元素周期表新玩法

丹丘生

雖然我們已經(jīng)用慣了元素周期表，但表上所有元素是否都已排在正確的位置上，這不是沒(méi)有爭(zhēng)議的。

用手指敲鋼琴的白色琴鍵，隨著你的手指向右移動(dòng)，每一個(gè)音符聽(tīng)起來(lái)都不同，“哆-來(lái)-咪-發(fā)-梭-拉-西”。但是，當(dāng)你敲到第八個(gè)鍵時(shí)，聽(tīng)起來(lái)又跟第一個(gè)“哆”一樣了，只是調(diào)子提高了一些而已。

在150年前，我們開(kāi)始意識(shí)到化學(xué)元素也發(fā)生了類似的事情?？茖W(xué)家甚至戲稱之為“八音律”。其實(shí)最早發(fā)現(xiàn)這一“八音律”的還不是門捷列夫，而是英國(guó)化學(xué)家約翰·紐蘭茲。1865年，紐蘭茲將當(dāng)時(shí)已知的61種元素按原子量的遞增順序排列，發(fā)現(xiàn)每隔7種元素便出現(xiàn)性質(zhì)相似的元素，如同音樂(lè)中的音階一樣?？上倪@一發(fā)現(xiàn)未被時(shí)人重視。當(dāng)他說(shuō)給同行聽(tīng)時(shí)，他們都譏嘲他：“你怎么不按照元素名稱的首字母來(lái)排列呢？”

正是元素性質(zhì)的這種重復(fù)，被后來(lái)的周期表漂亮地體現(xiàn)出來(lái)。在周期表上，性質(zhì)相似的元素排在同一列。第一列除了氫元素以外，其余皆是活潑金屬，其中一些遇水就會(huì)劇烈反應(yīng);周期表的最后一列，則是幾乎不與任何物質(zhì)反應(yīng)的惰性氣體元素，如氬、氖等。

但是，人們對(duì)周期表上的所有元素是否都已排在最合適的位置，不是沒(méi)有疑問(wèn)的。正如音符可以以各種方式排列產(chǎn)生音樂(lè)一樣，元素之間的關(guān)系也可以用不同的方式來(lái)描述。判斷哪一種更好，哪一種更真實(shí)，有時(shí)并非一件容易的事情。因此，對(duì)于當(dāng)前周期表中某些元素排列，至今仍爭(zhēng)議不斷;一些化學(xué)家甚至主張用更激進(jìn)的方法重新設(shè)計(jì)元素周期表。

關(guān)于當(dāng)前元素周期表的爭(zhēng)議

門捷列夫最初發(fā)明的周期表中，元素是按原子量大小來(lái)排列的。現(xiàn)在，我們則是根據(jù)原子核中質(zhì)子的數(shù)量來(lái)排列的。因?yàn)槲覀兒髞?lái)知道，元素的性質(zhì)很大程度上是由核外電子的排布決定的，這些電子以電子層的形式圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。

最輕的元素氫只有一個(gè)電子層，最多可容納兩個(gè)電子。較重的元素有更多的電子層，可以容納更多的電子。迄今所有的元素，電子層最多可達(dá)7層，分別用1、2、3、4、5、6、7來(lái)表示。每個(gè)電子層又最多分為4個(gè)電子亞層（在同一電子層中電子能量還有微小的差異，電子運(yùn)動(dòng)的軌道也略有不同，根據(jù)這些差別把一個(gè)電子層分為一個(gè)或幾個(gè)電子亞層），分別用s、p、d、f來(lái)標(biāo)記。一個(gè)元素的電子排布，就是標(biāo)出它有哪些電子層和電子亞層，并在亞層符號(hào)右上角用數(shù)字標(biāo)出各亞層上的電子數(shù)。如鈉原子的電子排布1s2 2s2 2p6 3s1 ，其含義是：鈉原子有3個(gè)電子層，第一電子層只有s亞層，且只有1個(gè)電子;第二電子層有s、p兩個(gè)亞層，s亞層有2個(gè)電子，p亞層有6個(gè)電子;第三電子層只有s亞層，只有1個(gè)電子。

根據(jù)最后一個(gè)電子所處亞層是s、p、d、f中的哪一個(gè)，周期表又分成4個(gè)區(qū)，分別為s區(qū)、p區(qū)、d區(qū)、f區(qū)。大多數(shù)周期表將組成f區(qū)的元素單獨(dú)分離出來(lái)，組成鑭系和錒系，放在總表的下方。

盡管這種做法已被大家普遍接受，但關(guān)于f區(qū)元素該包含哪些元素仍存在爭(zhēng)議。目前的周期表中，鑭元素和錒元素位于獨(dú)立出來(lái)的f區(qū)（即鑭系和錒系）的最左端，后面的镥（Lu）元素和鐒（Lr）元素則在總表上，不在鑭系、錒系之列。這樣做的根據(jù)是，鑭和錒原子最后一個(gè)電子落在f亞層，而镥和鐒原子最后一個(gè)電子落在s亞層。

