1、元素周期表的发展作者： （兰州城市学院 化学与环境科学学院，甘肃 兰州 730070）摘要：本文通过讨论元素周期表的发展历史，介绍了随着科学的发展及认识的不断深化人们研制出许多种类型的元素周期表 ，通过对元素周期表进行了详细的解读，让人们更好的了解化学这门学科的发展历史。关键词：元素周期表；门捷列夫，元素元素周期表的发展史含有丰富的化学史资源， “化学史是了解化学史上重大事件和重要人物，以及重要化学概念的形成、法则和原理的提出、化学理论的建立的重要途径”1。本文就通过讲述元素周期表的几个发展阶段介绍了有关元素周期表的内容。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，随着科学的发展及认识的不断深化人们
2、研制出许多种类型的元素周期表，使其进一步趋于合理化和科学化。1 元素周期表的历史发展1661 年波义再提出元素的科学概念，化学确立为一门科学。随着采矿，冶金，化工等工业的发展，人们对元素的认识也逐渐丰富起来，到了十九世纪后半叶，已经发现了六十余种元素，这是为找寻元素问的规律提供了条件。1869 年，俄国化学家捷列夫在总结前人经验的基础上发现著名的化学元素周期律，这是自然界中重要的规律之一。有了周期律，人们对元索性质变化的内在规律性有了比较系统的认识。门捷列夫根据他发现的元素周期律，把元素按原子量的大小排列起来；构成图表的形式，这就是第一比重元素周期表。门捷列夫还根据元素周期律正确的修改了铍，铟
3、等七种元素的原子量，并预言了当时尚未发现的原子量为 44(Sc )，68(Ga )和 72 (G )等元素的存在和性质。1875 至 1886 年之间，科学家在自然界发现了这 3 种素。这无疑使门捷列夫成名垂青史的化学家。值得一提的是，德国化学家 Meyer 于 1870 年也独立作出了 几乎相同于门捷列夫周期律的观点的结论。从 19 世纪末 20 世纪初人们又发现了许多新元素，于是对门捷列夫周期表进行了一定的调整，最明显的是增加了一个竖行(族)，即稀有气体，并以镧系元素系列取代了 Ba 和之间的一种元素 2O 世纪初元素总数已增 85，在之后的 25 年中，又发现了铀等超重元素。后来，核裂变
4、反应的实现导致了更多的超元素的发现。19641968年，苏联科学家首先合成了 104 号和 105 号元素，并在此基础上2，合在了 106 号元素。20 世纪 80 年代初，德国人合成了107，108，109 等 3 种元素。1994 年，德国研究中心首次合成 1l0号元素，1 个月之后，苏联和美国的科学家一道合成了 110 号元素的原子量为 273 的同位素。通过对 110 号元素进行分析，发现其性质与 Ni，Pd，Pt 相似，这有力地证明了目前元素周期表排列的科学家。1996 年德国 GSI 实验室合成并确证了 111 和 112 号元素。上述新元素的合成都得益于元素周期表，又丰富和发展了
5、元素周期表。2.1、元素周期表的演化2.1.1 尚古多的“螺旋图”1862 年，法国矿物学教授尚古多创作了“螺旋图” 。元素按原子量的大小围绕着圆柱体进行排布，让性质相似的元素排布在同一条垂线上，如 LiNaK、ClBrI 等，由此提出元素的性质有周期性变化的规律。由于原子量差值为 16 的元素之间的性质并非都类似，而且原子量的数值也不准确，导致性质不同的 S 和 Ti，K 和 Mn 排到了同一条垂线，但是这种寻找周期律的思路为大家提供了借鉴。1864 年，三位化学家陆续发表了研究成果，有欧德林、迈耶尔和纽兰兹。元素依据原子量大小依次排布，由于参考了不同的变量，周期表风格迥异，各具特色。2.1
6、.2 欧德林的“原子量和元素符号表”英国化学家欧德林制作了“原子量和元素符号表” 。元素依据原子量大小进行竖排，同时参考元素的性质，出现了较完整的族的排列。欧德林意识到“无疑，在表中所出现的某种算术上的关系可能纯属偶然，但总起来说，这种关系在很多方面清楚地表明，它可能依赖于某一迄今尚不知道的规律3。 ”由于对元素性质研究的欠缺和过渡元素的干扰，导致 IA、IIA的元素未能形成完整的族，如果依据元素性质的递变规律把Li、Na、Be、Mg 的位置下调，就会得到较完整的族的排列，而且不影响其他元的排布。2.1.3 迈耶尔的“六元素表”德国化学家迈耶尔发表了“六元素表” 。依据原子量的大小、相邻元素原
