怎樣給上百種化學(xué)元素排排座？

希臘神話中，尼俄伯（Niobe）是底比斯國(guó)王安菲翁的王后，她是幸福的女人：父親是宙斯的兒子坦塔羅斯（Tantalus），丈夫是無(wú)所不能、出類(lèi)拔萃的音樂(lè)家，她自己則是一位養(yǎng)育了7個(gè)小王子和7個(gè)小公主的驕傲的母親。

然而，在希臘神話中，尼俄伯又是一位悲劇人物。雷托是阿波羅（太陽(yáng)神）和阿耳特彌斯（月亮女神）的母親，每年春天底比斯城的婦女都會(huì)向這位偉大母親奉獻(xiàn)鮮花，這使尼俄伯嫉妒不已。這一年，當(dāng)婦女們?cè)僖淮尉奂嚼淄械膹R宇里時(shí)，尼俄伯披著柔軟耀眼的長(zhǎng)袍，走向人群，責(zé)備她們對(duì)女神的狂妄崇拜，她聲稱自己比雷托更高貴、更偉大，人們應(yīng)當(dāng)尊敬她而不是雷托，雷托不過(guò)是兩個(gè)孩子的窮母親而已。

雷托此時(shí)正站在山頂上俯視底比斯城，看到這一幕后，她決定“以牙還牙”。她找來(lái)阿波羅和阿耳特彌斯，將事情一五一十地告訴了他們。性急的阿波羅借著云彩的掩護(hù)來(lái)到底比斯城外，抽出了弓箭，正在玩耍的7個(gè)小王子紛紛倒在他那百發(fā)百中的箭下。

尼俄伯悲痛欲絕，她帶著7個(gè)公主來(lái)到王子們的尸體旁，痛罵雷托和她的孩子。這次阿耳特彌斯特抽出了弓箭，一眨眼工夫，7個(gè)活潑可愛(ài)的公主都倒下了。尼俄伯呆住了！她一動(dòng)不動(dòng)地坐在14具尸體中間，目光漠然，那悲痛欲絕的憤怒竟將她化成了一塊石頭！

這個(gè)故事里的Tantalus和Niobe，將出現(xiàn)在我們的元素周期表里。

1　元素的早期發(fā)現(xiàn)

在古代，一些先哲都將水作為唯一的元素，無(wú)論是中國(guó)的管子所說(shuō)的“水者，何也？萬(wàn)物之本原也”，還是英國(guó)的泰斯特認(rèn)為的“水是萬(wàn)物之母，水生萬(wàn)物，萬(wàn)物最終又將化水而去”，都認(rèn)為水是構(gòu)成各種物質(zhì)的基本單位。后來(lái)，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)單一

的元素說(shuō)根本無(wú)法對(duì)物質(zhì)世界的多樣性和變化性作出解釋時(shí)，就不斷地往元素家族里添加新成員，于是出現(xiàn)了“三要素說(shuō)”、“四元素說(shuō)”。比如在古希臘、古印度以及瑪雅文化中，人們不約而同地將水、氣、土、火認(rèn)為是組成世間萬(wàn)物的原始物質(zhì)，這就誕生了統(tǒng)治西方很長(zhǎng)一段時(shí)間的“四元素說(shuō)”。而在中國(guó)，人們信奉的是以金、木、水、火、土為基本元素的“五行說(shuō)”。

在人類(lèi)還沒(méi)有掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)手段之前，所有這些關(guān)于物質(zhì)構(gòu)成的元素學(xué)說(shuō)都只是一種臆想和推斷，真正跨出根據(jù)科學(xué)來(lái)理解元素概念第一步的是偉大的化學(xué)家玻意耳。1661年，玻意耳出版了在化學(xué)史上堪稱里程碑式的作品——《懷疑派的化學(xué)家》，對(duì)上千年來(lái)視為真理的“四元素說(shuō)”提出了顛覆性的批判，他指出：“元素是指某種原始的、簡(jiǎn)單的、一點(diǎn)也沒(méi)有摻雜的物質(zhì)。元素不能用任何其他物質(zhì)造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所謂完全混合物的成分，也是完全混合物最終分解成的要素。”也就是說(shuō)，只有那些不能用化學(xué)方法再分解的簡(jiǎn)單物質(zhì)才是元素。例如，黃金雖然可以同其他金屬一起制成合金，或溶解于王水之中而隱蔽起來(lái)，但是人們?nèi)钥稍O(shè)法恢復(fù)其原形，重新得到黃金，所以它是一種元素。

古希臘的“四元素說(shuō)”和中國(guó)的五行學(xué)說(shuō)

元素名稱的來(lái)歷

元素周期表中共有100多種元素，它們名稱的來(lái)歷五花八門(mén)。最早發(fā)現(xiàn)的一些元素的命名大多根據(jù)它們本身的特性，如氧（O，成酸的）、氫（H，制造水的），有一些則表明了它的出處，如鈉（Na，來(lái)自蘇打），氦（He，來(lái)自太陽(yáng)），還有一部分則取自希臘神話，如開(kāi)頭故事中講到的Tantalus和Niobe，分別用于命名元素周期表中第73號(hào)元素鉭（Ta）和41號(hào)元素鈮（Nb），而且鉭位于鈮的正下方（Nb是在富含Ta的礦石中發(fā)現(xiàn)的）。為了紀(jì)念發(fā)現(xiàn)者或其祖國(guó)、故鄉(xiāng)，最新發(fā)現(xiàn)的一些元素則以國(guó)家名稱或科學(xué)家的名字命名。

