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元素周期表

无机化学的系统化

来源:未知作者:宋洲 点击:所属专题: 近代化学
19世纪以来,随着分析化学的发展、电化学的兴起以及光谱学的进步,到1869年已发现了63种元素。关于各种元素物理及化学性质的研究资料也已积累得相当丰富。原子-分子学说到1860年卡尔斯鲁厄会议以后,得到了公认。原子量、当量、分子量间的关系经过曲折的发展过程终于得到澄清

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    19世纪以来,随着分析化学的发展、电化学的兴起以及光谱学的进步,到1869年已发现了63种元素。关于各种元素物理及化学性质的研究资料也已积累得相当丰富。原子-分子学说到1860年卡尔斯鲁厄会议以后,得到了公认。原子量、当量、分子量间的关系经过曲折的发展过程终于得到澄清,很快有了统一正确的原子量。原子价学说的确立又进一步揭示了元素化学性质上的一个极重要的方面,阐明了各种元素相化合时在数量上所遵循的规律。于是各种元素之间是否存在着内在联系的问题便引起了科学家们的思考。到了19世纪后期,解答这个问题的时机逐渐成熟。  

    三元素组 1829年德意志化学家J.W.德贝赖纳发现有几个相似元素的组,每组包括三个元素,每组中的元素性质相似,而中间一个元素的化学性质又介乎前后两元素之间,而且原子量也差不多是前后两元素的算术平均值。他确定的三元素组有:①锂、钠、钾;②钙、锶、钡;③氯、溴、碘;④硫、硒、碲;⑤锰、铬、铁。当时由于发现的元素只有54个,德贝赖纳的分类仅限于局部元素的分组,没有可能把所有元素作为一个整体来进行研究。但他的这种对元素进行归纳分类的工作,对后人是有启发的。

    螺旋图 1862年法国化学家A.-E.B.德尚库托瓦提出了元素的性质随原子量而周期性地变化的论点,创造了“螺旋图”。他将62个元素按其原子量的大小循序标记在绕于圆柱上升的螺线上。这样就清楚地看出,那些性质相似的元素基本上处在圆柱的同一条母线上,如Li-Na-K;S-Se-Te;Cl-Br-I等等。但是由于元素性质的周期性重复并不是总遵循以原子量差值为常数(16)的原则,所以在图上一些性质迥异的元素也混入一组里,造成了混乱。因此他的论文当时未被巴黎科学院接受。但是从认识论的观点看,他从元素的整体上探讨了元素性质和原子量之间的内在联系,为揭示元素性质的周期性做了第一次尝试。  

    元素表 1864年W.奥德林发表了题为“原子量与元素符号”的文章,列出元素表,说明元素性质随原子量的增加会出现周期性变化的规律。他对碘和碲并未顾及它们的原子量而是按性质安插了它们的位置,并且还在表的适当地方留下了空位,表明他已意识到尚有未被发现而其性质和本列相似的元素。但他的表中仅列出40种元素,对元素的分组也不够确切;对该表也缺乏实质性的说明,但是从形式上和认识的深度上看,比螺旋图前进了一步。同年,迈尔列出了一个“六元素表”,表中对元素的分族做得十分恰当,每族元素按原子量排列,族与族之间按原子价的变化排顺序,因此已成为周期表的雏型,并为尚未发现的元素留下了空位。但他概括的元素还不及当时已知的一半。  

    八音律表 1865年英国化学家J.A.R.纽兰兹把当时已知的元素按原子量大小的顺序进行排列,发现相似元素常相隔7个或7的倍数,于是提出了“八音律”的学说,并依此律列出了元素的“八音律表”。但是,他既没有充分估计到原子量测定值会有错误,又没有考虑到还有未被发现的元素而留出空位,只是机械地按当时的原子量大小将元素排列起来。因此“八音律表”很难将元素间的内在规律充分揭示出来。

    周期表 1869年俄国化学家Д.И.门捷列夫对上述的工作进行了认真的研究、核对;对已掌握的大量化学事实做了对比、验证,努力从中探寻各种规律;对于有疑问的原子量,他根据该元素的化学性质、原子价、当量,做了一些校正;他根据各种元素对氧和氢的关系、金属性和非金属性、相对化学活性、原子价等等将它们加以分类。从中他特别注意到:各种元素的原子量可以相差很大,而原子价的变动范围则较小;同价的元素即使原子量相差很大,但性质可以非常相似;所有一价元素都是典型的金属,7价元素都是典型的非金属,4价的元素性质则恰好介于这两类元素之间。这就使他坚信,各种元素之间一定存在着统一的规律性,若按原子量排列,元素的性质必然呈现出周期性的变化。同年,他按此原则把当时已知的元素排列成表,全表有66个位置,留有4个空位,表示有待发现。表中钍、碲、金、铋是按它们的性质来决定其位置的,而原子量与位置存在着矛盾,他认为这是由于原子量测定上出现了差错。  

    1868年迈尔发表了“原子体积周期性图解”,表示出元素的原子量与原子体积的关系。1869年他也制作了一个化学元素周期表,不过他比较强调元素物理性质的周期变化,但较门捷列夫的周期表增加一个“过渡元素族”。  

    周期律的发现表明元素性质的发展、变化过程是由量变到质变的过程,它具有科学的预见性。门捷列夫不仅利用这一规律正确地修订了一些元素的原子量(In、La、Y、Er、Ce、Th、U等),而且预言了大约15种元素的存在以及它们的性质。他预言的“类铝”(镓)、“类硼”(钪)和“类硅”(锗)都在其后的15年内陆续被发现,其性质与门氏预言的惊人一致。这有力地证明了周期律的科学性,使它赢得了整个科学界的公认和高度评价。它是化学发展史中的一个里程碑,是近代化学发展的最高峰。  

    英国化学家拉姆齐等对多种惰性气体元素的发现,为周期表补充了一个零族,更深化了化学家们对周期律的认识。1913年英国物理学家H.G.J.莫塞莱通过对各种元素的特征X射线波长的系统研究,揭示了元素周期律的根源不是基于表观上的原子量,而是基于原子序数,即原子内部原子核所带的电荷数,也就是所含的质子数。

(责任编辑:化学自习室)
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