元素周期表诞生150周年啦,大自然的“密码本”会被无限续写吗?2019-04-14来源 : 信息快讯网
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元素周期表诞生150周年啦,大自然的“密码本”会被无限续写吗?-信息快讯网

人类对于化学元素的探寻,是一部充满努力、波折和误解的历史。自1869年俄国化学家门捷列夫发表第一张化学元素周期表至今,表格中预留的空缺不断被填补,但其背后深藏的物质规律始终闪耀着科学的光芒。

如今,几乎每个化学实验室的墙上都贴着一张元素周期表。化学元素周期律的建立,使化学研究不再局限于对大量个别的零散事实作无规律的罗列,同时也奠定了现代科学诸多领域的研究基础。

发明元素周期表的崇高荣誉应该归属何人?时至今日,元素周期表到底要不要重排?大量新元素的发现,尤其是104号至118号人工超重元素的合成,是否意味着元素周期表将被无限扩展?在元素周期表诞生150周年的今天,让我们一起来回顾和探讨这些有趣而深刻的问题。

站在巨人肩膀上的门捷列夫

门捷列夫并不是第一个创造元素周期表的科学家,相比其他人,他的天才在于,在表格中留出了空间,他意识到某些特定元素是缺失的,还有待被发现

1789年,法国化学家安托万·拉瓦锡出版了已知的33种化学元素(部分为单质和化合物)的列表,将元素分为气体、金属、非金属矿物和稀土四组,这应该是世界上第一张有关元素的分类表格。

1803年,英国化学家、物理学家约翰·道尔顿提出原子学说,他用相对比较的办法求取各元素的原子量,并发表第一张原子量表,引发科学界的轰动和对测定原子量工作的重视。没有可靠的相对原子质量,不可能有可靠的分子式,就不可能了解化学反应,也不可能有门捷列夫的周期表。

随后,尚古尔多、奥德林、迈耶尔、纽兰兹、欣里希斯等科学家都对化学元素周期表的问世打下了可贵的坚实基础,让门捷列夫摘取“发明元素周期表”的桂冠成为了可能。

门捷列夫生于1834年,10岁之前居住在西伯利亚,在一个流放者的指导下,他对化学知识产生了极大兴趣。1850年,他进入彼得堡师范学院学习,毕业后曾担任中学教师,后任彼得堡大学副教授。1867年,升任教授的门捷列夫为系统地讲好无机化学课程,着手著述一本化学教科书——《化学原理》。在编写过程中,他遇到了一个难题,就是该如何用一种合乎逻辑的方式,来组织和统一当时已知的63种元素。

门捷列夫想在学生面前展开一幅描写物质统一性和逻辑性的画面,指出宇宙万物构造的几条重要法则,可当时并没有这方面的规律。于是,他开始在迷宫一般的各类元素性质间,千方百计寻找着规律或统一性。

在前人绘制的元素表基础上,门捷列夫苦苦探寻元素的准确原子量和元素性质之间的关系及规律,最终取得突破性进展,完成了从感性认识到理性认知的飞跃。1868年《化学原理》一书的写作,成了他发明元素周期表的先声。他进行了  “在原子量和化学性质相似性基础上构筑元素体系的尝试”。1869年2月17日,门捷列夫发表了第一张元素周期表,明确地使用了“周期性”一词。在这张元素周期表中,周期是纵行,族是横行。

1871年12月,门捷列夫发表第二张元素周期表。在这张表中,他改竖排为横排,同一族元素处于同一竖行中,更突出了元素性质的周期性,这标志着化学元素周期律发现工作的完成。接着,他将此系统整理成了四篇论文。直至1906年,他又发表了五张元素周期表。

门捷列夫并不是第一个创造元素周期表的科学家,相比其他人,他的天才之处在于,在表格中留出了空间,他意识到某些特定元素是缺失的,还有待被发现。他指出,按着原子质量由小到大的顺序排列各种元素,在原子量跳跃过大的地方会有新元素被发现,因此周期律可以预言尚待发现的元素。同时,他还准确预测了缺失元素的性质。

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门捷列夫获得“发明元素周期表”的崇高荣誉不容怀疑。为纪念门捷列夫,第101号元素被命名为  “钔”(Md,第七周期,第ⅢB族元素)。

