化学元素周期表的发展史

化学元素周期表的发展史（海南大学）科技是人类社会发展的动力，科学技术的发展史无疑是世界上最伟大的历史。选修了《文明通史—科技史源流》这门课，我了解到许多科学技术在千万年历史中的发展轨迹，科学的探索是个艰难的过程，无数的科学家，实践家为此付诸了毕生的精力。就像对于元素周期表，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，在这一百年间有许多科学家都做出了贡献。我们不了解他们，但是他们却在元素周期表发展过程中占据着不可或缺的位置，可以说，没有他们，就没有元素周期表。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。一.元素周期表的诞生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。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。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”，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。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，这张元素表还隐显出元素性质随原子量周期性变化的规律。1865年，纽兰兹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”。为了符合八音律，他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”，整个表显得相当混乱。这种机械的研究方法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”，已经具有了周期表的雏型。1868年，迈耶尔发表了《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。第二年，他又制作成了他的第二张化学元素周期表，指出元素性质是原子体积的函数。1860年，门捷列夫对原子量测定和元素分类产生了浓厚兴趣，他紧紧抓住原子量这一体现元素最基本特性的物理量，探讨元素性质间的变化规律。门捷列夫对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，他依据原子量的大小把元素排列起来，发现氯和钾的原子量相差不大，但性质截然不同；钾和钠的原子量相差很大，但性质非常相似；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，由此，门捷列夫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。他指出①按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显周期性；②原子量的大小决定元素特征；③应该预料到许多未知元素的存在；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。1871年，门捷列夫吸收了迈耶尔表中的合理部分，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。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；他把未知元素的空格由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。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。二.元素周期表将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?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。因此，作为显示质子演化全过程的周期表，是会有终点的。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”。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。参考文献：[1]人民教育出版社化学室组编．《化学进展的启迪》[M]．北京：人民教育出版社，2001.2.[2]李月寒．《元素周期律发现过程中科学范畴的演化》[R].安徽教育学院学报：1999.1.[3]化学发展简史编写组.《化学发展简史》[M]北京：科学出版社，1980.