地球的元素

什么是元素周期表？

尽管科学家知道许多元素，但其中许多元素的性质是相似的。因此，如果根据它们的性质进行分组，就能更容易地研究和比较它们的性质。元素周期表是一种组织已知元素的方式。在早期，元素仅被分为两类：金属和非金属。然而，有些元素显示出既有金属又有非金属的性质，它们被称为类金属。

元素周期表的历史

早期历史  

德米特里·门捷列夫

人们从古代就知道一些基本的化学元素，如金、银和铜，因为这些元素可以在自然界中以本态形式发现，并且用原始工具开采相对简单。哲学家亚里士多德提出了一个理论，认为一切物质都是由四种元素的混合物组成的。这四种元素是土、火、水和空气。这种说法更像是物质的四种状态（按顺序：固态、液态、气态和等离子态），尽管他也认为这些元素通过变化形成新的物质，构成了我们所见的世界。

亨尼希·布兰德是第一个发现新元素的人。布兰德是一个破产的德国商人，他试图发现哲学家的石头——一种传说中的物质，能够将廉价的金属转化为黄金。他通过蒸馏人类尿液进行实验，直到1669年，他最终获得了一种发光的白色物质，并命名为磷。他将这一发现保密，直到1680年，罗伯特·波义耳重新发现了它，这才成为公众的知识。

到1809年，总共有47种元素被发现。随着已知元素数量的增加，科学家们开始认识到化学反应中存在的规律，并开始设计分类元素的方法。

安托万·洛朗·德·拉瓦锡  
安托万·拉瓦锡的《化学元素基本论》（1789年，罗伯特·克尔翻译成英文）被认为是第一本现代化学教科书。书中列出了无法再进一步分解的物质或元素，其中包括氧、氮、氢、磷、汞、锌和硫等。它也构成了现代元素列表的基础。然而，他的列表中还包括了光和热质，他认为它们是物质性物质。尽管当时许多著名的化学家拒绝相信拉瓦锡的新发现，但《化学元素基本论》写得足够好，成功说服了年轻一代。

这个模型仅将元素分类为金属和非金属，因此没有被广泛接受。

亚历山大-埃米尔·贝居耶·德·尚库尔图瓦  
法国地质学家亚历山大-埃米尔·贝居耶·德·尚库尔图瓦是第一个注意到元素的周期性、即元素的周期性或重复性质的人——相似的元素似乎在按原子重量排序时按规律的间隔出现。他设计了一个早期版本的元素周期表，称之为“地电螺旋”。在这张图表中，元素按照原子重量递增顺序排列在一个螺旋形的圆柱体上，尚库尔图瓦发现具有相似性质的元素垂直排列。他的图表除了元素外，还包括了一些离子和化合物。尽管他的论文在1862年出版，但使用了地质学而非化学术语，并且没有包含图示，因此直到德米特里·门捷列夫的工作之后才获得关注。

约翰·纽兰兹  
约翰·纽兰兹是英国化学家，在1863年将当时已经发现的56种元素分类为11组，这些组基于相似的物理性质。他注意到，许多相似的元素成对出现，并且它们的原子质量相差正好是八的倍数。

第一个元素周期表

德米特里·门捷列夫
德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev），又拼作德米特里·门捷列耶夫，父名伊万诺维奇（Ivanovich），是一位出生于西伯利亚的俄罗斯化学家，他是第一个制定出类似于我们今天使用的元素周期表的科学家。门捷列夫按照元素的原子质量将元素排列成表格。有人说，他在长途火车旅行中，用卡片（上面写着已知元素的各种事实）玩“化学接龙”游戏。[3] 1869年3月6日，他向俄罗斯化学学会正式提交了一份名为《元素原子质量与其性质之间的关系》的报告。他的表格最初刊登在一本不太知名的俄罗斯期刊上，但很快便在1869年被德国期刊《化学杂志》（Zeitschrift für Chemie）重新发布。其内容指出：

