元素周期表發(fā)現(xiàn)簡介

1、元素周期表的發(fā)展作者： （蘭州城市學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）摘要：本文通過討論元素周期表的發(fā)展歷史，介紹了隨著科學(xué)的發(fā)展及認(rèn)識的不斷深化人們研制出許多種類型的元素周期表 ，通過對元素周期表進(jìn)行了詳細(xì)的解讀，讓人們更好的了解化學(xué)這門學(xué)科的發(fā)展歷史。關(guān)鍵詞：元素周期表；門捷列夫，元素 元素周期表的發(fā)展史含有豐富的化學(xué)史資源，“化學(xué)史是了解化學(xué)史上重大事件和重要人物，以及重要化學(xué)概念的形成、法則和原理的提出、化學(xué)理論的建立的重要途徑”1。本文就通過講述元素周期表的幾個發(fā)展階段介紹了有關(guān)元素周期表的內(nèi)容。元素周期表是元素周期律的具體表現(xiàn)形式，隨著科學(xué)的發(fā)展及認(rèn)識的不斷深化人們

2、研制出許多種類型的元素周期表，使其進(jìn)一步趨于合理化和科學(xué)化。1 元素周期表的歷史發(fā)展 1661年波義再提出元素的科學(xué)概念，化學(xué)確立為一門科學(xué)。隨著采礦，冶金，化工等工業(yè)的發(fā)展，人們對元素的認(rèn)識也逐漸豐富起來，到了十九世紀(jì)后半葉，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了六十余種元素，這是為找尋元素問的規(guī)律提供了條件。1869年，俄國化學(xué)家捷列夫在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)著名的化學(xué)元素周期律，這是自然界中重要的規(guī)律之一。有了周期律，人們對元索性質(zhì)變化的內(nèi)在規(guī)律性有了比較系統(tǒng)的認(rèn)識。門捷列夫根據(jù)他發(fā)現(xiàn)的元素周期律，把元素按原子量的大小排列起來；構(gòu)成圖表的形式，這就是第一比重元素周期表。門捷列夫還根據(jù)元素周期律正確的修改了鈹，銦等

3、七種元素的原子量，并預(yù)言了當(dāng)時尚未發(fā)現(xiàn)的原子量為44(Sc )，68(Ga )和72 (G )等元素的存在和性質(zhì)。1875至1886年之間，科學(xué)家在自然界發(fā)現(xiàn)了這3種素。這無疑使門捷列夫成名垂青史的化學(xué)家。值得一提的是，德國化學(xué)家Meyer于1870年也獨立作出了 幾乎相同于門捷列夫周期律的觀點的結(jié)論。從19世紀(jì)末20世紀(jì)初人們又發(fā)現(xiàn)了許多新元素，于是對門捷列夫周期表進(jìn)行了一定的調(diào)整，最明顯的是增加了一個豎行(族)，即稀有氣體，并以鑭系元素系列取代了Ba和之間的一種元素2O世紀(jì)初元素總數(shù)已增85，在之后的25年中，又發(fā)現(xiàn)了鈾等超重元素。后來，核裂變反應(yīng)的實現(xiàn)導(dǎo)致了更多的超元素的發(fā)現(xiàn)。19641

4、968年，蘇聯(lián)科學(xué)家首先合成了104號和105號元素，并在此基礎(chǔ)上2，合在了106號元素。20世紀(jì)80年代初，德國人合成了107，108，109等3種元素。1994年，德國研究中心首次合成1l0號元素，1個月之后，蘇聯(lián)和美國的科學(xué)家一道合成了110號元素的原子量為273的同位素。通過對110號元素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其性質(zhì)與Ni，Pd，Pt相似，這有力地證明了目前元素周期表排列的科學(xué)家。1996年德國GSI實驗室合成并確證了111和112號元素。上述新元素的合成都得益于元素周期表，又豐富和發(fā)展了元素周期表。2.1、元素周期表的演化2.1.1尚古多的“螺旋圖”1862年，法國礦物學(xué)教授尚古多創(chuàng)作了“螺

