化学论文：元素周期表的神奇与未来.doc

元素周期表的神奇与未来闫焕鹏电子与信息工程学院 电子信息工程 11005A0514摘要：本文主要介绍了元素周期表、元素周期律的诞生、基本内容、应用及未来发展，是对元素周期表及其规律的一次比较全面的总结和探究。 关键词：元素周期表；元素周期律；元素；未来发展；元素周期表的诞生化学元素周期表是1869年俄国科学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)首创的，他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一行，就是元素周期表的雏形。在周期表中，元素是以元素的原子序排列，最小的排行最先。表中一横行称为一个周期，一列称为一个族。图1为门捷列夫元素周期表手稿 1913年英国科学家莫色勒利用阴极射线撞击金属产生X射线，发现原子序数越大，X射线的频率就越高，因此他认为原子核的正电荷决定了元素的化学性质，并把元素依照核内正电荷(即质子数或原子序数)排列，经过多年修订后才成为当代的周期表。常见的元素周期表为长式元素周期表。在长式元素周期表中，元素是以元素的原子序数排列，最小的排行最先。表中一横行称为一个周期，一纵列称为一个族,最后有两个系。 除长式元素周期表外，常见的还有短式元素周期表，螺旋元素周期表，三角元素周期表等。道尔顿提出科学原子论后，随着各种元素的相对原子质量的数据日益精确和原子价(化合价)概念的提出，就使元素相对原子质量与性质(包括化合价)之间的联系显露出来。德国化学家德贝莱纳就提出了“三元素组”观点。他把当时已知的54种元素中的15种，分成5组，每组的三种元素性质相似，而且中间元素的相对原子质量等于较轻和较重的两个元素相对原子质量之和的一半。例如钙、锶、钡，性质相似，锶的相对原子质量大约是钙和钡的相对原子质量之和的一半。法国矿物学家尚古多提出了一个“螺旋图”的分类方法。他将已知的62种元素按相对原子质量的大小顺序，标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上，这样某些性质相近的元素恰好出现在同一母线上。这种排列方法很有趣，但要达到井然有序的程度还有困难。另外尚古多的文字也比较暧昧，不易理解，虽然是煞费苦心的大作，但长期未能让人理解。英国化学家纽兰兹把当时已知的元素按相对原子质量大小的顺序进行排列，发现无论从哪一个元素算起，每到第八个元素就和第一个元素的性质相近。这很像音乐上的八度音循环，因此，他干脆把元素的这种周期性叫做“八音律”，并据此画出了标示元素关系的“八音律”表。显然，纽兰兹已经下意识地摸到了“真理女神的裙角，差点就揭示元素周期律了。不过，条件限制了他做进一步的探索，因为当时相对原子质量的测定值有错误，而且他也没有考虑到还有尚未发现的元素，只是机械地按当时的相对原子质量大小将元素排列起来，所以他没能揭示出元素之间的内在规律。他的“八音律”在英国化学学会上受到了嘲弄，主持人以不无讥讽的口吻问道：“你为什么不按元素的字母顺序排列?那样，也许会得到更加意想不到的美妙效果。”德国化学家迈耶尔借鉴了德贝莱纳、纽兰兹等人的研究成果，从化合价和物理性质方面人手，去探索元素间的规律。在他的近代化学理论一书中，刊登了元素周期表，表中列出了28个元素，他们按相对原子质量递增的顺序排列，一共分成六族，并给出了相应的原子价是4、3、2、1、1、2。1868年，发表了第二张周期表，增加了24个元素和9个纵行，并区分了主族和副族。迈耶尔的第三张元素周期表发表于1870年，他采用了竖式周期表的形式，并且预留了一些空位给有待发现的元素，但是表中没有氢元素。可以说，迈耶尔已经发现了元素周期律后人在做出表。元素周期律 元素周期表是元素周期律用表格表达的具体形式，它反映元素原子的内部结构和它们之间相互联系的规律。元素周期表简称周期表。元素周期表1有很多种表达形式，目前最常用的是维尔纳长式周期表。元素周期表有7个周期，有16个族和4个区。元素在周期表中的位置能反映该元素的原子结构。周期表中同一横列元素构成一个周期。同周期元素原子的电子层数等于该周期的序数。同一纵行（第族包括3个纵行）的元素称“族”。