化学元素周期表的发展史

化学元素周期表的发展史
作者：沈东东
合作者：刘珵
梁兵
侯振东
摘要：关于元素周期律，人们往往将它的发现完全归功于俄国化学家门捷列夫，然而，研究元素周期律的科学家不止门捷列夫一人，在这一百年间许许多多科学家都做出了贡献。

关键词：元素周期表元素周期律门捷列夫元素未来发展
一.元素周期表的诞生
关于元素周期律，人们往往将它的发现完全归功于俄国化学家门捷列夫，然而，研究元素周期律的科学家不止门捷列夫一人，在这一百年间许许多多科学家都做出了贡献。

对元素之间的关系进行考察研究的科学家，当首推法国人拉瓦锡。

1789 年，拉瓦锡曾运用分类比较法，就当时他所确认的33 种元素（部分为单质和化合物）进行过分类研究，提出了世界上第一张元素表，开创了元素分类研究的先河。

1803 年，英国物理化学家道尔顿在创立近代原子论的同时，提出了原子量概念和测定工作。

然而，由于测量方法的不同和选择相对标准上的差异，原子量曾一度出现长时间的混乱现象。

为此，经凯库勒等人提议，于1860 年在德国卡尔斯鲁厄召开了首届国际性化学学术会议，专门讨论这一问题，当时参加会议的就有门捷列夫和德国化学家迈耶尔。

这次会议虽然没有达到预期目的，但元素和原子量所涉及的一系列问题引起了各国科学家的高度关注。

事实上，继拉瓦锡之后，许多人都对元素进行着分类研究。

1829 年，德贝莱纳对元素的原子量与化学性质之间的关系进行了分类比较研究。

他在已知的54 种元素中发现了几个相似的元素组，每组包括3 个元素，如（1）锂、钠、钾；（2）钙、锶、钡；（3）氯、溴、碘；（4）硫、硒、碲；（5）锰、铬、铁，而且同组内的元素，不仅性质相似，而且中间元素的化学性质介于前后两个元素之间，其原子量也相当于前后两元素原子量的平均值。

德贝
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莱纳对于元素的分类研究，仅局限于 54 个元素中的部分元素，缺乏整体性考虑。

1850 年，培顿科弗认识到相似元素组不应限于3 个元素，而且发现组内各元素的原子量之差常为8 或其倍数。

1853 年，格拉斯顿提出同组元素在原子量上有3 种不同类型。

1854 年，库克将元素分为6 系。

1859 年，杜马鉴于同系有机化合物分子量之间都有一个公差，从而联想到性质相似的同系元素的原子量之间也应有一个公差，但所得数值与实验值却有相当大的出入。

因此，这些工作同德贝莱纳一样，仍然只局限在部分元素的分类研究上，尚未发现其本质规律。

1862 年，法国化学家尚古多进一步对原子量与元素性质之间的变化关系进行分类比较和数理分析。

他将当时已知的62 个元素，按原子量的大小循环标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上，从而创造了一个“螺旋图”，发现性质相近的某些元素都出现在同一条母线上，如Li-Na-K；S-Se-Te；Cl-Br-I 等。

不仅如此，他还对所有元素进行了整体考察，提出元素的性质变化就是数的变化的观点，并发现元素的性质有周期性重复出现的规律。

1862—1863 年，他先后将这方面的论文、图表和模型送交给巴黎科学院，遗憾的是这些报告在1889—1891 年间才被翻译出版。

但是，从科学认识的角度来分析，尚古多是第一个从整体上考虑元素性质与原子量之间关系的化学家，他的归纳与见解向元素周期律迈出了有力的一步。

1857 年，欧德林以当量为基础，发表了一篇论文，其中附有一个“元素表”，将元素分为13 类。

在1860 年召开的卡尔斯鲁厄国际化学学术会议上，欧德林认识到原子量的重要性，主张一个元素只能有一个原子量，极力反对杜马所主张的无机和有机界应各有自己的原子量系统的错误观点。

1864 年，他修改了以前的元素表，以“原子量和元素符号”为题重新发表了他的第二张元素表，这张表尽管只有47 个元素，但基本上是按原子量来排列元素的次序，而且在适当的位置还留有空格。

