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元素周期表上所有元素排列是正确的吗?

虽然我们已经用惯了元素周期表,但表上所有元素是否都已排在正确的位置上,这不是没有争议的。

用手指敲钢琴的白色琴键,随着你的手指向右移动,每一个音符听起来都不同,“哆-来-咪-发-梭-拉-西”。但是,当你敲到第八个键时,听起来又跟第一个“哆”一样了,只是调子提高了一些而已。

在150年前,我们开始意识到化学元素也发生了类似的事情。科学家甚至戏称之为“八音律”。其实最早发现这一“八音律”的还不是门捷列夫,而是英国化学家约翰·纽兰兹。1865年,纽兰兹将当时已知的61种元素按原子量的递增顺序排列,发现每隔7种元素便出现性质相似的元素,如同音乐中的音阶一样。可惜他的这一发现未被时人重视。当他说给同行听时,他们都讥嘲他:“你怎么不按照元素名称的首字母来排列呢?”

正是元素性质的这种重复,被后来的周期表漂亮地体现出来。在周期表上,性质相似的元素排在同一列。第一列除了氢元素以外,其余皆是活泼金属,其中一些遇水就会剧烈反应;周期表的最后一列,则是几乎不与任何物质反应的惰性气体元素,如氩、氖等。

但是,人们对周期表上的所有元素是否都已排在最合适的位置,不是没有疑问的。正如音符可以以各种方式排列产生音乐一样,元素之间的关系也可以用不同的方式来描述。判断哪一种更好,哪一种更真实,有时并非一件容易的事情。因此,对于当前周期表中某些元素排列,至今仍争议不断;一些化学家甚至主张用更激进的方法重新设计元素周期表。

关于当前元素周期表的争议

门捷列夫最初发明的周期表中,元素是按原子量大小来排列的。现在,我们则是根据原子核中质子的数量来排列的。因为我们后来知道,元素的性质很大程度上是由核外电子的排布决定的,这些电子以电子层的形式围绕原子核运动。

最轻的元素氢只有一个电子层,最多可容纳两个电子。较重的元素有更多的电子层,可以容纳更多的电子。迄今所有的元素,电子层最多可达7层,分别用1、2、3、4、5、6、7来表示。每个电子层又最多分为4个电子亚层(在同一电子层中电子能量还有微小的差异,电子运动的轨道也略有不同,根据这些差别把一个电子层分为一个或几个电子亚层),分别用s、p、d、f来标记。一个元素的电子排布,就是标出它有哪些电子层和电子亚层,并在亚层符号右上角用数字标出各亚层上的电子数。如钠原子的电子排布1s2 2s2 2p6 3s1 ,其含义是:钠原子有3个电子层,第一电子层只有s亚层,且只有1个电子;第二电子层有s、p两个亚层,s亚层有2个电子,p亚层有6个电子;第三电子层只有s亚层,只有1个电子。

根据最后一个电子所处亚层是s、p、d、f中的哪一个,周期表又分成4个区,分别为s区、p区、d区、f区。大多数周期表将组成f区的元素单独分离出来,组成镧系和锕系,放在总表的下方。

尽管这种做法已被大家普遍接受,但关于f区元素该包含哪些元素仍存在争议。目前的周期表中,镧元素和锕元素位于独立出来的f区(即镧系和锕系)的最左端,后面的镥(Lu)元素和铹(Lr)元素则在总表上,不在镧系、锕系之列。这样做的根据是,镧和锕原子最后一个电子落在f亚层,而镥和铹原子最后一个电子落在s亚层。

但是一些人指出,根据元素原子半径和熔点等化学性质,镥和铹似乎也跟镧系和锕系元素十分相近,所以应该把它们也包含进来。这个建议已经被部分近年来出版的周期表采用。2016年,国际纯化学与应用化学联合会成立了一个工作组来解决这一争论,但至今还没有做出决定。

重新设计元素周期表

这些争论尽管琐碎,但已经让一些化学家相信,我们需要重新绘制元素周期表,而且这方面迄今也不缺乏点子。目前已有数百个版本的元素周期表。

为了更好地体现当前周期表元素的连续性,加拿大化学家费尔南多·杜福尔开发了一个三维周期表系统。它看起来像一棵圣诞树,元素从树干出发,形成一个个圆圈,圈越大,越接近底部。德国化学家西奥多·本菲开发的螺旋形周期表,则像一只手套,允许f区元素像指头一样向外凸出。美国加州大学恩里克·斯克利则将当前独立出来的镧系和锕系元素都放进总表中,这样一来,总表就不只是有18列,而是有32列了,这样可以保证原子序数不间断。

在很多人看来,重新设计周期表似乎是不切实际的,因为就算当前的周期表存在缺陷,也还不至于需要推倒重来的地步。不过,随着发现的元素越来越多,这很可能会成为一个紧迫的任务。

超重元素可能不符合元素周期律

过去数十年,经过各国科学家的努力,我们已经将周期表拓展到了第118号。从第93号元素镎开始,都是人工合成的放射性元素。它们极不稳定,存在时间不到1秒,它们虽然被填在周期表上,但其实我们对它们的化学性质一无所知。

但是原子核理论预言,质子数为114、中子数为184的原子核具有较高的稳定性(我们虽已制造出114号元素,但可惜制造的原子核中子数还不是184,所以依然极不稳定),围绕它可能存在着“稳定岛”,“岛”上的原子核也具有较高的稳定性,使我们有可能检验其化学性质。这些原子核被称为超重核。原子核为超重核的元素称为超重元素。

有迹象表明,超重元素的化学性质可能不符合元素的周期律。这样一来,你就不得不怀疑现在使用的元素周期表对它们是否还有效了。

计算表明,我们已制造的某些超重元素,很可能表现得像惰性气体元素,尽管它们在周期表上与惰性气体元素不在同一列。这些计算基于爱因斯坦的狭义相对论。狭义相对论的一个推论是,物体运动速度越快,质量越大。对于较轻的元素,这个效应可以忽略不计。但对于超重元素,这个效应就显得很重要了,因为它们的原子核拥有更多的正电荷,对核外电子的吸引力更强,这意味着电子绕核转得更快,因此质量也变得更大了。反过来,电子的质量变大了,意味着它们的轨道比我们预期(不考虑相对论效应)的要更靠近原子核,从而改变了原子的化学性质。

所以,如果发现了超重元素,在周期表中该放在哪里,周期表怎样设计才能更好地体现它的属性,对于不同版本的元素周期表,将是一个“优胜劣汰”的选择。

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网友评论(1)

3个月前 (08-28) 回复