• 如果按原子质量排列元素，它们会展现出明显的周期性特征。
• 化学性质相似的元素，其原子质量要么几乎相同（例如铂（Pt）、铱（Ir）、锇（Os）），要么按规律增加（例如钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs））。
• 按原子质量顺序排列的元素或元素组，体现了它们的价态，以及在某种程度上与它们的独特化学性质的关系；例如锂（Li）、铍（Be）、钡（Ba）、碳（C）、氮（N）、氧（O）和锡（Sn）等系列（可能是“锂（Li）、铍（Be）、硼（B）、碳（C）、氮（N）、氧（O）和氟（F）”的误写，因为当时元素符号尚未完全标准化）。
• 最广泛分布的元素通常具有较小的原子质量。
• 元素的原子质量决定了该元素的性质，正如分子质量决定化合物的性质一样。
• 我们可以预期会发现许多尚未发现的元素——例如类似铝和硅的元素——它们的原子质量应该介于65到75之间。
• 通过了解相邻元素的原子质量，有时可以修正某些元素的原子质量。例如，碲（Te）的原子质量应该在123和126之间，而不能是128。
• 可以通过元素的原子质量预见其某些特征性质。

优点

• 门捷列夫预测了其他元素的发现，并为这些新元素留出了空间，即“eka-硅”（锗）、“eka-铝”（镓）和“eka-硼”（钪）。因此，周期表没有受到干扰。
• 他预测了一些当时缺失的元素的性质，并准确预测了它们的一些化合物的性质。
• 他指出，当时一些元素的原子质量是错误的。
• 他考虑到了原子质量顺序的变化。

缺点

• 他没有考虑各种元素的同位素。
• 他的表格没有包括任何贵气体元素，这些元素在当时尚未被发现。但这些元素后来由威廉·兰姆赛爵士（Sir William Ramsay）作为第0组添加，且没有扰乱周期表的基本概念。

门捷列夫并不知道，洛塔尔·迈耶（Lothar Meyer）也在研究元素周期表。在他于1864年发表的研究中，迈耶仅列出了28种元素，这些元素并不是按照原子质量排列，而是仅根据其价态进行分类。此外，迈耶并没有想到预测新元素和修正原子质量。就在门捷列夫发布了包括所有已知元素的周期表并预测了一些新元素来完善该表之后，迈耶也发表了一张几乎完全相同的表格。虽然有些人认为迈耶和门捷列夫是周期表的共同创造者，但大多数人认为，门捷列夫准确预测了尚未发现元素的特性，因此他应获得更大的功劳。无论如何，门捷列夫的预测在当时给他的 contemporaries 留下了深刻印象，并最终被证明是正确的。1864年，英国化学家威廉·奥德林（William Odling）也绘制了一张与门捷列夫的周期表非常相似的表格。

亨利·莫斯利
1914年，亨利·莫斯利发现了元素的X射线波长与其原子序数之间的关系，因此根据电子电荷而非原子质量重新排列了周期表。在此发现之前，原子序数只是基于元素原子质量的顺序号。莫斯利的发现表明，原子序数具有可实验测量的基础。

莫斯利的研究还表明，在他的周期表中，原子序数为43和61的元素存在空缺，这些元素现在已知是放射性元素，并非自然存在。继承门捷列夫的研究，亨利·莫斯利也预测了新元素的存在。

格伦·T·西博格
在1944年进行曼哈顿计划研究时，格伦·T·西博格在分离美洲（Americium，元素95）和库里（Curium，元素96）时遇到了意想不到的困难。他开始怀疑这些元素是否应该归属于不同的系列，以解释为什么新元素的化学性质与预期不同。1945年，他违背同事的建议，提出了对门捷列夫表格的重大修改：即“锕系系列”。

西博格的锕系元素概念，预测锕系元素形成类似稀土系列的过渡系列（5f系列），现在在科学界得到了广泛接受，并被纳入所有标准的周期表配置中。锕系元素是f区的第二行（5f系列），包括从锕（Ac）到劳伦钠（Lr）的元素。西博格之后对锕系概念的扩展，假设了包括104到121号元素的超重元素系列，以及包括122到153号元素的超锕系元素系列。

参考文献

• Annales des Mines历史页面。
• 根据《化学新闻》1863年2月的一封信，出自《显赫人物数据库》
• 《物理科学》，霍尔特·莱因哈特与温斯顿（2004年1月），第302页 ISBN 0-03-073168-2