讓化學老師想辭職的元素周期表,你一定也背不下來

2020-12-08 騰訊網

接下來是美術老師代課時間。

西奧多·本菲的螺旋周期表(1964)| 圖片來源:DePiep/Wikipedia

來源 Conversation

撰文 Mark Lorch

翻譯 趙曉楠

審校 戚譯引

元素周期表幾乎出現在每個化學實驗室的牆上。它的創建通常歸功於俄國化學家迪米特裡·門捷列夫(Dimitri Mendeleev),1869 年,他將當時已知的 63 種元素寫在卡片上,並根據化學和物理性質將它們進行排列。為了慶祝科學上這個重要時刻的 150 周年,聯合國宣布將 2019 年定為國際化學元素周期表年

但門捷列夫並不是第一個嘗試給各種化學元素排序的人。在他之前幾十年,化學家約翰·道爾頓(John Dalton)曾試圖為這些元素創造一張表格和一些很有趣的符號,但它們沒能流傳開來。而就在門捷列夫創建周期表的幾年前,約翰·紐蘭茲(John Newlands)也創建了一張根據元素屬性對其進行分類的表格。

約翰·道爾頓的元素列表。| 圖片來源:Wikimedia Commons

門捷列夫的天才之處體現在他為元素周期表留出的空白之中。他意識到某些元素是缺失的,還有待被發現。道爾頓、紐蘭茲和其他人只是將已知的元素進行排列,只有門捷列夫為未知元素留出了空間。更令人驚訝的是,他準確地預測了缺失元素的性質。

門捷列夫的元素周期表中含有缺失的元素。| 圖片來源:Wikimedia Commons

注意到上面表格中的問號了嗎?例如,在鋁(Al)的右側有留給某種未知金屬的位置,門捷列夫預言它的相對原子質量為 68,密度為 6g/cm3,熔點很低。六年後,保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭(Paul ?mile Lecoq de Boisbaudran)分離出了鎵(Ga),完美填補了這一空缺——它的相對原子質量為 69.7,密度為 5.9g/cm3,熔點很低,甚至能在人的手裡熔化成液體。門捷列夫也對鈧(Sc)、鍺(Ge)和鎝(Tc)作出了同樣的猜測,但直到 1937 年人們才發現了鎝,那時他已經去世 30 年了。

乍一看,門捷列夫的表與我們所熟悉的元素周期表不太一樣。一方面,現代周期表上有一系列被門捷列夫忽略的元素(並且他沒有給它們預留空間),最明顯的是惰性氣體(如氦、氖、氬)。此外,這張表的排列方式也與現代版本不同,我們現在將元素排成列,然後按行排列。

現代元素周期表 | 圖片來源:Wikimedia Commons

但是,一旦把門捷列夫的表旋轉 90 度,它與現代版本的相似之處就顯而易見了。例如,滷族元素——氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)(門捷列夫表格中的符號 J)相繼出現。如今,它們被排列在元素周期表的第 17 列(化學家們更喜歡稱其為第 17 族,也就是我們所說的第七主族 VIIA)。

元素周期表的「實驗期」

從門捷列夫的周期表到今天我們所熟悉的元素周期表之間,看起來只需要一個小小的改動。但是,在門捷列夫論文發表後的多年裡,人們對元素的其他排列和分布進行了大量實驗。在將門捷列夫的表格進行 90 度旋轉,並保留這種形式之前,人們還嘗試過一些古怪而奇妙的扭轉方式。

(a)海因裡希·鮑姆豪爾的螺線形元素周期表;

(b)1915 年阿洛瓦斯·比列基(Alois Bilecki)提出的螺旋形元素周期表;

(c)亨利·巴塞特的「啞鈴」設計。

圖片來源:http://www.chem.msu.ru/eng/misc/mendeleev/hyper/

海因裡希·鮑姆豪爾(Heinrich Baumhauer)的螺旋結構就是一個特別引人注目的例子,它發表於 1870 年,以氫元素為中心,元素按照相對原子質量遞增的順序呈螺線形排布。落在每個輪輻上的元素具有相同的屬性,就像今天元素周期表中同一族的元素一樣(見上圖 a)。還有亨利·巴塞特(Henry Basset)在 1892 年提出的相當奇怪的「啞鈴」構想(見上圖 c)。

到了 20 世紀初,這張表格就定型成了我們今天所熟悉的水平布局,與 1905 年海因裡希·維爾納(Heinrich Werner)設計的現代版本相似,稀有氣體第一次以如今我們熟悉的位置出現在表格的最右邊。維爾納還借鑑門捷列夫的做法,在表格中留下了空白,不過他猜得有些過頭了。他認為存在一些比氫更輕的元素,同時氫和氦之間還有另一種元素(這兩條猜測都不成立)。

海因裡希·維爾納設計的元素周期表| 圖片來源:American Chemical Society.

儘管這張表格看起來已經很現代了,但它仍然需要一些重新排列。特別有影響力的是查爾斯·詹內特(Charles Janet)的版本。他採用物理學家的方法,利用新發現的量子理論,創建了一個基於電子構型的布局。由此產生的左階元素周期表仍然受到許多物理學家的青睞。有趣的是,詹內特把未知元素一直排到了 120 號,儘管當時已知的元素只有 92 個(如今我們知道的也只有 118 個)。

查爾斯·詹內特的左階元素周期表。| 圖片來源:Wikipedia, CC BY-SA

經典設計的誕生

現代元素周期表實際上是詹內特版本的直接演變。鹼金屬(以鋰為首的第一主族元素)和鹼土金屬(以鈹為首的第二主族元素)從最右邊被移到了最左邊,形成了一個非常寬的元素周期表。這種布局的問題是它不能很好地適應頁面或海報,所以出於美觀的考慮,f 區元素(也就是鑭系和錒系元素)通常被裁剪下來放到主表下面。元素周期表就是這樣演變成今天所熟知的樣式的。

不過,人們並沒有停止修改周期表的布局,通常是為了強調傳統表格並未體現的元素之間的相關性。元素周期表已經有數百種不同的版本(可以在

Mark Leach 的資料庫

中查看),其中螺旋狀和 3D 版本尤為流行,更不要說許多搞笑的版本了。

3D 版門捷列夫花式周期表。| 圖片來源:Тимохова Ольга/Wikipedia, CC BY-SA

我將門捷列夫的表格和亨利·貝克(Henry Beck)的倫敦地鐵地圖這兩個標誌性的圖形融合在一起,效果如何?

本文作者設計的地鐵元素周期表。| 圖片由作者 Mark Lorch 提供

還有那些令人眼花繚亂的模仿,它們旨在為從啤酒到迪斯尼卡通形象的各種事物賦予一種科學感。所有這些都表明,元素周期表早已成為科學的標誌性符號。

看過《生活大爆炸》的朋友們還記得這個浴簾嗎?| 圖片來源:https://www.spotern.com

* 本文作者 Mark Lorch 為英國赫爾大學(University of Hull)科學傳播與化學教授。

編輯:重光

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