现代化学的元素周期表是由俄国化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫(Dmitry Ivanovich Mendeleyev,1834—1907)在1869年首先发表的。虽然许多新元素是后来才发现并被加到元素周期表中的,但门捷列夫的元素周期表仍然是宇宙万物的科学指南。
传说门捷列夫在玩纸牌游戏时发明了元素周期表。然而,历史上对此鲜有记载。1860年,德国卡尔斯鲁厄召开的一次科学会议上公开了一张原子质量表。据说,门捷列夫正是利用这张原子质量表排出了元素周期表。原子质量是原子核中质子数和中子数的总和。门捷列夫认为原子质量是元素最重要的性质,尽管现在人们知道元素是由原子序数(原子核中的质子数)来定义的。
门捷列夫很可能是在撰写教科书《化学原理》(1868—1870)时想出元素周期表的。在这本书中,门捷列夫将具有相似理化性质的元素归为一类。例如,他把卤素(第17族元素)归为一类,把碱金属元素(第1族元素)归为一类。门捷列夫将具有相同化合价的元素分组。化合价用于衡量原子与其他原子化合时的成键能力,数值上等于该原子或原子团可能结合的氢原子或氯原子的数量。价电子是由原子最外电子壳层上的电子数决定的。原子共享或转移这些外层电子,从而与其他原子形成化学键。卤素具有相似的性质,因为它们的最外电子壳层上都有7个电子,而且它们都很容易再获得1个电子,从而与其他元素成键。相比之下,碱金属具有相似的理化性质,因为它们的最外电子壳层上只有1个电子,而且它们都很容易给出1个电子,从而与其他元素成键。
名字又有什么关系?
门捷列夫的英文名字一直没有定论。在俄语中,单词是用西里尔字母书写的,没有英文直译。因此,门捷列夫的英文名字有很多种写法,包括Mendelev,Mendeleev,Mendeleeff,Mendeleyev等。
灯泡中通常含有稀有气体氩气。稀有气体(第18族元素)很少与其他元素反应,因此,它们是最后一族被发现并被添加到元素周期表中的元素。
门捷列夫试图将相似的元素排列到一起。他把当时已知的61种元素按原子质量增加的顺序排列在一张图表中。门捷列夫发现,具有相同化合价的元素位于元素周期表的同一列中。门捷列夫绘制出了元素周期表的基本雏形。他在1869年公开了他的发现,并在1871年制作了一个修订版的元素周期表,将元素分为8族。
尽管打乱了原子质量的顺序,但他还是把元素移到了元素周期表中的新位置。这就是门捷列夫的伟大成就之一。用这种方法,他保持了元素的价序。然而,他最大的成就也许是描述了那些尚未被发现的元素。
德米特里·门捷列夫
1834年2月8日,德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫出生于西伯利亚的托波尔斯克。小时候,他就表现出了科学家的天赋。他的母亲试图为他在大学里找份工作,但门捷列夫被莫斯科和圣彼得堡的大学拒之门外。最终,在1850年,他成为圣彼得堡学院的见习科学教师,并以优异的成绩毕业。1855年,他在黑海附近的辛菲罗波尔找到了一份科学教师的工作。一年后,门捷列夫回到圣彼得堡,完成了硕士学位的学习。1859年,他前往欧洲的实验室工作。1861年回到俄国后,门捷列夫专注于学术事业,成为圣彼得堡大学的化学教授。1869年,他发表了第一版的元素周期表。门捷列夫获得了世界各地的大学颁发的许多奖项。1906年,他只差一票就能获得诺贝尔化学奖。他生命的最后几年在度量衡局担任局长。1907年,他在圣彼得堡去世。
门捷列夫相信元素周期表的自然顺序。然而,他的元素周期表中存在空格,因此,他推断这些空格一定代表着尚未被发现的元素。他甚至预测了这些元素的理化性质。
在门捷列夫的元素周期表中,铝的下面就有一个空格,所以他将其命名为ekaaluminum,即后来发现的元素镓,eka在梵文中是“一”的意思,eka-aluminum表示该元素在元素周期表中距离铝只有一个位置。