这说明他已经意识到了一些尚未发现的元素，并预示出这些元素与同一横列元素具有相似的性质。

更为可贵的是，这张元素表还隐显出元素性质随原子量周期性变化的规律。

就此，欧德林指出：“无疑在表中所提出的某种算术上的关系，纯属是偶然的，但总起来说，这种关系在许多方面很清楚地表明，它
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可能依赖于某一迄今还不知道的规律。

”
1865 年，纽兰兹对元素的分类进行了另一番研究。

他把元素按原子量大小顺序排列后，发现“从任何一个元素起，每隔8 个元素就与第一个元素的性质相似”。

这类似于八度音程，纽兰兹称其为“八音律”。

他指出：“相似元素常相隔7 个或7 的倍数……，以氮组而论，氮和磷之间相隔7 个元素，磷和砷之间相隔14 个元素，砷和锑之间又相隔14 个元素，最后锑和铋之间也相隔14个元素。

”但是，当他按八音律把元素排列成“八音律表”时，却出现了不能令人满意的现象。

为了符合八音律，他没有充分估计到当时原子量测定上的误差，也没有给尚未发现的元素留出空位，而是机械地依当时的原子量大小将元素排列成每列具有8 个元素的“八音律表”，甚至在6 处排了两个元素，有的地方为了照顾元素性质而颠倒了顺序，整个表显得相当混乱。

这种机械的研究方法显然无法找出元素之间的本质规律。

1864 年，迈耶尔在《现代化学理论》一书中刊出了一个“六元素表”，该表除了各元素按原子量排列程序和留有空格外，在元素的分族方面显然要比欧德林的元素表科学得多，它已经具有了周期表的雏型。

迈耶尔曾指出：“在原子量的数值上具有一种规律性，这是无疑的”。

他意识到了元素性质与原子量之间存在一定的规律性，尽管他还没有发现元素周期律，但其研究工作离这一真理已经不远了。

1868 年，迈耶尔发表了著名的《原子体积周期性图解》，该图充分显示出原子量与原子体积之间的周期性关系。

次年，他又制作成他的第二张化学元素周期表，明确指出元素性质是原子体积的函数。

虽然他的研究偏重于元素的物理性质，但他对元素族属的划分则更加完善，而且形成了明显的过渡元素族，这些都是较同年门捷列夫第一张化学元素表优越的地方。

令人遗憾的是迈耶尔不仅未敢对当时某些测定不准确的原子量进行修正，而且也没有根据周期律对未知元素做出大胆的预言，以至于出现了较多的错误排列。

1860 年，门捷列夫参加完卡尔斯鲁厄会议后，对原子量的测定和元素的分类研究产生了浓厚兴趣，他紧紧抓住原子量这一体现元素最基本特性的物理量，探讨元素性质间的演变规律。

经过对搜集到的各种元素分类方案的认真研究，门捷列夫发现：惟有依据原子量并参考其化学性质和物理性质，才是合理的依据；各种元素的原子量可以相差很大，但原子价的变化范围却很小，而且有许多元素
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具有相同的原子价，其化学性质又彼此非常相似，于是他在分类时将原子价相同的元素归为一类。

他注意到一价元素都是典型的金属，七价元素都是典型的非金属，而四价元素的性质恰好介于两者之间。

另外，门捷列夫在分析前人的研究成果时发现某些原子量的测定，偏差较大，于是他根据其原子价、当量以及化学性质与原子量之间的关系大胆地进行了修正，并充分意识到元素性质间存在着某种规律性。

门捷列夫坐在办公桌前，对 63 张记载着不同元素的名称、原子量和各种理化性质的卡片进行比较分析，他不断地移动这些卡片的位置，就像玩“牌”一样。

他依原子量的大小顺序把元素排列起来，发现氯和钾的原子量相差不多，可性质截然不同；钾和钠的原子量相差很大，但性质酷似；钾以后的元素，随着原子量的增加其性质又显示出从钠到氯的相似变化，门捷列夫因此而发现了元素性质间的周期性变化规律。