7、子量差值的大小以及元素的化合价，对元素进行横排，让化合价相同性质相似的元素处于同一列。他发现：“在相对原子质量的数值上具有一种规律，这是无疑的。4”依据原子量差值的近似性和元素性质的差异，把主族元素排列在一起，没有了过渡元素的干扰，主副分明，避免了欧德林的周期表中主副族元素杂乱的排列方式，缺点是忽略了主副族元素在原子量上递增的特点。表格的一个重要应用是可以推导未知元素的原子量，如依据原子量差值的变化规律推导出锗(Ge)的原子量约为7305，与现代数值 7261 很接近。表中有了较完整的族的排列，但是未出现 IIIA 的元素，不然该称作“七元素表”了。同一周期的元素出现了交错，调整后，发现第 2
8、、4、5 周期元素原子量的差值合理，但是第 3 周期元素原子量的差值较大，这可能就是迈耶尔进行交错排布的原因，而问题的根本是第 4 周期出现了过渡元素，使同周期主族元素的原子量差值较大，说明这种运用局部特征进行的排布不完全合理。2.1.4 纽兰兹的“八音律表”英国化学家纽兰兹编排出“八音律表” 。元素按原子量大小编号后进行竖排，发现第 1 个元素与第 8 个元素性质相似，类似于八度音程，因此称为八音律” 。 2.1.5 门捷列夫的第一个周期律图表1869 年，俄国化学教授门捷列夫发表了第一个周期律图表。依据原子量的递增把元素纵向排布，让性质相似的元素横向排布，主副族元素出现了明显的区域划分。门
9、捷列夫的重要贡献是阐述元素周期律的论点；元素性质的周期性；依据原子量的变化规律预测未知元素的原子量；通过同类元素的原子量修正某元素的原子量。2.2 周期表的修改阶段2.2.1 迈耶尔的“化学元素周期系”1870 年，迈耶尔重新发表了一个周期表，依据原子量的大小进行纵排，使副族元素单独成列，突出主族元素，为了避免因为主副族的交叉出现减弱性质相似元素的递变规律，又创造性地把元素进行横向错层排布，保证同族元素的完整性，并为副族的设计提供了思路。将迈耶尔的周期表与他的“六元素表”进行对照，发现六年时间内增加了很多新元素而且原子量更加精确，排布方式由横排变为竖排，使主副族元素得以连续的排布，并设计成错层
10、排布避免相互干扰，这一点比风格类似的纽兰兹的周期表更科学，与门捷列夫的周期表进行对照，发现两者都是竖排，迈耶尔把 IIA、IIIA 、IvA 的元素都调整到合适的位置，虽然也为未知元素预留了空间，但门捷列夫却进一步预测了未知元素的原子量，而且增加了更多的元素。殊途未能同归，有其深层次的原因：“JL迈耶尔对元素性质的研究比较偏重于物理方面，并更加注意相似元素周期性出现的情况。而门捷列夫的研究更着重于元素的化学性质，并更多地着眼于元素随原子量增加其性质发生递变的情况以及这种情况周期性出现的事实。 ”52.2.2 门捷列夫的化学元素周期表1871 年，门捷列夫发表了第二张周期表。依据原子量大小进行横
11、排，使同族元素处于同一列，添加新的排布依据，如元素最高价的氧化物、最低价的氢化物、族和周期。他提出了周期的概念并解释了元素周期律：“元素(以及由元素所形成的单质或化合物) 的性质周期地随着他们的原子量而改变”3，运用元素周期律预言了“类硅”(1886 年被德国化学家文克勒发现，命名为“锗”) 和“类碲”(1898 年被玛丽居里发现)，其性质与预测的几乎完全一致，证明了周期律的正确。将门捷列夫的周期表与他的第一张周期表进行对照，排布方式由竖排变成横排，参考的因素更多，不仅依据原子量这一个因素，这样对元素的定期律，预留了更多的空位给未知元素，调整了约 13种元素的原子量，完善了 IIA、IIIA、
12、IVA 的元素，相比第一张周期表中主副族元素较好的区域划分，新表显得杂乱。与迈耶尔的周期表对照，两者排布方式不同，门捷列夫的周期表引入了周期的概念，为了让性质相似的元素处于同一列，同时避免副族元素的干扰，出现了主副族元素交叉排布的情况，有些杂乱，而迈耶尔通过错层处理，使主副族元素有了较好的区分。解决的办法就是将周期表延长，让交叉排布的元素恢复为同一个周期，但是钡(Ba)与铊(T1)之间过多的元素影响了铊之后元素的位置，而问题的解决也正是后来设计“镧系”的精妙之处。2.3 周期表的完善阶段2.3.1 维尔纳的长式化学元素周期表1905 年，瑞士化学家维尔纳编辑出长式化学元素周期表。依据原子量大小
