究基礎(chǔ)之上的一位集大成者。

今年，化學(xué)元素周期表迎來了它的150歲生日。為了給它“慶生”，聯(lián)合國將2019年設(shè)為“國際化學(xué)元素周期表年”。

元素概念的產(chǎn)生

元素是構(gòu)成物質(zhì)的基石。所謂元素，就是具有相同的核電荷數(shù)（核內(nèi)質(zhì)子數(shù)）的一類原子的總稱。當(dāng)然，這是元素的現(xiàn)代概念。

從古至今，元素概念經(jīng)過了漫長的演變過程。我國古代的“五行說”、古希臘的“四元素說”其實就是元素觀念的萌芽；煉金術(shù)士曾把硫和汞看作是萬物的基本元素；醫(yī)療化學(xué)家則倡導(dǎo)硫、汞、鹽三元素。直到1661年，英國科學(xué)家玻意耳在其名著《懷疑派化學(xué)家》中提出他通過科學(xué)實驗對化學(xué)元素的見解，他把那些無法再用任何化學(xué)方法分解的物質(zhì)稱為簡單物質(zhì)，也就是元素。玻意耳所說的元素確切說應(yīng)該是我們現(xiàn)在稱為“單質(zhì)”的物質(zhì)，他也無法確定哪些物質(zhì)是不能再分的，應(yīng)當(dāng)歸屬于元素。但無論如何，玻意耳終于擺脫了古老元素學(xué)說的束縛，對化學(xué)元素提出了科學(xué)定義?！稇岩膳苫瘜W(xué)家》一書的出版，標(biāo)志了化學(xué)發(fā)展中一個新時代的開始。玻意耳把化學(xué)確立為一門獨立的科學(xué)，因而他也被稱為“化學(xué)之祖”。

法國科學(xué)家拉瓦錫1789年發(fā)表了他的名著《化學(xué)概論》，這標(biāo)志著現(xiàn)代化學(xué)的誕生，他也被稱為“現(xiàn)代化學(xué)之父”。在這本書中，他開列了一張化學(xué)元素表，33種元素被分為4類。氣體元素：光、熱、氧、氮、氫；能氧化成酸的非金屬：硫、磷、碳、鹽酸基、氟酸基、硼酸基；能氧化，氧化后與酸化合成鹽的金屬：銻、銀、砷、鉍、鈷、銅、錫、鐵、錳、汞、鉬、鎳、金、鉑、鉛、鎢、鋅；能成鹽的土質(zhì)；石灰、鎂土、鋇土、鋁土、硅土。

這便是化學(xué)史上第一張化學(xué)元素表。他把當(dāng)時人們已經(jīng)接觸和取得的簡單物質(zhì)無遺漏地確定為元素而概括進(jìn)去，還把元素區(qū)分為金屬與非金屬，并且明確提出了劃分的準(zhǔn)則。他的這項成就對以后化學(xué)的發(fā)展和探尋新的化學(xué)元素，都很有意義。

19世紀(jì)，道爾頓的原子論、阿伏加德羅的分子論建立后，人們才認(rèn)識到一切物質(zhì)都是由原子通過不同方式結(jié)合而成的。于是，元素的概念被定義為“同種類的原子”。

19世紀(jì)末、20世紀(jì)初，電子的發(fā)現(xiàn)以及原子核組成的奧秘被揭開后，人們認(rèn)識到，同種元素的原子核里所含的質(zhì)子數(shù)是相同的，但中子數(shù)可以不同。因為中子數(shù)不同，所以同一元素可以有質(zhì)量不同的幾種原子。但決定元素化學(xué)性質(zhì)的主要因素不是原子的質(zhì)量而是原子核外的電子數(shù)，而核外電子數(shù)又取決于核電荷數(shù)（即核內(nèi)質(zhì)子數(shù)），所以質(zhì)子數(shù)相同的一類原子，其化學(xué)性質(zhì)是相同的，于是便有了現(xiàn)在元素的定義。