1869 年2 月，门捷列夫发表了他的第一张元素周期律图表，初步实现了元素的系统化和科学分类。

该表包括了当时已发现的63 种元素，并大胆预言了3 种未知元素的存在，指出按照原子量排列起来的元素，在性质上呈现出明显的周期性。

同年3 月，门捷列夫委托朋友门舒特金在俄罗斯化学年会上代读了“元素属性与原子量的关系”一文，进一步阐述了元素周期律的基本观点。

他指出：①按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性；②原子量的大小决定元素的特征；③应该预料到许多未知元素的存在，例如类铝和类硅；④当我们知道了某个元素的同类元素后，有时可以修正该元素的原子量。

这便是门捷列夫提出的元素周期律的最初内容。

纵观科学发展史，在科学研究的初始阶段，研究家常常会遭到冷落、攻击和非难。

元素周期律的发现过程恰恰证明了这一点，尚古多的新见解遭到巴黎科学院的冷遇，纽兰兹的“八音律”受到英国同行的嘲笑，而门捷列夫甚至被其导师齐宁训诫为不务正业。

面对巨大的压力，有的科学家半途而废，有的科学家勇往直前。

纽兰兹就明确表示对理论探索的失望而研究制糖工艺，但门捷列夫却深信自己工作的重大意义，他不顾名家指责，继续为揭示元素周期律而努力。

1871 年，门捷列夫吸收了迈耶尔表中的合理部分，果断地修订了自己的第一张元素周期表，制作了第二张元素周期表。

首先，他将表由竖行改为横排，使同族元素处于同一竖行中，以突出元素化学性质的周期性；其次，他把未知元素
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的空格由3 个增至7 个，并预言了它们的性质，而且依据元素在周期表中的合理位置再一次大胆地修正了部分元素的原子量。

与迈耶尔的第二张元素表相比，他不仅对错误的原子量进行了大胆修正，而且还科学地预言了3 种新元素及其性质。

在不到10 年的时间内，这3 种预言都得到了实验证明。

与17 年前尚古多的元素周期律表相比，门捷列夫的成功在于他不仅在表中留下了空格，而且还根据元素周期律的内存规律进行了逻辑预言，这种科学研究方法是以往任何一个科学家所不具备的。

更为可贵的是，门捷列夫将自己一生的精力都投入到元素周期律的研究中，他于1871 年预言了4个新元素铼、钫、锝和砹，1889 年预言了钋，这些预言先后被人们通过实验所证明。

因此，从元素周期律所表现的直接形式——元素周期表的完整性和科学性以及相关研究的准确性来看，门捷列夫的确高于同时代的科学家，他排出了更为科学的元素周期表，大胆修正了一些错误的原子量，科学地预言出一些新元素的存在。

门捷列夫发现了元素周期律和元素周期表后，在元素周期律的指导下，利用元素之间的一些规律性知识来分类学习物质的性质，就使化学学习和研究变得有规律可循。

现在，化学家们已经能利用各种先进的仪器和分析技术对化学世界进行微观的探索，并正在探索利用纳米技术制造出具有特定功能的产品，使化学在材料、能源、环境和生命科学等研究上发挥越来越重要的作用。