族是原子内部外电子层构型的反映。例如外电子构型，IA族是ns1，IIIA族是ns2 np1，O族是ns2 np4， IIIB族是（n-1） d1ns2等。元素周期表能形象地体现元素周期律。根据元素周期表可以推测各种元素的原子结构以及元素及其化合物性质的递变规律。当年，门捷列夫根据元素周期表中未知元素的周围元素和化合物的性质，经过综合推测，成功地预言未知元素及其化合物的性质。现在科学家利用元素周期表，指导寻找制取半导体、催化剂、化学农药、新型材料的元素及化合物。意义元素周期律是自然科学的基本规律，也是无机化学的基础。各种元素形成有周期性规律的体系，成为元素周期系，元素周期表则是元素周期系的表现形式。 元素周期表是学习和研究化学的一种重要工具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，是对元素的一种很好的自然分类我们可以利用元素的性质、它在周期表中的位置和它的原子结构三者之间的密切关系来指导我们对化学的学习研究。 过去，门捷列夫曾用元素周期律来预言未知元素并获得了证实。此后，人们在元素周期律和周期表的指导下，对元素的性质进行了系统的研究，对物质结构理论的发展起了一定的推动作用。不仅如此，元素周期律和周期表为新元素的发现及预测它们的原子结构和性质提供了线索。 元素周期律和周期表对于工农业生产也有一定的指导作用。由于在周期表中位置靠近的元素性质相近，这样就启发了人们在周期表中一定的区域内寻找新的物质。 元素周期律的重要意义，还在于它从自然科学方面有利地论证了事物变化中量变引起质变的规律性。 元素周期律和周期表，揭示了元素之间的内在联系，反映了元素性质与它的原子结构的关系，在哲学、自然科学、生产实践各方面，都有重要意义。 1) 在哲学方面，元素周期律揭示了元素原子核电荷数递增引起元素性质发生周期性变化的事实，从自然科学上有力地论证了事物变化的量变引起质变的规律性。元素周期 表是周期律的具体表现形式，它把元素纳入一个系统内，反映了元素间的内在联系，打破了曾经认为元素是互相孤立的形而上学观点。通过元素周期律和周期表的学 习，可以加深对物质世界对立统一规律的认识。 2) 在 自然科学方面，周期表为发展物质结构理论提供了客观依据。原子的电子层结构与元素周期表有密切关系，周期表为发展过渡元素结构，镧系和锕系结构理论，甚至 为指导新元素的合成，预测新元素的结构和性质都提供了线索。元素周期律和周期表在自然科学的许多部门，首先是化学、物理学、生物学、地球化学等方面，都是 重要的工具。 3) 在生产上的某些应用 由于在周期表中位置靠近的元素性质相似，这就启发人们在周期表中一定的区域内寻找新的物质。 i. 药多数是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物。 ii. 半导体材料都是周期表里金属与非金属接界处的元素，如Ge、Si、Ga、Se等。 iii. 催化剂的选择：人们在长期的生产实践中，已发现过渡元素对许多化学反应有良好的催化性能。进一步研究发现，这些元素的催化性能跟它们的原子的d轨道没有充满有密切关系。于是，人们努力在过渡元素(包括稀土元素)中寻找各种优良催化剂。例如，目前人们已能用铁、镍熔剂作催化剂，使石墨在高温和高压下转化为金刚石；石油化工方面，如石油的催化裂化、重整等反应，广泛采用过渡元素作催化剂，特别近年来发现少量稀土元素能大大改善催化剂的性能。 iv. 耐高温、耐腐蚀的特种合金材料的制取：在周期表里从B到B的过渡元素，如钛、钽、钼、钨、铬，具有耐高温、耐腐蚀等特点。它们是制作特种合金的优良材料，是制造火箭、导弹、宇宙飞船、飞机、坦克等的不可缺少的金属。 v. 矿物 的寻找：地球上化学元素的分布跟它们在元素周期表里的位置有密切的联系。科学实验发现如下规律：原子量较小的元素在地壳中含量较多，原子量较大的元素在地 壳中含量较少；偶数原子序的元素较多，奇数原子序的元素较少。处于地球表面的元素多数呈现高价，处于岩石深处的元素多数呈现低价；碱金属一般是强烈的亲石 元素，主要富集于岩石圈的最上部；熔点、离子半径、电负性大小相近的元素往往共生在一起，同处于一种矿石中。