偉大發(fā)現(xiàn)的一天

意識到元素性質(zhì)可能存在周期性規(guī)律并對元素的分類開展研究在當(dāng)時的化學(xué)界并不鮮見。比如1829年，德國化學(xué)家德貝萊納發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時已知的54種元素中存在5個相似的“三元素組”。1862年，法國地質(zhì)學(xué)家德·尚古特瓦繪出一個元素“螺旋圖”，將當(dāng)時已知的62種元素按相對原子質(zhì)量大小次序排列成一條圍繞圓筒的螺線，性質(zhì)相近的元素出現(xiàn)在一條豎線上。1864年，德國人邁耶爾根據(jù)元素物理性質(zhì)和相對原子質(zhì)量遞增的順序把性質(zhì)相似的元素6種一組進(jìn)行分族，排出一張元素分類表。1864年，英國人奧德林發(fā)表了一張比較詳細(xì)的周期表，表中的元素基本上按相對原子質(zhì)量遞增的順序排列，表中還留下了空位。1865年，英國化學(xué)家紐蘭茲發(fā)現(xiàn)，當(dāng)元素按相對原子質(zhì)量從小到大順序排列起來時，每隔8個元素，元素的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)就會重復(fù)出現(xiàn)。他稱這一規(guī)律為“八音律”。

那么，為什么門捷列夫被公認(rèn)為是元素周期律的發(fā)現(xiàn)者和第一張元素周期表的制作者呢？原因就在于，相比前人，他把對現(xiàn)象的歸納，上升為理論的總結(jié)；門捷列夫的元素周期表是當(dāng)時最為全面和系統(tǒng)的，把已知的元素囊括其中；門捷列夫的元素周期表不僅給未發(fā)現(xiàn)的元素留下空位，還預(yù)言了未知元素的性質(zhì)及發(fā)現(xiàn)方法，并根據(jù)元素周期律大膽修改了一些元素的相對原子質(zhì)量。隨著預(yù)言的逐步應(yīng)驗，元素周期律獲得科學(xué)界的公認(rèn)，成為尋找新元素及化學(xué)研究的一條基礎(chǔ)理論。

蘇聯(lián)科學(xué)史家凱德洛夫著有《偉大發(fā)現(xiàn)的一天》，他利用半部書的篇幅論證元素周期律是門捷列夫在1869年2月17日這一天發(fā)現(xiàn)的。

門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律的過程據(jù)說頗富傳奇色彩，有著一個夢和一副牌的故事。他從學(xué)生時代開始就一直對元素之間可能存在的種種關(guān)聯(lián)感興趣，在準(zhǔn)備其著作《化學(xué)原理》時，更是深為無機(jī)化學(xué)缺乏系統(tǒng)性所困擾。他苦苦地思索一個問題：自然界是否存在某種規(guī)律，使各種元素能夠井然有序、分門別類、各得其所呢？到了1868年的冬天，門捷列夫決定擱下其他工作，全力以赴地投入到探索元素間規(guī)律的研究。他把當(dāng)時已知的63種元素分別寫在63張硬紙卡片上，組成一副撲克牌的樣子，并標(biāo)注上他所收集到的每一個元素的數(shù)據(jù)資料，其中最主要的數(shù)據(jù)就是相對原子質(zhì)量，然后天天坐在桌前“玩牌”：一會兒排齊，一會兒分開，不斷地調(diào)換著紙牌的位置，簡直到了走火入魔的地步。

1869年2月的一天，疲憊的門捷列夫在辦公室睡著了。睡夢中，他看到了一張表格，元素們紛紛落在了合適的格子里。醒來后他立刻記下了這張表的設(shè)計理念，最終把卡片擺在正確的位置。當(dāng)接連不上時，他判斷該位置的元素可能還未被發(fā)現(xiàn)，就在相應(yīng)位置預(yù)留一張空牌。他一共預(yù)言了11種未發(fā)現(xiàn)元素，加上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的63種元素，這樣整副牌就達(dá)到了74張。這就是元素周期表的雛形，在這個表里所有化學(xué)元素都一目了然。