二.明天的元素周期表何去何从
门捷列夫发现周期律以来，时至今日，已百年有余。

通过众多科学工作者的不断努力，无论在深度或广度上，元素周期表所显示的内容及其变化规律，已为愈来愈多的人所熟悉和掌握，成为人们进行社会生产、科学研究的重要工具。

2006年，随着118号元素的发现，“明天的元素周期表何去何从？”这个问题又摆在我们面前等待探讨。

周期表究竟是发散的，还是收敛的？若有终点，终点究竟在何处?
1) 元素周期表是否收敛
在这个问题上，国内外皆存在争论。

有人认为，周期性是否定之否定规律的客观表现。

按照逻辑上的推理，周期性即是周期表第一位的、最典型的特征，而任何一个具有周期性发展的事物，必然会有它的起点和终点。

“一切产生出来的东西，都一定要死亡”。

因此，作为显示质子演化全过程的周期表，是会有终点
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的。

而且在整个周期的终点，会出现一个死亡点元素，而且在该元素内，只有全部失去质子(包括电子、中子、电子中微子)，才能进入真正的“死亡”阶段，才能丧失元素的一切个性。

因此，周期表的终点元素，是一个已全部丧失核外电子及核内质子、中子的元素。

既然有了“稳定岛”理论，核物理学家、化学家们便积极地在自然界中寻找可能存在的“稳定岛”元素。

假如“稳定岛”确实存在的话，那么按照这一理论，应该还可能出现“稳定洲”，则铀后面的元素将延伸得很远很远。

但是，仍然有很多科学家认为超铀元素是有界的，其界限离铀元素不会太远。

但也有人认为，虽然人工方法合成更新的超重元素存在技术问题，但科学和技术的发展日新月异，放射化学家的努力也是永无止境的，困难将逐个被解决。

从这个意义上讲，元素周期表必将继续延长下去。

从哲学的观点来看，物质世界是无限的，但又是无限和有限的组合。

一方面，物质运动是永恒的、不可消灭、不可创生的，作为物质运动存在的形式的空间和时间也是永恒的、不可消灭、不可创生。

另一方面，物质不灭定律、能量守恒和转化定律表明：物质运动没有开端和结尾，在时间上是无限的。

所以，物质层次结构是不可穷尽的，物质运动形式的转化是永无终止。

如果我们从这个规律来看待“元素周期表是否收敛？”这个问题，答案也许是“周期表没有终点”。

2)元素周期表的终点在何方
在承认周期表是收敛的观点中，对于终点元素的位置，国内外有关学者，众说纷纭，莫衷一是。

有人根据对元素周期表的重新编排，并通过对周期表的结构分析，找到终点元素所在位置。

比如：
1．周期性变化过程的起点和终点皆有两重性。

譬如一个过程的终点，一定是下一个过程的起点。

反之亦然，否则就会中断，失去周期重复的可能性。

所以，周期表的起点与终点，都是两性点，它们一定会出现在表“两性线”（Al-Ge-Sb-Po）的延伸线上。

另外值得注意的，当“两性线”延伸到168号元素时，已抵达周期表的边界，不能再向下、向外延伸了，因此终点元素，不可能超越168号元素。

2．“周期终点线”是周期表内各个周期终点的连接线（He-Ne-Ar-Xe-Rn）。

很显然，整个周期表的终点元素，只能位于“周期终点线”的延伸线上。

3．168号元素正好位于“两性线”与“周期终点线”的交点部位，它是表中唯一
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能满足上述要求的点，把它作为周期表的终点，最理想不过了。

4．也有科学家认为，第二周期和第三周期、第四周期和第五周期、第六周期和第七周期一样，均含有相同数目的元素数目，那么是不是会出现第八周期和第九周期元素数目相等的情况？这样，元素的数目最多可达218种。

图1包括218种元素的未来周期表
3）元素周期表如何改进和扩展
“化学没有周期表如同航行没有罗盘一样不可想象，但是这并没有制止某些化学家正试图改进它”。

1．氢元素的位置
现在的元素周期表也不是完善无缺的，如氢元素在周期表中的位置等。

根据现有的对氢化学性质的研究，氢固然可以失去一个电子，与碱金属一样成为带一个正电荷的离子；但它也可以得到一个电子达到２电子稳定结构，体现与卤素离子类似的结构；正因为第一电子层最多填充２个电子的特殊性，氢原子恰好半充满结构，这不正和IVA族元素相似吗？所以氢的位置并不一定在IA族啊！
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图2氢元素的特殊性
2．零号元素
虽然曾经认为在氢的前面是不可能有其它元素的，但法国里昂的科学家最近发现一种由四个中子组成的微粒，这种微粒被称为“四中子”，由于它没有质子，就无法在现有的元素周期表中占据一席之地，所以有人称之为“零号元素”，它与天体中的中子星构成类似。

又有新问题产生了，是否在氢以后氦之前有其它元素呢？这还有待于科学研究的证实。

3．反方向的周期表
有趣的是，有些科学家还提出元素周期表还可以向负方向发展，这是由于科学上发现了正电子、负质子（反质子），在其它星球上是否存在由这此些反质子和正电子以及中子组成的反原子呢？这种观点若有一朝被实践证实，周期表当然可以出现核电荷数为负数的反元素，向负向发展也就顺理成章了。