在岩浆演化过程中，电负性小的、离子半径较小 的、熔点较高的元素和化合物往往首先析出，进入晶格，分布在地壳的外表面。 有的科学家把周期表中性质相似的元素分为十个区域，并认为同一区域的元素往往是伴生矿，这对探矿具有指导意义。应用周期律在使化学知识特别是无机化学知识的系统化上起了重要作用，对于研究无机化合物的分类、性质、结构及其反应方面起了指导作用。周期律在指导原子核的研究上也有深刻的影响，放射性的位移定律就是以周期律为依据的，原子核的种种人工蜕变也都是按照元素在周期表中的位置来实现的。20世纪以后，新元素的不断发现，填充了周期表中的空位，科学家在周期律指导下，还合成了超铀元素，并发展了锕系理论。在原子结构的研究上，也获得了壳层结构的周期规律。 还用于在过渡元素(包括稀土元素)中寻找各种优良催化剂。例如，目前人们已能用铁、镍熔剂作催化剂，使石墨在高温和高压下转化为金刚石；石油化工方面，如石油的催化裂化、重整等反应，广泛采用过渡元素作催化剂，特别近年来发现少量稀土元素能大大改善催化剂的性能。在金属与非金属分界线附近寻找半导体材料，如：镓Ga,硅Si，硒Se等。在过渡元素中寻找耐高温、耐腐蚀的合金材料，如用于制火箭和飞机的钛Ti,钼Mo等元素。 有关元素周期表的神奇的预言 1861年3月30日出版的化学新闻，报道了英国物理学家和化学家克鲁克斯发现了一种新的元素，并命名铊，在当时产生了很大的影响，第二年克鲁克斯把一瓶贴有标签“金属铊”的样本送到国际博览会上去陈列，受到了热烈的欢迎，并获得了巨额奖金。但是后来的化学实验证实了这瓶样本并不是真正的金属铊，而是铊的一种化合物。由于铊元素的发现，门捷列夫根据自己的周期表，在 l871年他突然宣布，一定存在一种元素，他称为“类铝”，虽然他们不曾相见，但门捷列夫知道它的相貌、性格和脾气，而且说得简直有声有色，活龙活现，难道门捷列夫是算卦先生吗?不是，他有着充分的理论根据，在元素性质周期律的基础上进行一次大胆预言。但是这个预言发表后在相当长一段时间内没有引起化学家的注意。到了1875年，一位靠自学成长起来的法国化学家布瓦博德朗，在对铝和铊的光谱性质进行研究时，意外地发现两条从未见过的紫色谱线，布瓦博德朗肯定这是一种新的元素产生的，到了11月份，布瓦博德朗制得了纯净的这种新元素单质，这种物质最吸引人的地方是，你把这种金属放在手中，它就会自动熔化为液体它的熔点仅有29.8。1876年5月他在法国科学院科学报告集上公布了自己的新发现，并给出了有关这种新元素的性质。可是不久，他收到了一封来自彼得堡的信，署名是门捷列夫。门捷列夫在信中以非常肯定的语气指出了布瓦博德朗关于新元素性质测定的不准确性， 尤其是比重，不应该是4.7，而应在5.9到6.0之间。当时布瓦博德朗很疑惑，他明知世界上自己是独无二在手中有这种新元素单质的人，门捷列夫怎么知道这种元素的比重的呢? 布瓦博一德朗是个非常谦虚谨慎的人，那就不妨再试试，于是他又重新仔细地做了比重实验，结果确定是5.94，与门捷列夫的预言完全一致。这件事在当时化学界引起很大的轰动，人们大为叹服门捷列夫周期表的伟大意义和他的远见卓识。大家懂得了这项发现是极不平凡的事，在寻取新元素的航行中，意外性和盲目性的牢笼已经被打破，从此人们可以在门捷列夫周期表的指引下进行了。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?一、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”。二、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。3168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三、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！ 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，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