5、旋圖”。元素按原子量的大小圍繞著圓柱體進(jìn)行排布，讓性質(zhì)相似的元素排布在同一條垂線上，如LiNaK、ClBrI等，由此提出元素的性質(zhì)有周期性變化的規(guī)律。由于原子量差值為16的元素之間的性質(zhì)并非都類似，而且原子量的數(shù)值也不準(zhǔn)確，導(dǎo)致性質(zhì)不同的S和Ti，K和Mn排到了同一條垂線，但是這種尋找周期律的思路為大家提供了借鑒。1864年，三位化學(xué)家陸續(xù)發(fā)表了研究成果，有歐德林、邁耶爾和紐蘭茲。元素依據(jù)原子量大小依次排布，由于參考了不同的變量，周期表風(fēng)格迥異，各具特色。2.1.2歐德林的“原子量和元素符號表”英國化學(xué)家歐德林制作了“原子量和元素符號表”。元素依據(jù)原子量大小進(jìn)行豎排，同時參考元素的性質(zhì)，出現(xiàn)了

6、較完整的族的排列。歐德林意識到“無疑，在表中所出現(xiàn)的某種算術(shù)上的關(guān)系可能純屬偶然，但總起來說，這種關(guān)系在很多方面清楚地表明，它可能依賴于某一迄今尚不知道的規(guī)律3?！庇捎趯υ匦再|(zhì)研究的欠缺和過渡元素的干擾，導(dǎo)致IA、IIA的元素未能形成完整的族，如果依據(jù)元素性質(zhì)的遞變規(guī)律把Li、Na、Be、Mg的位置下調(diào)，就會得到較完整的族的排列，而且不影響其他元的排布。2.1.3邁耶爾的“六元素表” 德國化學(xué)家邁耶爾發(fā)表了“六元素表”。依據(jù)原子量的大小、相鄰元素原子量差值的大小以及元素的化合價，對元素進(jìn)行橫排，讓化合價相同性質(zhì)相似的元素處于同一列。他發(fā)現(xiàn)：“在相對原子質(zhì)量的數(shù)值上具有一種規(guī)律，這是無疑的。4

7、” 依據(jù)原子量差值的近似性和元素性質(zhì)的差異，把主族元素排列在一起，沒有了過渡元素的干擾，主副分明，避免了歐德林的周期表中主副族元素雜亂的排列方式，缺點是忽略了主副族元素在原子量上遞增的特點。表格的一個重要應(yīng)用是可以推導(dǎo)未知元素的原子量，如依據(jù)原子量差值的變化規(guī)律推導(dǎo)出鍺(Ge)的原子量約為7305，與現(xiàn)代數(shù)值7261很接近。表中有了較完整的族的排列，但是未出現(xiàn)IIIA的元素，不然該稱作“七元素表”了。同一周期的元素出現(xiàn)了交錯，調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)第2、4、5周期元素原子量的差值合理，但是第3周期元素原子量的差值較大，這可能就是邁耶爾進(jìn)行交錯排布的原因，而問題的根本是第4周期出現(xiàn)了過渡元素，使同周期主族

8、元素的原子量差值較大，說明這種運(yùn)用局部特征進(jìn)行的排布不完全合理。2.1.4紐蘭茲的“八音律表”英國化學(xué)家紐蘭茲編排出“八音律表”。元素按原子量大小編號后進(jìn)行豎排，發(fā)現(xiàn)第1個元素與第8個元素性質(zhì)相似，類似于八度音程，因此稱為八音律”。 2.1.5門捷列夫的第一個周期律圖表1869年，俄國化學(xué)教授門捷列夫發(fā)表了第一個周期律圖表。依據(jù)原子量的遞增把元素縱向排布，讓性質(zhì)相似的元素橫向排布，主副族元素出現(xiàn)了明顯的區(qū)域劃分。門捷列夫的重要貢獻(xiàn)是闡述元素周期律的論點；元素性質(zhì)的周期性；依據(jù)原子量的變化規(guī)律預(yù)測未知元素的原子量；通過同類元素的原子量修正某元素的原子量。2.2周期表的修改階段2.2.1邁耶爾的“