1869年3月，門捷列夫公開發(fā)表了論文《元素屬性和相對原子質(zhì)量的關(guān)系》，闡述了周期律的基本要點：將元素按照相對原子質(zhì)量大小順序排列起來，在性質(zhì)上呈現(xiàn)明顯的周期性；相對原子質(zhì)量的大小決定元素的特性；應(yīng)該預(yù)料到許多未知元素將被發(fā)現(xiàn)；當(dāng)知道了某元素的同類元素后，有時可以修正該元素的相對原子質(zhì)量。

隨著元素周期律的發(fā)現(xiàn)，門捷列夫的代表作《化學(xué)原理》也順利完成，這是化學(xué)史上第一部以元素周期律為基礎(chǔ)的著作，詳細(xì)描述化學(xué)元素及其化合物的性質(zhì)，并對化學(xué)基本原理加以系統(tǒng)的整理和概括。在19世紀(jì)后期和20世紀(jì)初，被國際化學(xué)界公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)著作，影響了一代又一代化學(xué)家。

門捷列夫的“神預(yù)言”

元素周期表這個天才的發(fā)現(xiàn)真的是在夢中實現(xiàn)的嗎？門捷列夫自己并不這么認(rèn)為。他說，夢中的景象只是我15年來努力的結(jié)果。他還說，如果他的這張元素周期表真的是睡夢中上帝賜予的話，那么他得到的應(yīng)該就是一張比自己發(fā)明的更加完善的周期表了。

的確，按照現(xiàn)代化學(xué)的觀點，原子序數(shù)和相對原子質(zhì)量的關(guān)系并不總是一致的。有些元素的相對原子質(zhì)量大小和它們的相對位置并不一致。在當(dāng)時周期表中，鈷和鎳、碲和碘的排列位置不是按相對原子質(zhì)量的大小順序，而是顛倒順序排列的，這是為什么？直到20世紀(jì)初，人們?nèi)匀徊坏闷浣狻５?，門捷列夫的元素周期表被廣泛接受是因為它展示了驚人的預(yù)測能力。

對于相對原子質(zhì)量不準(zhǔn)的問題，門捷列夫通過對比元素性質(zhì)和相對原子質(zhì)量的大小，對一些元素的相對原子質(zhì)量進(jìn)行了大膽的修改，先后調(diào)整了17種元素的序列。如當(dāng)時認(rèn)為金的相對原子質(zhì)量為169.2，應(yīng)排在鋨198.6，銥196.7的前面，而門捷列夫認(rèn)為金應(yīng)排在這些元素后面。經(jīng)重新測定這些元素的相對原子質(zhì)量分別為：鋨190.9，銥193.1，鉑195.2，金197.2。事實證明了門捷列夫是正確的。

1871年，門捷列夫發(fā)表論文《元素的自然體系和運用它指明某些元素的性質(zhì)》，其中提到“類鋁”，認(rèn)為這個在周期表中鋁元素下面、鋅元素后面的未知元素性質(zhì)與鋁元素相近，相對原子質(zhì)量約為68，比重在5.9～6.0g/cm3，熔點低，以后大概會用分光鏡把它找到。

到了1875年，法國化學(xué)家布瓦博德朗從閃鋅礦中提取出一種物質(zhì)，在分光鏡中觀察，見到了兩條從未見到過的紫色譜線，從而確定這必然屬于一種新元素，他將其命名為鎵。布瓦博德朗從數(shù)百千克的礦石中才提取出3.4毫克的珍貴的金屬鎵，它銀白發(fā)藍(lán)，放在手心里就會熔化成液體。1876年，布瓦博德朗公布了他所測得的有關(guān)鎵的一些重要性質(zhì)。不久之后他收到了門捷列夫的一封信，指出鎵的比重不應(yīng)該是4.7g/cm3，而應(yīng)在5.9～6.0g/cm3之間。這令布瓦博德朗大惑不解：門捷列夫根本接觸不到鎵，怎么能那么肯定呢？不過，布瓦博德朗還是重新提純了鎵，然后再測比重，結(jié)果果然是5.94g/cm3。

