元素周期表的重新排布

元素周期表的重新排布

李振芳

长安大学（710064）

E-mail：lizhf_9678@

摘要：本文提出了化学元素周期表的重新排布方法，给出了各周期的元素数目的数学表达式。用这种方法排列而成的凹式和凸式元素周期表可以揭示由元素构成的复杂系统的某些规律，并且可以方便地预测尚未发现的元素的某些性质。

关键词：凹式周期表凸式周期表数学表达式

1．引言

元素周期表是门捷列夫于1869年，[1] 将当时已经发现的元素按原子量大小及其化学性质进行排列而成的。它反映了元素的化学性质按周期性变化的规律。元素周期表有长式和短式两种，在短式周期表中，第四周期以后各周期的第Ⅰ～Ⅶ族的每个位置上都有主族和副族两个元素，而长式周期表则将主族和副族元素分别排在不同的位置。在元素周期表中，同族元素的化学性质具有相同的特征，即从上到下非金属性逐渐减弱而金属性逐渐增强。在表中最后两个周期中分别加入钄系锕系元素，这两个系的元素是单独列出的。[2] [3] 这样排列的优点是使表的外观看起来比较紧凑，但是它却掩盖了由元素所构成的复杂系统的某些规律，为了揭示这些规律需将元素周期表进行重新排布。

2．.凹式周期表的排布方法

在凹式周期表中，第1周期的两个元素仍为氢和氦，它们的位置也与原周期表相同，第2周期以后的各周期中元素的排布规则有所变化，即由原子量所确定的序数为奇数者排在左边，由小到大从右向左排布，并且使每一周期的最后一个元素为卤族元素，同时要求卤族元素均列于氢元素之下。原子序数为偶数的元素排布在右半边，原子量由小到大从左向右排布并且使每一周期最后一个元素为惰性元素，所有惰性元素形成一列。如表1所示。

表1 凹式元素周期表

氢氦氟氮硼锂铍碳氧氖氯磷铝钠镁硅硫氩溴砷镓铜钴锰钒钪钾钙钛铬铁镍锌锗硒氪碘锑铟银铑锝铌钇铷锶锆钼钌钯镉锡碲氙砹铋铊金铱铼钽镥铥钬铽铕钷镨镧铯钡铈钕钐钆镝铒镱铪钨锇铂汞铅钋氡A 〇〇〇〇〇〇铹钔锿锫镅镎镤锕钫镭钍铀钚锔锎镄锘〇〇〇〇〇〇〇B

为了第7周期的完整性，表中以〇表示第104～116号元素，以A、B分别表示第117 和

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第118号元素。按上述方法排列而成的元素周期表可以把所有元素都排在同一张表中，无需单独列出钄系、锕系元素。由于此表呈中凹形，故称凹式元素周期表。

2．1新旧元素周期表的比较

与原周期表相比较可知，除第ⅠA 族和卤族元素外，各族中的元素均保持不变。如第ⅣA 族的碳、硅、锗、锡、铅，第ⅥA 族的氧、硫、硒、碲等。每个周期中的元素亦未发生变化，所以，此表仍有原周期表的功能。二者最主要的区别是将氢排在卤族。原周期表中氢是排在第ⅠA 族的。

2.2氢元素位置改变的原因

原周期表中第ⅠA族元素均为金属，由于化学性质的不同很难将氢与第ⅠA族元素做为同族元素来对待。在以往的化学教科书中，分析周期表中元素的性质时，总是将氢元素单独考虑的。实际上由于氢原子的结构决定了它既有第ⅠA 族元素的性质又有卤族元素的性质。从原子的壳层结构可知，第ⅠA族碱金属元素的最外层电子数为1，它们易于失去1个电子而成为正离子。氢原子只有一个电子层，这一电子层就是它的最外电子层，这一电子层上也只有一个电子，因此它也容易失去一个电子而成为正离子。卤族元素的最外电子层的电子数的特征是比满仓少一个电子，它们易于获得一个电子而成为负离子。而氢元素的最外层也是它唯一的壳层，达到满仓时只有两个电子，所以当它获得一个电子时最外壳层也同样达到满仓而成为负离子。从以上分析可知，氢元素与第ⅠA 族碱金属元素和卤族元素都有着某些共同特征。在原周期表中虽然氢的位置在第ⅠA族元素之列，但各种教科书中都没有把它按照化学性质归为第ⅠA族，而是把它拿出来单独讨论的。既然要编排周期表，那么每个元素都应该有一个位置。问题是把氢元素放在什么位置更合理。