科学的最高境界应是哲学思想的体现。正如恩格斯所说:“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律,完成了科学史上的一个勋业,这个勋业可以和勒维耶计算出尚未知道的行星——海王星轨道的勋业,居于同等地位”。

元素周期表到底要不要重排

未来科学不会推翻元素周期表。原子结构的发现非但没有推翻门捷列夫元素周期表排列的科学性,反而发现它们竟是如此惊人的一致

在门捷列夫发明周期表时,稀有气体尚未被发现。1895年后,惰性稀有气体元素陆续被发现。门捷列夫尊重科学实践的发展,在1906年提出的元素周期表中,将它们安排在第I族的前面,定为零族。完整的新族形成了,完善了周期系,也构成了一个新的认识循环,使周期系理论得到了发展,新的发现和安排也没有跟元素周期律及周期表发生矛盾。

19世纪末至20世纪初,科学家们发现了电子、质子、中子和原子核。1911年,英国物理学家卢瑟福提出,原子的质量主要集中在原子核上(质子数和中子数合起来表现为原子量),原子核的电荷数等于元素的原子序数,这极大发展了门捷列夫的元素周期律,并将元素周期系理论放在了更正确、更科学的本质基础上。直到1921年,丹麦物理学家波尔等提出电子在原子核外排布的一些规则,建立了近代原子结构理论,再次发展了元素周期律。

量子化学研究的不断深入,解决了核外电子运动状态的描述和核外电子的排布问题,从而真正揭示了元素周期律的本质。元素性质的周期性变化是由于原子的电子层结构有周期性变化,这深刻而准确地反映了原子的微观结构,使周期律更加完善。

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可见,元素周期表的发展经历了许多考验。原子结构的发现非但没有推翻门捷列夫元素周期表排列的正确性,反而发现它们竟是如此惊人的一致——至今,新元素的发现都是符合原子物理规律的,并在人类预测的范围之内。

周期表对元素周期律实质的揭示和它本身所具有的包容性,尤其是对新元素不断发现和合成的指导性,一次次向世人证明,元素周期表不需要重排,未来科学也不会将它推翻。

人工合成元素会无限扩展周期表吗

化学元素周期表的形成和发展,是科学史上的一个重要里程碑,离不开一代代科学家们的卓越研究和不断完善,这些伟大的科学家是人类的文明之光

1940年以前,铀元素始终处于周期系的末端。人们在化学上用“超铀元素”泛指原子序数在92(铀)以上的重元素。l944年,美国核化学家西博格根据重元素的电子结构提出了锕系理论。这一理论使近代周期表趋于完整,也为后来逐一合成人工超铀元素指明了方向。

根据电子结构理论,人类相继合成了104号至118号超重元素,从而完善了元素周期表中的第七周期,不但为科学家在未来合成更重、更有实用价值的元素提供了可能,也使得近代周期表完善了“对称性占主导地位的形式美”。这是自然界物质运动内在美的体现,是自由创造美与自然科学美的结合。

继104号至118号元素被成功合成、并得到“国际纯粹与应用化学联合会”(IUPAC)的承认和命名之后,其中四个新元素的中文名字也于近期公布,原子序数分别为113[(金字旁一个尔),Nh]、115(镆,Mc)、117[(石字旁一个田),Ts]和118[(气字头一个奥),Og]。

稳定岛假说的提出,鼓舞着科学家们在自然界和人工合成两个领域去找寻新的超重元素,这是一个带有幻想式的大远景周期表。但科学探究告诉我们,元素周期表可能存在一个上限。这是因为,质子带正电,是强相互作用克服了质子间的库伦斥力,把质子和中子束缚在原子核内部。强相互作用是短程力,超过一定距离几乎就没有了。越重的元素越容易超过这个极限,这样元素就极不稳定。因此,元素不可能无限增加。

另外,还需要考虑重元素是否能被有效观测,如果重元素衰变太快以至于来不及观测,那就没法证明它的存在。

作者:王昊阳(中国科学院上海有机化学研究所副研究员)

编辑:沈湫莎

责任编辑:唐闻佳

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2019-04-24 06:46:02 1556059562