這件事很快轟動了科學(xué)界，人們無不嘆服門捷列夫周期律的偉大意義和他的遠(yuǎn)見卓識。在化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)史上，鎵是第一個先根據(jù)元素周期律預(yù)言，后在實驗中被發(fā)現(xiàn)證實的化學(xué)元素。1879年發(fā)現(xiàn)的鈧和1886年發(fā)現(xiàn)的鍺，就是門捷列夫1871年論文中所預(yù)言的“類硼”和“類硅”。從此，在搜尋新元素的過程中，意外性、偶然性和盲目性的枷鎖已被打破，人們可以在元素周期律的指引下進(jìn)行研究了。

為“元素之家”增磚添瓦

在元素周期律的指引下，在門捷列夫元素周期表的基礎(chǔ)上，一代又一代的科學(xué)家不斷為這座“元素之家”填充、擴(kuò)容和修整，現(xiàn)在我們看到的元素周期表已與150年前門捷列夫腦海中出現(xiàn)的周期表大不相同。人們提出的周期表類型至少有上百種，有短的、有長的、有螺旋線形和圓形的，還有立體的。當(dāng)前應(yīng)用最多的是維爾納長式周期表，列表大體呈長方形，橫分7行，代表7個周期，豎分18列，代表16個族，而鑭系元素和錒系元素放在下面，以避免表格形式拉得太長。

1868年8月，科學(xué)家在觀測日全食時，意外地在太陽光的譜線中發(fā)現(xiàn)一條不知來源的黃線，這條黃線不屬于當(dāng)時已知的任何元素。人們將其命名為氦，意為“太陽的元素”。這是有史以來第一次發(fā)現(xiàn)地球以外的元素，它的性質(zhì)無從得知，而且在很長一段時間中，人們都認(rèn)為氦只存在于太陽上。所以，在門捷列夫的周期表中，是沒有氦的位置的。

1894年，英國化學(xué)家萊姆塞和瑞利從空氣中發(fā)現(xiàn)一種“懶惰的”氣體元素—氬。1895年，萊姆塞又把瀝青鈾礦中分離出的一種此前被人們忽視的氣體鑒定為氦氣，從而在地球上發(fā)現(xiàn)了氦元素。除了氬以外，氦和其他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的任何氣體元素性質(zhì)都截然不同。萊姆塞對門捷列夫的周期率有深刻的理解。在周期表中按照相對原子質(zhì)量的大小，氦應(yīng)該排在氫和鋰之間，但卻沒有這么一族。而且，從氫到鋰，特別是從氟到鈉、從氯到鉀這幾對相鄰元素之間性質(zhì)差別如此劇烈，而且都是第七族后發(fā)生這個突躍。因此，萊姆塞相信這里一定有一個以氦為首的惰性氣體的新家族存在，他還預(yù)言其中的兩個元素相對原子質(zhì)量為82和129。1898年，萊姆賽等人一鼓作氣發(fā)現(xiàn)了氪、氖、氙。這樣，五個惰性氣體便形成了周期表中的一個完整新族—零族。

同樣是在1898年，居里夫婦相繼發(fā)現(xiàn)了釙和鐳，并開辟了利用放射性尋找新元素的途徑。1898年堪稱化學(xué)史上的“豐收年”，是發(fā)現(xiàn)元素最多的一年。

原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展，使元素周期律獲得新意義。1913年，英國物理學(xué)家莫塞萊測定了每個元素的核電荷數(shù)，得出周期表中元素排列的順序不是以相對原子質(zhì)量而是以核電荷數(shù)為依據(jù)的。這樣周期表中鉀和氬、鈷和鎳、碲和碘排序倒置的長期困擾就迎刃而解了。