但是一些人指出，根據(jù)元素原子半徑和熔點(diǎn)等化學(xué)性質(zhì)，镥和鐒似乎也跟鑭系和錒系元素十分相近，所以應(yīng)該把它們也包含進(jìn)來(lái)。這個(gè)建議已經(jīng)被部分近年來(lái)出版的周期表采用。2016年，國(guó)際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)成立了一個(gè)工作組來(lái)解決這一爭(zhēng)論，但至今還沒(méi)有做出決定。

重新設(shè)計(jì)元素周期表

這些爭(zhēng)論盡管瑣碎，但已經(jīng)讓一些化學(xué)家相信，我們需要重新繪制元素周期表，而且這方面迄今也不缺乏點(diǎn)子。目前已有數(shù)百個(gè)版本的元素周期表。

為了更好地體現(xiàn)當(dāng)前周期表元素的連續(xù)性，加拿大化學(xué)家費(fèi)爾南多·杜福爾開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維周期表系統(tǒng)。它看起來(lái)像一棵圣誕樹(shù)，元素從樹(shù)干出發(fā)，形成一個(gè)個(gè)圓圈，圈越大，越接近底部。德國(guó)化學(xué)家西奧多·本菲開(kāi)發(fā)的螺旋形周期表，則像一只手套，允許f區(qū)元素像指頭一樣向外凸出。美國(guó)加州大學(xué)恩里克·斯克利則將當(dāng)前獨(dú)立出來(lái)的鑭系和錒系元素都放進(jìn)總表中，這樣一來(lái)，總表就不只是有18列，而是有32列了，這樣可以保證原子序數(shù)不間斷。

在很多人看來(lái)，重新設(shè)計(jì)周期表似乎是不切實(shí)際的，因?yàn)榫退惝?dāng)前的周期表存在缺陷，也還不至于需要推倒重來(lái)的地步。不過(guò)，隨著發(fā)現(xiàn)的元素越來(lái)越多，這很可能會(huì)成為一個(gè)緊迫的任務(wù)。

超重元素可能不符合

元素周期律

過(guò)去數(shù)十年，經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家的努力，我們已經(jīng)將周期表拓展到了第118號(hào)。從第93號(hào)元素镎開(kāi)始，都是人工合成的放射性元素。它們極不穩(wěn)定，存在時(shí)間不到1秒，它們雖然被填在周期表上，但其實(shí)我們對(duì)它們的化學(xué)性質(zhì)一無(wú)所知。

但是原子核理論預(yù)言，質(zhì)子數(shù)為114、中子數(shù)為184的原子核具有較高的穩(wěn)定性（我們雖已制造出114號(hào)元素，但可惜制造的原子核中子數(shù)還不是184，所以依然極不穩(wěn)定），圍繞它可能存在著“穩(wěn)定島”，“島”上的原子核也具有較高的穩(wěn)定性，使我們有可能檢驗(yàn)其化學(xué)性質(zhì)。這些原子核被稱為超重核。原子核為超重核的元素稱為超重元素。

有跡象表明，超重元素的化學(xué)性質(zhì)可能不符合元素的周期律。這樣一來(lái)，你就不得不懷疑現(xiàn)在使用的元素周期表對(duì)它們是否還有效了。

計(jì)算表明，我們已制造的某些超重元素，很可能表現(xiàn)得像惰性氣體元素，盡管它們?cè)谥芷诒砩吓c惰性氣體元素不在同一列。這些計(jì)算基于愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論的一個(gè)推論是，物體運(yùn)動(dòng)速度越快，質(zhì)量越大。對(duì)于較輕的元素，這個(gè)效應(yīng)可以忽略不計(jì)。但對(duì)于超重元素，這個(gè)效應(yīng)就顯得很重要了，因?yàn)樗鼈兊脑雍藫碛懈嗟恼姾桑瑢?duì)核外電子的吸引力更強(qiáng)，這意味著電子繞核轉(zhuǎn)得更快，因此質(zhì)量也變得更大了。反過(guò)來(lái)，電子的質(zhì)量變大了，意味著它們的軌道比我們預(yù)期（不考慮相對(duì)論效應(yīng)）的要更靠近原子核，從而改變了原子的化學(xué)性質(zhì)。

所以，如果發(fā)現(xiàn)了超重元素，在周期表中該放在哪里，周期表怎樣設(shè)計(jì)才能更好地體現(xiàn)它的屬性，對(duì)于不同版本的元素周期表，將是一個(gè)“優(yōu)勝劣汰”的選擇。