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加拿大化学家Fernando Dufour发明了一种看似圣诞树的3D元素周期表

作者: 发布时间:2019-04-02 09:01

为纪念俄国科学家门捷列夫(Dmitri Mendelev)发明凯发娱凯发娱乐平台元素周期表150周年,2019年被联合国定为元素周期表国际年。这张表有着让人无法忽略之美,因此在众多的文艺作品,如电影《星球大战》,还有大卫鲍伊的歌中,都能看到向它致敬的内容。然而,除了美学意义,其作为一种科学图谱,是否在150年后,还能代表元素的特征,并指导新元素的发现,是科学家们的心结和挑战。

150多年前,在人们最开始研究化学元素的时候,运用的是一种叫“八度法”的法则,略晓音律的人都能看出这个法则与音高的规律不谋而合。没错,正如在钢琴上,每到第八个键就开启下一个循环,好像第一个音符某种特性还在,只是发生在新的阶梯上,元素周期表也有异曲同工之处。由于元素这种奇妙的周期性,我们将它分成了不同的周期、主族、副族……比如稀有气体的0族。

正如音符有各种排列方式产生美妙的音乐,元素似乎也有许多组合方式,究竟哪一种才是最佳排序,长期以来,争议从未停止过。有些化学家认为其中一些元素应当调整顺序,有的则认为整个元素周期表应当重新规划。

在最开始的时候,元素周期表是按照原子重量排序的,此后又改成了以质子数递增排序,但众所周知,原子的性质与其电子数也是极大相关的,又是否该按电子数来排序?

有个新方案看起来像圣诞树

元素的性质与最外层电子数息息相关,目前表格型的设计将最外层电子数相同的元素放在同一个族中,尽管非常科学,但是依然存在瑕疵,例如氢的存在状态是氢气,跟其后的活泼金属不是一类物质,将它们归结在一个族中未免有失偏颇。

当原子或原子团最外层电子数为2或8的时候,它处于最稳定的结构,原子都有趋于稳定的性质,因此氢原子在一起都结合成了氢气。从这一层面而言,似乎把氢归纳到卤族更加合适。

为什么金和水银看起来格格不入?

水银在常温下是液体,在形态上与其同主族的锌和镉等所有元素都不一样,那么为什么它会排到了这一列?

元素周期表越往后,原子核中包含的质子数就越多,意味着原子核对其周围原子产生的引力越大,电子绕核运动的速度越快,到了水银这个位置,电子已经达到58%的光速。根据爱因斯坦的狭义相对论,这会导致它们的有效质量显着高于电子的正常质量,将加剧了它们受到的向内拉力。

固体的形成需要原子间成键,水银由于其原子核拉力巨大,将外层电子紧紧缚住,以至于无法成键,只能以液体形式存在。而黄金作为金属中颜色特殊的存在,也是由于相对论效应,改变了电子吸收光的方式。

镧系和锕系的迷思

我们知道电子围绕原子核运行有特定的轨道,当填满了内层轨道后,才开始进入下一轨道。当元素周期表按此排序进入到镧系和锕系的时候,镧系和锕系两个系列的元素随着原子序数的增加都只在内层轨道(相应的4f和5f轨道)充填电子,其外层轨道(相应的6s、5d和7s、6d轨道)的电子排布基本相同,为了区别其近似的化学性质,我们将其单独列于元素周期表之外,从而在第三族留下一个缺口。

然而,科学家对F区中哪些元素应该排在最前面仍有争议。一些化学家坚持认为,应按电子的排序来确定顺序,即维持现在的顺序,把镧和锕排在F区最左侧。还有人认为,按化学性质(如原子半径和熔点)来看,把目前排在最右的镥和铹排在最前面更好。

从头再来

一些化学家关注到了这些问题,并希望能重新绘制元素素周期表。

退休的加拿大化学家Fernando Dufour发明了一种看似圣诞树的3D元素周期表。

Theodor Benfey设计了螺旋形的元素周期表,它的f块向外凸出。

美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的Eric Scerri主张彻底变革:通过把F区的全部30种元素放进现在的第二和第三族之间,使竖列从18列变为32列。这样周期表中的原子序号就可以连续排列。

德国马克斯•普朗克数学研究所的Guillermo Restrepo赞同镧应属于第三族——也就是说,不应该是当前的排布顺序。

重写元素周期表听起来有些天方夜谭又遥不可及,但其实已经非常迫切,119号元素即将被发现,它将在当前的元素周期表上何去何从呢……