1916年，德國的柯爾塞把核電荷數(shù)稱為原子序數(shù)，放進(jìn)周期表。

1925 年，元素的周期性規(guī)律終于隨著量子力學(xué)的發(fā)展而得到了很好的解釋。原來，元素性質(zhì)的周期性是原子核外各層電子的排布狀況所決定的。也就是說，一個元素的化學(xué)性質(zhì)取決于其原子最外層的電子數(shù)，而周期表上位于同一列的元素，都有著相同的最外層電子數(shù)，所以性質(zhì)相近。還是在這一年，最后一個天然元素—75號元素錸被發(fā)現(xiàn)。為什么說是最后一個天然元素？因為人們計算過，一些元素可能沒有穩(wěn)定的同位素（具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)的同一元素的不同核素互為同位素），即使該元素曾存在過的話，大概已經(jīng)蛻變完了，在地球上“絕種”了。

所以，在此之后人類便走上了人工合成元素的漫漫長路。人工合成的第一個元素是43號元素锝，1937年由塞格瑞、佩里厄在回旋加速器上用中子和氘轟擊鉬而得。锝與錸同屬錳族，是門捷列夫所預(yù)測的“類錳”。直到1947年，美國核物理學(xué)家馬林斯基從人工鈾裂變產(chǎn)物中以及用中子轟擊釹時，找到了61號元素钷，周期表中92號鈾元素之前的空位才全部填補(bǔ)上。

值得一提的是，自從核物理學(xué)家實現(xiàn)了人工放射、人造元素以及核裂變反應(yīng)后，人們對元素蛻變規(guī)律和核穩(wěn)定性有了更深刻的了解，于是便再度到自然界中去探尋“絕種”元素，這種嘗試也取得了一些成果，比如在鈾天然放射系中找到了87號元素鈁。但是，即便是鈁最穩(wěn)定的同位素，半衰期也不過22分鐘，所以在自然界中極難找到它。

元素周期表會有終結(jié)的那一天嗎

20世紀(jì)30年代，元素周期表中最后一個元素是鈾。著名物理學(xué)家費米認(rèn)為，鈾不是元素周期表的終點，而存在原子序數(shù)大于92的超鈾元素。1934年實現(xiàn)人工放射以后，費米和他的同事就用中子去轟擊各種元素。他推測用中子轟擊鈾和接近鈾的幾個元素，應(yīng)該得到比鈾的原子序數(shù)更高的新元素。終于在1940年，美國核物理學(xué)家麥克米倫利用中子照射氧化鈾薄片，人工合成了第一個超鈾元素—93號元素镎。緊接著美國核化學(xué)家西博格又發(fā)現(xiàn)了第94號元素钚，從此開始了人工合成超鈾元素的新時代。

西博格的貢獻(xiàn)還在于，創(chuàng)新了現(xiàn)代元素周期表體系。他比較了新合成的镎和钚，認(rèn)為它們與鈾的性質(zhì)相似，同時又與稀土元素中釤相似。他提出建立與鑭系元素相同的錒系元素，并預(yù)言了錒系元素的化學(xué)性質(zhì)和在周期表中的位置，從而形成現(xiàn)在的118格的元素周期表。

隨著2015年12月30日國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）正式確認(rèn)4種人造元素：2004年發(fā)現(xiàn)的113號元素Nh、2003年發(fā)現(xiàn)的115號元素Mc、2010年發(fā)現(xiàn)的117號元素Ts和2006年發(fā)現(xiàn)的118號元素Og，元素周期表中第七周期被全部填滿。這也意味著，現(xiàn)有元素周期表中的118格全部被填滿了。

此時，令人著迷又困擾的問題就產(chǎn)生了：元素周期表還會擴(kuò)充嗎？元素的發(fā)現(xiàn)究竟有沒有盡頭？

現(xiàn)在，科學(xué)家們一方面在試圖發(fā)現(xiàn)119號和120號元素，一方面也在思索著這個問題。

一種普遍觀點認(rèn)為，周期表不是無限的，雖然現(xiàn)在還不能預(yù)測其極限在哪里。原因在于，原子核的穩(wěn)定性取決于核內(nèi)質(zhì)子與中子之間相互吸引的核力和質(zhì)子之間的靜電排斥力兩者的抗衡。目前所有的計算結(jié)果都表明，擁有超過特定數(shù)目質(zhì)子的原子核是無法形成的，因為它們都太不穩(wěn)定，僅能存在極短的時間。無論是118個這種情況，還是有些模型得出的137個，或者是173個，總之，當(dāng)質(zhì)子數(shù)大到一定程度的時候，即使在某些極端的環(huán)境中可以生成，但半衰期短到幾乎無法用儀器探測到，那么也就失去了元素存在的意義。

