2019年03月16日 星期六
元素周期表需要重新设计吗
三大“怪异”引质疑 替代方案层出不穷
西奥多·本菲提出的螺旋周期表,强调了元素之间的连续性
图片来源:英国《新科学家》网站

    今日视点

    本报记者 刘 霞

    几乎每个化学实验室的墙上,都有一张元素周期表。通常,我们将元素周期表的创造归功于俄国化学家德米特里·门捷列夫。1869年,他将当时已知的63种元素写在卡片上,并根据化学和物理性质对它们进行排列,这就是我们现在耳熟能详的元素周期表的雏形。

    为庆祝元素周期表诞生150周年,联合国宣布将2019年定为国际化学元素周期表年。150年科技探索,风雨变迁,元素周期表能否在今后长期仍保持现在的模样?

    随着我们对元素的认知日益深刻,科学家发现元素周期表存在不少“怪异”之处。有人质疑现在的元素周期表并非最佳排列方式,并提出要对其进行重新设计。英国《新科学家》杂志在近日的报道中,解释了现有元素周期表的“怪异”之处,并介绍了科学家提出的替代方案。

    氢应“身居”何处?

    让我们先从“打头阵”的氢开始。氢的最外层电子数为1,排在现在的位置或许无可厚非——在第1族内,排在最外层同样只有一个电子的锂和钠之前。

    然而,氢是气体,不是金属。因此,从属性上来说,有点“不配位”。

    由于氢的外壳能容纳两个电子,而氢实际上只有一个电子,这使其处于不圆满状态,导致化学性质非常活跃。在这个意义上,氢类似于第17组中的元素——氯等卤族元素,它们的外壳只需要获得一个电子就可完整。这就使氢和卤族元素具有相似的反应活性,因此,就性质而言,氢比锂更接近氯。

    汞和金为何如此怪异?

    此外,在元素周期表下方的汞也很怪异。

    汞在室温下呈液态。从这个意义上来说,它与第12族的其他成员,如锌和镉,完全不同,因为后两者都是固体金属。

    科学家解释说,在元素周期表中,越往后的元素,其原子核中质子所带正电荷数就越多,对核外电子产生的吸力更大,这意味着它们必须以越来越快的速度运行。根据爱因斯坦的相对论,这会导致它们的实际质量远远大于电子的正常质量,从而增加内向拉力。

    而汞电子的运行速度高达光速的58%,这使它们的电子轨道非常紧密,无法与别的原子发生联系,因此无法成为固体。

    同样的道理也解释了为什么金是金色——金属中一种独特的颜色:相对论效应改变了电子吸收光的方式。

    F区难题

    第3族有两个可能属于其他地方的元素。

    电子在不同的轨道内,填满整个原子核的外壳,电子每填满一个轨道便进入下一层轨道。当我们沿着周期表往下看,到了第57号元素(镧),电子便开始进入新轨道,即F轨道。为了反映这一点,元素周期表将组成F区的元素单独放在周期表的下方,从而在第3族留下一个缺口。

    这容易理解,但科学家对F区中哪个元素应排在最前面仍有争议。一些人坚持认为,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。

    2016年,国际纯粹化学与应用化学联合会组建了一个工作小组来解决这一争论,但可能很难在短期内给出结论。

    替代方案层出不穷

    所有这些问题都让一些化学家相信,我们需要重新设计元素周期表的布局,以突出在传统表格中并不明显的元素之间的相关性。

    目前并不乏这方面的想法,科学家们已提出了数百个版本的元素周期表(英国曼彻斯特城市大学的马克·里奇保留了这些周期表的互联网数据),其中西奥多·本菲提出的螺旋状和退休的加拿大化学家费尔南多·杜富尔发明的看似圣诞树的3D版本尤为流行。

    其中,螺旋式元素周期表以氢元素为中心,元素随着原子质量增加呈螺旋式上升。每个轮辐(从中心到外围的直线)上的元素具有相同的属性,就像今天元素周期表中同一族的元素一样。

    美国加州大学洛杉矶分校的埃里克·谢里则支持一种更彻底的修改方法:通过把F区的全部30种元素放进现在的第2和第3族之间,使竖列从18列变为32列,如此一来,周期表中的原子序号就可以连续排列。

    但德国马克斯·普朗克数学研究所的吉勒莫·雷斯特雷波倾向于另一种方式:鉴于我们对元素化学反应性的了解不断增加,他研究了同一周期中元素的化学相似性是否与150年前相同。他得出结论称,镧应属于第3族——也就是说,不符合当前顺序。

    重新设计元素周期表或许像是唐吉诃德式的探索,但也许很快会成为一项紧迫工作。我们已经开始寻找第119号元素。它在何处?把它安排在元素周期表的什么位置合适?我们只能拭目以待。

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