元素周期律的發現及元素周期表的建立和完善

2024年2月9日發(作者：僵硬的近義詞)

元素周期律的發現及元素周期表的建立和完善

元素周期律是指元素的性質隨著原子序數的遞增而呈周期性變化的規律。

元素周期律是自然科學特別是化學學科中的重要基礎理論之一。它的發現是自然科學中的一個重大成就，對化學以致整個自然科學的發展都起了很大的推動作用。元素周期律及元素周期表的建立和發展，使之具有如今的面貌，不是一帆風順的，經歷了辯證法和形而上學⑴之間的激烈斗爭過程。

自1661年英國化學家波義爾發表《懷疑的化學家》一書。提出元素概念，“把化學確立為科學”⑵以來，在整整一個半世紀中，由于形而上學在人們的思想中占了統治地位，再加上當時所提供的實踐資料也不充分。直到1800年，人們總共才發現了28種元素，因而元素間相互聯系的辨證性質還不可能被揭露出來，化學工作者只好把多種多樣的化學元素看作是彼此獨立，互不相關的，對元素進行孤立，割裂的研究，從事著對化學元素的簡單堆積。

后來，隨著生產的發展，科學也大踏步地前進了。形而上學的自然觀被自然科學的一系列重大發現，打開了一個又一個缺口，弄得百孔千瘡。幾十種元素間孤立無關的傳統觀念，也開始引起人們的懷疑。1815年，普勞特提出“氫原子構成一切元素”的假說，說明元素間不是絕對毫無聯系的。由于當時認為氫元素的原子量為1，無法解釋像Cl（相對原子質量為35.5）等這樣一些帶小數的原子量，因而普勞特的看法未能被同時代的人所接受。但是，他認為元素間有聯系的思想是可貴的，對以后的工作具有積極影響。

普勞特以后的幾十年間隨著生產實踐的發展，特別是人們把電力應用于化學，發現了電解的方法，以及人們利用光譜分析儀器觀察了各種元素的光譜之后，不斷發現了一些新的化學元素，認識了它們的基本化學性質，揭露元素間具有相互聯系的感性材料愈來愈豐富。到1869年，人類已知63種元素，并積累了不少關于這些元素的物理、化學性質的資料。因此，人們產生了整理和概括這些感性資料的迫切要求。在尋找元素性質間的內在聯系的同時，提出了將元素進行分類的各種學說。

1829年，德柏萊納⑶把當時54種元素中的15種，按元素間的類似性分成五組，提出了“三素組”的假設⑷。認為一組中的三個元素不僅性質相似，而且原子量的大小也是有規律的，中間元素的原子量，等于前后兩個元素的原子量的算術平均值。這是第一次明確地提出了元素的原子量和性質之間的關系問題。

1826年，尚古都在圓柱上制成了一個螺旋圖。將元素按原子量遞增的順序排在螺旋線上，結果性質相似的元素都在同一垂線上。第一次暗示了周期的概念。

1864年，德國人邁耶爾⑸發表了《六元素表》。在表中，他跟據相對原子量遞增的順序把性質相私的元素六種、六種進行分族。但《六元素表》包括的元素并不多，還不及當時已經知道的元素的一半。

1865年，英國人紐蘭茲⑹把當時已經知道的元素按相對原子質量由小到大的順序排列，發現從任意一種元素算起，每到第八種元素就和第一種元素的性質相似，猶如八度音節一樣，他把這個規律叫做“八音律”，但是，由于他沒有充分估計到當時的相對原子質量測定可能有錯誤，而是機械地按照相對原子質量有小到大的順序排列，他也沒考慮到還未被發現的元素，沒有為這些元素留下空位。因此，

他按“八音律”排的元素在很多地方是混亂的，沒有能正確地揭示出元素間的內在聯系的規律。

至1869年，總共已有63種化學元素被人們發現，其中金屬48種，非金屬15種占天然元素的三分之二，俄國化學家門捷列夫⑺在前人的工作基礎上，仔細研究了各種元素的顏色、沸點、比重、硬度、導電性、磁性、導熱性、原子量等各種性質，分析總結了很多試驗數據，對大量的感性材料，經過一番去粗存精，去偽存真，由此及彼，由表及里地改造和處理。他把當時已知的63種元素的名稱，原子量，氧化物以及各種物理與化學性質，分別寫在各元素的卡片上。他在排列這些卡片時，不僅根據元素的原子量，而且很重視元素的性質及其與其它元素的聯系。1869年2月，門捷列夫按原子量遞增的順序把63種元素排列成幾行，同時把各行中性質相似的元素左右對齊，當按原子量順序安排的位置與元素的順序發生沖突時，他遵從元素的性質而換掉位置，或者留下空位，這樣使每一橫排化學元素的性質相近，每一縱行化學元素變化也呈現出周期性的變化。1869年在俄國物理化學會議上提出了“元素性質對于原子量依賴關系”的論文，發現了元素周期律，制定了元素周期表⑻。論文中包括下列幾個要素：⑴元素如果按原子量的大小排列起來，其性質呈現著明顯的周期性。⑵原子量的大小決定元素的特征，正像質點的大小決定復雜物質的性質一樣。因此，例如相似的S和Te的化合物、Cl和I的化合物等，也呈現著極明顯的差別。⑶應該預料到許多未知的單質的發現，例如類鋁和類硅的元素，其原子量在65～67之間。⑷知道了某元素的同類元素的原子量，有時可以修正該元素的原子量。

