多年来,科学理论往往来来去去。事实上,在科学哲学家中有一句相当悲观的口号:“所有理论都是生来就被驳斥的”,意思是它们迟早都会被取代。因此,2019年已有150年历史的元素周期表竟然保存了这么久,这可能会让人感到有些意外。诚然,从技术上讲,周期表本身并不是一种理论,但自从它首次出版以来,它仍然是一种具有巨大力量和影响力的科学组织原则。
这张表是1869年由俄国化学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)提出的,他认识到,如果按原子量递增的顺序排列,元素的性质似乎每八个元素之后就会重复出现一次。例如,锂是一种柔软的活性金属。钠也是如此,它排在名单的最后8位。钾也是,8个点之后。与几乎所有的科学发现一样,其他科学家也曾接近做出同样的发现,但由于这样或那样的原因,他们没有得到多少赞扬。化学周期性的第一个线索是由法国工程师亚历山大·埃米尔·德·钱库托伊斯(alexander - emile de Chancourtois)宣布的。
然后,伦敦的两位化学家,约翰·纽兰兹和威廉·奥德林,在完全独立工作的情况下,得出了他们自己的元素周期表。在美国,一名丹麦移民古斯塔夫·辛里奇也认识到,这些元素可以像德国化学家朱利叶斯·洛塔尔·迈耶一样,被置于一个连贯的系统中。但是,这些科学家中没有人能够像门捷列夫那样,对可能被发现的新元素做出预测,也没有人能够像他那样,在一定程度上捍卫元素周期表的价值。
在20世纪,物理学,本质上解释了所有化学,经历了一场重大的革命。包括尼尔斯·玻尔、沃尔夫冈·泡利、欧文·薛定谔和维尔纳·海森堡在内的科学家们发现,在原子及其组成粒子的尺度上,普通经典力学定律需要被新的量子力学定律所取代。然而,尽管这一革命性的理论成为解释构成各种元素的原子行为的基础,元素周期表在本质上仍然没有受到挑战。
当然,表中有一些变化,尽管这些变化相对较小,在某些情况下几乎是表面的。例如,元素不再按照原子质量(原子核中质子和中子的总数)排序,而是按照原子序数的递增值(仅为质子总数)排序。其次,原来的8列表在很大程度上已经让位给更宽的18列表,这些表以更准确的方式捕捉元素之间的关系。
元素周期表的众多优点之一是它给化学世界带来了简化和连贯性,更确切地说,给元素带来了连贯性。化学专业的学生,或者专业的化学家,不必学习118种已知元素的性质,只需掌握其中10种元素的典型性质就可以了。化学家需要知道组1和组2以及组13到组18中元素的典型性质。
此外,他/她必须熟悉元素周期表中心或d区元素的典型性质。这些元素主要由密度大的金属组成,这些金属能够形成不同数量的键,这取决于它们所处的特定化合物。10种典型元素中的最后一种元素位于元素周期表主体的脚注中,形状奇特。这些f区元素包括商业上非常重要的稀土元素,通常与其他元素形成三种键。
元素周期表首次被发现后不久,就取得了巨大的成功。除了合并当时已知的所有元素外,门捷列夫还在他的表中留下了几个空的空间,预测会发现新的元素来填充它们,并确定它们的属性。具体来说,他预言了四种元素的存在。值得注意的是,其中三种元素,即后来被命名为镓、锗和钪的元素,在门捷列夫预言的15年内被发现。第四种现在被称为锝,在1937年首次合成。
这些预测使元素周期表成为一种非常有用的工具,同时也解释了已知元素的性质。这种预测能力至今仍然存在,并有助于解释周期表的持续相关性。例如,在20世纪90年代,人们发现化合物YBa2Cu3O7可以作为高温超导体。为了寻找其他这类材料,科学家们只需要查阅元素周期表,就可以预测用镧取代钇的化合物也是高温超导体。这是因为镧在元素周期表中比钇低一个位置。不久人们就发现,类似的含镧化合物确实是超导体,而且实际上比含钇的化合物更甚。
化学家们还利用元素周期表来预测尚未发现的元素的存在。例如,尽管元素周期表的高端元素高度不稳定,但研究人员长期以来一直怀疑,可能存在一个原子数量更高的所谓“稳定岛”。这些预测集中在114号元素上,现在被称为flerovium,它是1999年在俄罗斯的一个反应堆中产生的,尽管它增强的稳定性比最初的预期要差。但搜索仍在继续。
2019年被联合国教科文组织指定为元素周期表年。这个非凡的科学符号的持续价值是我们所有人举起一杯伏特加来纪念它的发现者德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)的一个很好的理由。