根据上述分析可知可供选择的位置只有第ⅠA族和卤族。而从氢元素构成的分子状态来看，将它排在卤族更为合适。卤族中的氟、氯、溴、碘各元素构成的分子具有从上到下，由气体到液体再到固体的变化规律，把氢放到氟的前面亦不会破坏这一规律。所以说把氢排在卤族元素中比在第ⅠA族碱金属中更为合适。(参阅化学教研室编【大学普通化学】西安交通大学1963年编印，1978年影印126～142，197～222)

3.元素周期表的对称性与对称性破缺

凹式周期表具有明显的对称性。表的左右两边格式的对称性和元素数目的对称性都是一目了然的。元素的性质也有对应关系，比如，硼和碳都是非金属，它们的位置对称，特性也相近。它们的区别在于最外层电子数，一个是奇数，一个是偶数。再看氟和氖，它们是这一周期中特性处于极端的两个元素。氟的化学性质非常活跃，而氖则表现为惰性。也就是说在同一周期距离越远的两个元素化学性质的极性越明显，距离越近的元素，化学性质越接近。这种位置相对应的两个元素之间存在着的化学性质的区别，是由于物质从无序到有序的演化

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过程中产生了对称性破缺。宇宙学的观点认为，宇宙起源于大爆炸。在大爆炸初期，宇宙中的物质是均匀的，而均匀则意味着对称。越均匀的物体就越对称。而均匀又是无序的，当这种无序状态一旦受到一个小扰动后，就会变得有序起来。[4] 使无序的均匀状态变为有序的不太均匀的状态时，就产生了对称性破缺。但是在有序出现之时并不意味着对称性的完全丧失，仍会保留一部分原有的对称性。凹式元素周期表中也存在着明显的结构的对称性和相对应的元素之间物理化学性质的对称性破缺。由于元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间的内在联系，因此可以认为这种元素周期表与元素周期律更加相符。

3．1凸式元素周期表的生成

若将表1中原子量为奇数半边和偶数半边的元素分别翻转180度，使卤族元素和惰性元素相邻，就可以排出表2。在表2中看出，明显呈现中间高，两边低的形状，因此称为凸式元素周期表。表2与表1在实质上是完全相同的。表2中每一周期的元素都排列在一起，元素之间没有空位，这样，便于分析元素构成的复杂系统结构的规律。此表中当周期数增大时，元素数目增多，新增元素在位置上分别向两边延伸，不会影响前面各周期中元素的位置。凸式元素周期表与凹式元素周期表有相同的特征。它们都具有明显的对称性和对称性破缺。表2 凸式元素周期表

氢氦

锂硼氮氟氖氧碳铍

钠铝磷氯氩硫硅镁

钾钪钒锰钴铜镓砷溴氪硒锗锌镍铁铬钛钙

铷钇铌锝铑银铟锑碘氙碲锡镉钯钌钼锆锶

铯镧镨钷铕铽钬铥镥钽铼铱金铊铋砹氡钋铅汞铂锇钨铪镱铒镝钆钐钕铈钡钫锕镤镎镅锫锿钔铹〇〇〇〇〇〇A B〇〇〇〇〇〇〇锘镄锎锔钚铀钍镭3．2化学元素构成的复杂系统的数学模型

从元素周期表可知每个周期中元素的数目构成了一个数列：

2，8，8，18，18，32 (1)

这个数列是由两个简单数列复合而成的，构成奇数周期的数列为

2,8,18 (2)

构成偶数周期的数列为

8,18,32 (3)

将数列（3）的第n项置于数列（2）的第n项与第n＋1项之间即可得到数列（1），因此数列（1）是由数列（2）与数列（3）合成的复合数列。这一数列的数学表达式为：Z 2n-1=2n2

Z2n=2(n+1)2n＝1,2,3 (4)

当n＝1时Z1＝2 Z2＝8

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