这个元素是法国科学家保罗-埃米尔·勒科克·德·布瓦博德兰(Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran,1838—1912)在1875年发现的。为了表达对祖国的敬意,他将其命名为镓(Gallium——Gallia是法国的拉丁名)。
1879年,瑞典化学家拉尔斯·弗雷德里克·尼尔森(Lars Fredrik Nilson,1840—1899)发现了门捷列夫预测的一种元素eka-boron。他以拉丁语中表示斯堪的纳维亚(Scandinavia)的词语把它命名为钪(Scandium)。1886年,德国化学家克莱门斯·温克勒(Clemens Winkler,1838—1904)发现了门捷列夫预测的元素eka-silicon。温克勒将它命名为锗(Germanium),因为德国的拉丁名为Germania。所有新元素的理化性质都与门捷列夫预测的相符。
德米特里·门捷列夫绘制了许多关于元素周期表的草图。第一版的元素周期表最终在1869年出版。他根据原子质量对元素进行排序,并为他预测的元素留下了空格,以待后人填充。
1895年,英国化学家约翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt,1842—1919),也就是后来的瑞利勋爵(Lord Rayleigh),和苏格兰化学家威廉·拉姆齐(William Ramsay,1852—1916)发现了氩气。门捷列夫的元素周期表中似乎没有适合这种新元素的位置。拉姆齐认为一定存在与氩气类似的气体,并着手寻找它们。1895年,他发现了氦气。1898年,拉姆齐和英国化学家莫里斯·特拉弗斯(Morris Travers,1872—1961)一起发现了氖、氪和氙。4年后,门捷列夫修改了他的元素周期表,把这组新的气体(第18族元素)放在元素周期表的末尾。化学家最初将这类元素命名为“惰性气体”,因为它们不与其他元素发生反应。现在,惰性气体被称为“稀有气体”,因为它们在某些情况下确实会与其他元素发生反应。
1911年,出生于新西兰的英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford,1871—1937)进行了一项重要的实验。这项实验揭示,原子的中心是由一个致密的带正电荷的原子核组成的。
两年后,英国物理学家亨利·莫塞莱(Henry Moseley,1887—1915)使用一种叫作“电子枪”的机器向不同元素的原子发射电子。他发现,这些元素会发出X射线,即波长较短的高能辐射。这些X射线的特征取决于原子核中质子的数量。莫塞莱记录下了许多元素的质子数(现在被称为“原子序数”)。然后,他将所有已知元素按质子数增加的顺序制成一张图表。与门捷列夫一样,莫塞莱也在他的图表中留下了空格,并预测了两种新的元素。后来科学家发现了这两种缺失的元素——锝和钷。莫塞莱还纠正了一些与原子质量有关的错误。
电弧焊利用电流产生火花状电弧,使金属熔化进而合在一起。氩有时用于电弧焊,因为它是稀有气体,不会与熔融的金属发生反应。
科学家们认为,海蓝宝石中含有少量的钪,所以呈蓝色。在钪被发现之前,门捷列夫就利用元素周期表预测了它的存在和性质。
原子质量是原子核中质子和中子数量的总和。一种元素的原子总是包含相同数量的质子,但它们可能有不同数量的中子。这些原子的不同形式被称为“同位素”。元素周期表是按照原子序数,而非原子质量排列的。门捷列夫当时还不知道质子和中子,但幸运的是,原子质量和原子序数大致是按比例增加的。
目前,元素周期表上有118种元素。1~92号元素是地球上天然存在的元素。93~118号元素大多是合成的,只有极少数存在于自然界。这些元素被称为“超铀元素”,因为在元素周期表上,它们排在第92号元素铀之后。
科学词汇
原子质量: 原子核中质子和中子的数量的总和。
原子序数: 原子核中的质子数。
稀有气体: 一组很少与其他元素发生反应的气体。
化合价: 又称“原子价”,数值上等于该原子或原子团可能结合的氢原子或氯原子的数目。