9、化學(xué)元素周期系”1870年，邁耶爾重新發(fā)表了一個周期表，依據(jù)原子量的大小進(jìn)行縱排，使副族元素單獨成列，突出主族元素，為了避免因為主副族的交叉出現(xiàn)減弱性質(zhì)相似元素的遞變規(guī)律，又創(chuàng)造性地把元素進(jìn)行橫向錯層排布，保證同族元素的完整性，并為副族的設(shè)計提供了思路。將邁耶爾的周期表與他的“六元素表”進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)六年時間內(nèi)增加了很多新元素而且原子量更加精確，排布方式由橫排變?yōu)樨Q排，使主副族元素得以連續(xù)的排布，并設(shè)計成錯層排布避免相互干擾，這一點比風(fēng)格類似的紐蘭茲的周期表更科學(xué)，與門捷列夫的周期表進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)兩者都是豎排，邁耶爾把IIA、IIIA、IvA的元素都調(diào)整到合適的位置，雖然也為未知元素預(yù)留了空間

10、，但門捷列夫卻進(jìn)一步預(yù)測了未知元素的原子量，而且增加了更多的元素。殊途未能同歸，有其深層次的原因：“JL邁耶爾對元素性質(zhì)的研究比較偏重于物理方面，并更加注意相似元素周期性出現(xiàn)的情況。而門捷列夫的研究更著重于元素的化學(xué)性質(zhì)，并更多地著眼于元素隨原子量增加其性質(zhì)發(fā)生遞變的情況以及這種情況周期性出現(xiàn)的事實?！?2.2.2門捷列夫的化學(xué)元素周期表1871年，門捷列夫發(fā)表了第二張周期表。依據(jù)原子量大小進(jìn)行橫排，使同族元素處于同一列，添加新的排布依據(jù)，如元素最高價的氧化物、最低價的氫化物、族和周期。他提出了周期的概念并解釋了元素周期律：“元素(以及由元素所形成的單質(zhì)或化合物)的性質(zhì)周期地隨著他們的原子量而

11、改變”3，運(yùn)用元素周期律預(yù)言了“類硅”(1886年被德國化學(xué)家文克勒發(fā)現(xiàn)，命名為“鍺”)和“類碲”(1898年被瑪麗·居里發(fā)現(xiàn))，其性質(zhì)與預(yù)測的幾乎完全一致，證明了周期律的正確。將門捷列夫的周期表與他的第一張周期表進(jìn)行對照，排布方式由豎排變成橫排，參考的因素更多，不僅依據(jù)原子量這一個因素，這樣對元素的定期律，預(yù)留了更多的空位給未知元素，調(diào)整了約13種元素的原子量，完善了IIA、IIIA、IVA的元素，相比第一張周期表中主副族元素較好的區(qū)域劃分，新表顯得雜亂。與邁耶爾的周期表對照，兩者排布方式不同，門捷列夫的周期表引入了周期的概念，為了讓性質(zhì)相似的元素處于同一列，同時避免副族元素的干擾

12、，出現(xiàn)了主副族元素交叉排布的情況，有些雜亂，而邁耶爾通過錯層處理，使主副族元素有了較好的區(qū)分。解決的辦法就是將周期表延長，讓交叉排布的元素恢復(fù)為同一個周期，但是鋇(Ba)與鉈(T1)之間過多的元素影響了鉈之后元素的位置，而問題的解決也正是后來設(shè)計“鑭系”的精妙之處。2.3周期表的完善階段2.3.1維爾納的長式化學(xué)元素周期表1905年，瑞士化學(xué)家維爾納編輯出長式化學(xué)元素周期表。依據(jù)原子量大小同時參考元素的性質(zhì)橫排，主副族元素位置清晰，互不干擾，查閱起來非常方便，是當(dāng)時最有實用意義的周期表。周期表中元素的數(shù)量更加豐富，補(bǔ)充了大量的放射性元素和惰性氣體元素，但是IIA的元素仍未能形成完整的序列，如果