当然，存在了零号元素，就像数学中的整数一样，除了正整数，还有负整数。

4．分子周期表
分子周期表的主要设计者是美国南基督安息日学院物理学家Hefferlin，他研制了两种周期体系，一是“物理体系”，该体系中所有分子含有相同的原子；另一种是含有不同数目原子的分子的“化学体系”。

早在70年代后期，Hefferlin提出了一个双原子分子的完整的周期体系，包含15个三维框架，框架中的一维是将周期表中组成原子的排数相加，而另外两维则是两个单个原子的行数。

在他的框架中已经观察到的具有周期性的特性有：分子中两原子之间的间隔距离，分子吸收各种光的频率，从分子中激发一个电子所需能量等等。

在后面几年，Hefferlin和中国科技大学的孔繁敖还分别提出了三原子分子体系和四原子分子体系，甚至有些科学家对某一类化合物提出特别的周期表，比如有机分子的周期表。

5．“超级原子”的困扰
2005年1月，自从《Science》上发表文章阐述Al13团簇显现了卤素的性质，
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国内媒体上就不断有“美科学家发现‘超级原子’，元素周期表要扩大”之类的报道出现。

就此，中国化学会有关专家指出，“美国科学家的发现并没有改变元素的基本性质，即没有‘从一个变成另一个’，可以称为‘原子簇’，但不能称之为‘超级原子’，更谈不上会使元素周期表扩大。

”美国科学家的研究确实产生了一种新的物质，但该物质并没有改变原有元素的原子核，而是将几个原子核聚集到了一起，因此不能说是产生了一种新的元素，更不会使门捷列夫元素周期表扩大。

原子簇简单地说可以称之为一种特殊的分子，导致元素周期表扩大即代表着有新的元素被发现，这要求新元素具有新的原子序数，新的原子核、质子数必须不同于已经发现的原子。

而美国科学家的发现显然并不具备这一特征，因此可以断定其没有发现新的元素，因而不会使元素周期表发生扩大。

门捷列夫也许会被一些“企图”扩展和扩大他思想的做法迷住，但是他们没有人能达到像门捷列夫那样在预测化学元素性质上的先驱作用。

其实有人也注意到当前元素周期表已知的元素，只与第一世代的基本粒子有关，元素周期律是由于原子核外电子符合泡利原理、能量最低原理和洪特规则填充在原子轨道上，而引起元素的原子周期性重复出现相似电子层结构的结果，需要一组n、l、m、s四个量子数就可以描述出原子中某一个电子的运动状态。

但是如果考虑第二、第三代基本粒子呢？元素周期表又将如何变化呢？
人们还发现，宇宙中的已知物质和天体，都是由表内已知的元素所组成。

周期表内元素原子序数增长的方向，又与组成天体的物质演化趋势一致，这也为众人所共认。

根据当前人类的估计，30%的宇宙是暗物质，65%的宇宙是暗能量。

通过望远镜观察到的近2000亿个星系，每个星系中又有2000亿个星球，再加上弥漫太空中的氢、氦、中微子等，而这些总加起来，仅占宇宙的5%。

我们原来认识的由电子、质子、中子构成的物质世界，仅占宇宙的5%，还有95%的宇宙是未知的。

当前的元素周期表也只是适用于已知宇宙中的很小部分，那么在那么大未知的世界中，元素周期表又应该是什么样的面貌呢？太多的奥秘值得人类时代追寻。

参考文献:
[1] 人民教育出版社化学室组编．《化学进展的启迪》．北京：人民教育出版社，2001.2
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[2] 李月寒．《元素周期律发现过程中科学范畴的演化》.安徽教育学院学报：1999.1
[3]何琳琳．《元素周期律的辩证示意》．黑龙江农垦师专学报：1999.3
[4] 陈凯，周志华．互联网上的化学教育外文资源．化学教学：2004.6
[5] 周志华．《生活·社会·化学》．南京：南京师范大学出版社，2000
[6]化学发展简史编写组.《化学发展简史》北京：科学出版社1980
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