不過，這并不意味著元素周期表不會再擴(kuò)充。如果未來發(fā)現(xiàn)第119號和120號元素，它們將另起一行，展開全新的第八周期。按理論計算，第八周期應(yīng)該有50種元素，其中7種主族元素，1種惰性元素，10種副族元素或過渡元素，還有32種超錒系元素（將列在周期表錒系的下方）。

那么，什么是穩(wěn)定島呢？早在20世紀(jì)60年代，理論物理學(xué)家把當(dāng)時所有元素的同位素，以其質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)N為坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，并按原子核的穩(wěn)定性高低用山峰、海洋等地形來標(biāo)注，就發(fā)現(xiàn)一個明顯的趨勢，或者說是一種規(guī)律，即穩(wěn)定的原子核都集中在一條狹長的地帶上，稱為β穩(wěn)定半島，周圍茫茫的大海則是具有β放射性的極不穩(wěn)定的核所處的區(qū)域。而具有α放射性的重核則居于半島東北端的海洋里。科學(xué)家推斷，在β穩(wěn)定半島的東北方，越過那片不穩(wěn)定海洋，應(yīng)該存在一個超重核穩(wěn)定島。

114號元素之后，126號元素是不是會成為更遠(yuǎn)處的一個穩(wěn)定島呢？如果在不穩(wěn)定的海洋中，每隔一段距離就會出現(xiàn)一個穩(wěn)定島，那是否可以說元素周期表并沒有終點呢？這是一些科學(xué)家所持的觀點。

檢驗理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)是實踐。盡管新元素會越來越難以發(fā)現(xiàn)和生成，但科學(xué)家仍然不會放棄努力。如果說超鈾元素的發(fā)現(xiàn)令周期表進(jìn)入一個新時期，那么創(chuàng)造118號之后的元素將開啟周期表的又一個全新的時期。

也許，未來終有元素周期表終結(jié)的一天，但那必將是科學(xué)理論“大爆發(fā)”的一天。

你所不知道的門捷列夫

門捷列夫在圣彼得堡師范學(xué)院讀書時，曾因幾門學(xué)科不及格而重讀一年，原因是他不喜歡拉丁語和宗教課。

門捷列夫親手制作的箱包質(zhì)量上乘，在當(dāng)時廣受歡迎，這得益于他對黏合劑的獨到運用。

門捷列夫是一名北極探險家。他把大量的時間和精力用于造船，參與制造了世界第一艘北極破冰船。

門捷列夫還熱衷浮空器的研發(fā)和制作，1887年他只身乘著它上升到3000米高空，研究高層大氣并觀測日全食。法國氣象學(xué)院為此頒給他一枚獎?wù)隆?/p>

門捷列夫是石油無機(jī)成因假說的首創(chuàng)者。作為石油專家，他第一個發(fā)明了瀝青現(xiàn)代運輸工具以及通過管道運送石油產(chǎn)品。

門捷列夫曾經(jīng)獲得3次諾貝爾獎提名，但最終未能得獎。一說是他得罪過諾貝爾家族，一說是瑞典人阿倫尼烏斯從中作梗，因為門捷列夫過去曾經(jīng)批評過阿倫尼烏斯的電離理論。

門捷列夫1907年1月20日因心臟病突發(fā)在書桌前與世長辭，遺稿就有400多篇，其中既有化學(xué)方面的，也有物理、地球物理、工業(yè)技術(shù)方面的，還有社會和經(jīng)濟(jì)問題著作。

101號元素被命名為mendelevium（鍆）以銘記他的貢獻(xiàn)。月球上有一座門捷列夫環(huán)形山。