13、把鈹(Be)和鎂(Mg)的位置復(fù)原，并參考后來引入的“鑭系”和“錒系”的概念，把“長式”周期表縮短，出現(xiàn)了現(xiàn)代周期表的模樣。遺憾的是周期表排布的依據(jù)仍然是原子量的大小，人們期待著揭開周期律的實質(zhì)。2.3.2柯塞爾的原子序數(shù)周期表原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展推動著科學(xué)家對周期律的深入研究，英國物理學(xué)家莫斯萊應(yīng)用x射線研究，在1913年，揭開了原子序數(shù)是原子核電荷數(shù)的本質(zhì)，并重新定義了周期律“化學(xué)元素的性質(zhì)是他們原子序數(shù)的周期性函數(shù)”6。1916年，德國化學(xué)家柯塞爾在周期表中用原子序數(shù)代替了相對原子質(zhì)量，制作了周期表，元素依據(jù)原子序數(shù)的大小橫排。與門捷列夫的1871年的周期表進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)該周期表僅是在門捷

14、列夫的周期表的基礎(chǔ)上，把原子量換成了原子序數(shù)，排布并沒有新意，也不如維爾納的周期表應(yīng)用廣泛，如果將兩者科學(xué)地結(jié)合在一起，就是我們現(xiàn)在使用最廣泛的元素周期表?，F(xiàn)在我們已經(jīng)知道元素在周期表中的排布，依據(jù)的是原子的電子層排布，而元素性質(zhì)的周期性也根源于原子電子層排布的周期性變化。3 元素周期表中元素及其化合物性質(zhì)的變化八規(guī)律3.1電子層結(jié)構(gòu)變化規(guī)律同一主族元素。從上到下隨著原子序數(shù)的遞增電子層數(shù)逐漸增多，但最外層電子數(shù)相同。 同一周期的主族元素(除第一周期外)從左到右隨著原子序數(shù)的遞增，最外層電子數(shù)由1個逐漸增加到7個，最后惰情氣體元素的最外層為8個電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。3.2 原子半徑變化規(guī)律 同一主族

15、元素，從上到下隨著電子層數(shù)增加，原子半徑逐漸變大。 同一周期的主族元素，從左到右隨著核電荷數(shù)的遞增，原子半徑逐漸變小。3.3離子半徑的變化規(guī)律同一主族元素，從上到下隨著電子層數(shù)增加，離子半徑逐漸增大。同一周期的主族元素，從左到右金屬陽離子半徑逐漸減小，非金屬的陽離于半徑也逐漸減小。3.4 化合價的變化規(guī)律同一主族元素的最高正化合價相同，并且等于族序數(shù)(除電負(fù)性較大的氟與氧以外)。同一周期的主族元素，從左到右最高正化合價逐漸升高，由十二價逐漸升高到+ 7價，第，族起出現(xiàn)負(fù)化合價，其負(fù)化合價價由一4逐漸變到一1價3.5金屬和非金屬的變化規(guī)律同一主族元素，從上到下金屬性逐漸增強(qiáng)，非金屬性逐漸減弱。同一周期的主族元素，從左到右隨著原子序數(shù)的遞增，金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)。3.6最高氧化物的水化物酸，堿性變化規(guī)律同一主族元素，從上到下其最高氧化物的水化物酸性逐漸減弱，堿性逐漸增強(qiáng)同一周期的主族元素，從左到右隨著原子序數(shù)遞增，其最高氧化物的水化物的堿性逐漸減弱，酸性逐漸增強(qiáng)。3.7生成氣態(tài)氫化物難易的變化規(guī)律同一主族元素，從E N下隨著非金屬性逐漸減弱，生成氣態(tài)氫化物逐漸變難。同一周期的非金屬元素，從左到右隨著非金屬性逐漸增強(qiáng)，生成氣態(tài)氫化物逐漸變易。3.8氣態(tài)氫化物的性質(zhì)的變化規(guī)律同一族元素，從上到下生成