幾乎和門捷列夫同時，邁耶爾也提出了類似的元素周期律，并把元素排成一個表。指出“元素的性質為原子量的函數”，并以元素的原子量為橫坐標，原子體積為縱坐標，繪制了原子體積曲線。結果，類似的元素在這條曲線上都占有類似的元素在這條曲線上都占有類似的位置，顯示出各元素的原子體積和原子量函數關系。

元素周期律雖已被門捷列夫揭示出來，公布于世，但并沒有完全被承認甚至連他的導師齊寧也笑他是不務正業。在人們的冷漠和嘲笑中，1871年，門捷列夫改進和充實了他1869年制定的元素周期表，今兒發表了⑼《化學元素的同周期性依賴關系》一文，將元素分成八族，同邁耶爾一樣劃分了主族和副族。同時他以元素周期表為基礎，不顧當時公認的原子量，改排了某些元素（Os，Ir,Pt,Au;Te,I;Ni,CO）的位置，校正了一系列元素（Sn,La,Ce,T,V等）的原子量。最后，相應于周期表中的空位，門捷列夫預言新元素：類鋁，類硼和類硅的存在及其性質。四年之后布阿博德朗發現了元素鎵，證實了門捷列夫預言的類鋁。再過四年，尼爾遜發現了元素鈧，證實了門捷列夫預言的類硼，又過七年，溫克萊爾發現了元素鍺，證實了門捷列夫預言的類硅。在大量鐵的事實面前，元素周期律才被舉世公認。門捷列夫工作的成功，引起了科學界的震動。人們為了紀念他的功績，就把元素周期律和元素周期表稱為門捷列夫元素周期律和門捷列夫元素周期表。但是由于時代的局限，門捷列夫揭示的元素內在聯系的規律不是初步的，他未能認識到形成元素性質周期性變化的基本原因。

但應當指出，門捷列夫的元素周期律及在此基礎上建立起來的元素周期表，也不是十全十美的，還存在不少問題。如：H與Li之間是否還有元素存在？碲（128）

和碘（127）等為什么要顛倒排列？稀土元素的數目到底有多少？它們在表中的位置應如何排列？元素的性質隨原子量的增加呈現周期性的原因何在？等等。

在這些問題還沒有解決的時候，周期律由遇到一個嚴重考驗。雷姆賽在1894年發現了惰性氣體氬。氬的原子量是39.9。應排在鉀（39.1）和鈣（40.1）之間，但這里沒有留下空位。這一新發現與已經確定的東西發生了抵觸，當時仍然有人主張把氬排在鉀的前面，也有些人在這新的矛盾面前，竟然懷疑起事實的正確性來，認為氬和后來發現的氦不是化學元素，而是氣體混合物，企圖以此來解決氬和鉀在原子量上的矛盾。1895年雷姆賽又在地球上發現了另一個惰性氣體氦。由于氬和氦的性質很相似，又與周期表中以發現的其他元素的性質相差很大，因此使人們設想氦和氬可能是另一族元素，這就使周期表又增添了一個新的“O”族。新的空位有促進了其他惰性氣體元素的發展。雷姆賽于1898年又發現了氪，氖和氙，道納于1900年發現了氡，這些新的科學成果，使周期律逐步地更加完善了。

周期律的又一次發展，是自1911年盧瑟福提出原子有核的模型后，莫斯萊于1913年應用X射線的試驗方法，測定了元素的原子核所帶的正電荷數目——原子序數的工作，發現了原子序數定律。指出：作為周期律的真正基礎不是原子量，而是元素原子的核電荷數。這是周期律的一個重要進展，它把元素性質變化的周期性與元素原子的核電荷數聯系起來了。解決了若干不按原子量排列的矛盾，如鈷（39.1）和鎳（58.7），碲（127.3）和碘（126.9），氬（39.9）和鉀（39.1）的倒置等。也解決了氫與氦之間不可能再有其他元素的問題。原子量和原子序數增長次序的不一致，又被后來同位素的發現所解決。

周期律的第三次大的發展，是波爾于1913年引用了量子理論，得到了電子在原子中的分布具有層狀結構的結論。1916年索麥菲提出了軌道分層的理論，并引用了軌道在電磁場中量于化取向的概念。1925年泡利提出兩個電子不能共處于同一量子狀態上的不相容原理，規定了每個分層中的最高電子數⑽，確立了每個電子在原子中的狀態被四個量子數描述，而在同一原子中不能有四個量子數相同的兩個電子存在。量子力學的法展，進一步詳細的闡明了原子中電子的層狀結構。這就揭示了：元素性質呈周期性變化的原因是由于原子的電子層結構呈周期性的變化。

一般講周期律時，都是按周期方向指出元素性質變化的周期性。但是，早在1887年巴扎羅夫就指出：在元素周期表的族中，元素原子量的大小發生周期性的變化。1915年比隆在“第二周期性現象”和其他的一系列工作中，研究了在同周期表的族中元素某些性質非單調呈鋸齒形的周期性變化。使我們對周期表，周期律的認識又加深了一步。近幾十年來，大量超軸元素的成名⑾，又使周期表獲得了新鮮的內容。

總之，周期律和周期表自1869年誕生至今的一百多年來，絕對不是固定不變、原封不動的，而是隨著實踐的深入不斷得到修改、充實和發展，有一個逐漸完善的過程。就是今天的周期表⑿也不是完美無缺的，更不能永遠停止在一個水平上。隨著社會，科技的進步，元素周期律必然會更加完善、充實。