13、同时参考元素的性质横排，主副族元素位置清晰，互不干扰，查阅起来非常方便，是当时最有实用意义的周期表。周期表中元素的数量更加丰富，补充了大量的放射性元素和惰性气体元素，但是 IIA 的元素仍未能形成完整的序列，如果把铍(Be)和镁(Mg)的位置复原，并参考后来引入的“镧系”和“锕系”的概念，把“长式”周期表缩短，出现了现代周期表的模样。遗憾的是周期表排布的依据仍然是原子量的大小，人们期待着揭开周期律的实质。2.3.2 柯塞尔的原子序数周期表原子结构理论的发展推动着科学家对周期律的深入研究，英国物理学家莫斯莱应用 x 射线研究，在 1913 年，揭开了原子序数是原子核电荷数的本质，并重新定义了周期
14、律“化学元素的性质是他们原子序数的周期性函数”6。1916 年，德国化学家柯塞尔在周期表中用原子序数代替了相对原子质量，制作了周期表，元素依据原子序数的大小横排。与门捷列夫的 1871 年的周期表进行对照，发现该周期表仅是在门捷列夫的周期表的基础上，把原子量换成了原子序数，排布并没有新意，也不如维尔纳的周期表应用广泛，如果将两者科学地结合在一起，就是我们现在使用最广泛的元素周期表。现在我们已经知道元素在周期表中的排布，依据的是原子的电子层排布，而元素性质的周期性也根源于原子电子层排布的周期性变化。3 元素周期表中元素及其化合物性质的变化八规律3.1 电子层结构变化规律同一主族元素。从上到下随着
15、原子序数的递增电子层数逐渐增多，但最外层电子数相同。 同一周期的主族元素(除第一周期外)从左到右随着原子序数的递增，最外层电子数由 1 个逐渐增加到 7 个，最后惰情气体元素的最外层为 8 个电子的稳定结构。3.2 原子半径变化规律 同一主族元素，从上到下随着电子层数增加，原子半径逐渐变大。 同一周期的主族元素，从左到右随着核电荷数的递增，原子半径逐渐变小。3.3 离子半径的变化规律同一主族元素，从上到下随着电子层数增加，离子半径逐渐增大。同一周期的主族元素，从左到右金属阳离子半径逐渐减小，非金属的阳离于半径也逐渐减小。3.4 化合价的变化规律同一主族元素的最高正化合价相同，并且等于族序数(除
16、电负性较大的氟与氧以外)。同一周期的主族元素，从左到右最高正化合价逐渐升高，由十二价逐渐升高到+ 7 价，第，族起出现负化合价，其负化合价价由一 4逐渐变到一 1 价3.5 金属和非金属的变化规律同一主族元素，从上到下金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。同一周期的主族元素，从左到右随着原子序数的递增，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。3.6 最高氧化物的水化物酸，碱性变化规律同一主族元素，从上到下其最高氧化物的水化物酸性逐渐减弱，碱性逐渐增强同一周期的主族元素，从左到右随着原子序数递增，其最高氧化物的水化物的碱性逐渐减弱，酸性逐渐增强。3.7 生成气态氢化物难易的变化规律同一主族元素，从 E N
17、 下随着非金属性逐渐减弱，生成气态氢化物逐渐变难。同一周期的非金属元素，从左到右随着非金属性逐渐增强，生成气态氢化物逐渐变易。3.8 气态氢化物的性质的变化规律同一族元素，从上到下生成的气态氢化物的稳定性逐渐减弱，还原性逐渐增强。此溶液的酸性也逐渐增强 。同一周期元素，从左到右生成的气态氢化物的稳定性逐渐增强(除第族元素外)7。参考文献：1 邓永财，李广洲. 化学史教育的新方法.化学教育，2006，(12) ：602 姚家元.谈元索周期律和元素周期表的教学J 玉溪师范学院学报.1997 345赵匡华化学通史 M北京：高等教育出版社，1990：2322376高胜利，陈三平，谢钢化学元素周期表M北京：科学出版社2007：1415.7粱恒新 .元素周期表中的变化八规律J 中学理科 1995.