從17世紀(jì)中葉起，一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)室相繼在歐洲成立，科學(xué)家積累了一些先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段和關(guān)于物質(zhì)變化的數(shù)據(jù)資料，開(kāi)始使用化學(xué)分析方法來(lái)解釋元素的概念。拉瓦錫在1789年發(fā)表了化學(xué)史上具有劃時(shí)代意義的集大成之作《化學(xué)基礎(chǔ)》，在書(shū)里重新定義了元素的概念，總結(jié)了33種元素和常見(jiàn)的化合物，使當(dāng)時(shí)零碎的化學(xué)知識(shí)逐漸清晰化。在這份元素名單里，已經(jīng)找不到“四元素說(shuō)”的身影了。

從我們現(xiàn)在了解的知識(shí)來(lái)看，玻意耳、拉瓦錫定義的元素實(shí)際上是單質(zhì)。不過(guò)，他們的元素的定義使單質(zhì)同化合物、混合物區(qū)分了開(kāi)來(lái)，從而使化學(xué)研究沿著一條正確的思路向前發(fā)展。

拉瓦錫的33種元素名單

幾乎就在拉瓦錫公布自己元素列表的同時(shí)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了電流并制造了產(chǎn)生電流的裝置，而化學(xué)家則很快發(fā)現(xiàn)，用它能電解金屬鹽溶液，這讓一些以前人們無(wú)法得知的金屬露出了它們的“廬山真面目”。和拉瓦錫同時(shí)代的英國(guó)化學(xué)家戴維利用電解裝置，先后發(fā)現(xiàn)了鉀、鈉、鎂、鈣等堿金屬和堿土金屬，并用熱還原法得到了硼。另外一位偉大的化學(xué)家貝采利烏斯則發(fā)現(xiàn)了鈰、硒、釷，還有人用濃硫酸處理海藻灰母液和純鹽湖水分別制得了碘和溴，而堿金屬鋰也從稀有礦石中被提煉了出來(lái)。而在貴金屬方面，人們?cè)谑熘你y、金、白金（鉑）之外，又得到了銠、鈀、銥、鋨和釕。在釕之后，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的元素已經(jīng)達(dá)57種之多了。

不同金屬元素燃燒時(shí)產(chǎn)生不同顏色的火焰

2　給化學(xué)元素排個(gè)座

到19世紀(jì)初，人類(lèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了好幾十種元素，對(duì)于這些元素的性質(zhì)、顏色、密度、沸點(diǎn)以及如何制取等也已經(jīng)了如指掌。這些元素雖然在性質(zhì)、狀態(tài)等方面各有差異，但也有類(lèi)似的地方。比如鋰、鈉、鉀都能在水中劇烈反應(yīng)生成氫氣，金、鉑、釕都非常穩(wěn)定。這些紛繁復(fù)雜的元素之間到底有什么聯(lián)系？它們的性質(zhì)有沒(méi)有規(guī)律可循，可不可以將它們進(jìn)行分類(lèi)呢？

最早提出將元素歸類(lèi)的，是1829年德國(guó)化學(xué)家貝萊納，他提出了“三元素組”觀點(diǎn)。貝萊納發(fā)現(xiàn)有一些元素的性質(zhì)相似，如鈣鍶鋇，氯溴碘，鋰鈉鉀等。他將已知元素中的15種分成了這樣的5組。約在30年之后，法國(guó)人尚古多將當(dāng)時(shí)已知的62種元素一網(wǎng)打盡，按照原子量遞增的順序標(biāo)記在一條旋轉(zhuǎn)上升的螺旋線上，而一些性質(zhì)接近的元素則出現(xiàn)在同一主線上。這個(gè)方法已經(jīng)初現(xiàn)元素周期表的雛形了。英國(guó)人紐蘭茲也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象，并且把這種規(guī)律叫做“八音律”，第八個(gè)元素和第一個(gè)元素在一定程度上性質(zhì)相似。紐蘭茲甚至還草擬了一份元素周期表，并且很好地解釋了第一、二、三周期。但三周期以后就不那么令人滿意了，有的位置上竟然被安排了兩種元素。英國(guó)的化學(xué)同行們嘲笑他不務(wù)正業(yè)，居然把元素和音樂(lè)扯到一起。抑郁的紐蘭茲只好放棄了對(duì)元素周期律的研究。

紐蘭茲

紐蘭茲也許不知道，他在德國(guó)有一位志同道合的探索者——邁耶爾。邁耶爾也在研究原子之間的關(guān)系，他首次將原子量和化合價(jià)的關(guān)系應(yīng)用到了實(shí)際研究中，將28種元素創(chuàng)造性地分成6個(gè)族，驗(yàn)證了這些族的元素化合價(jià)4，3，2，1，1，2的規(guī)律，元素分類(lèi)終于有了族的概念。邁耶爾的另一創(chuàng)新之處是區(qū)分了主、副族元素，還在自己的元素周期表中明智地預(yù)留了空位給待發(fā)現(xiàn)的元素。元素周期表的出世已初現(xiàn)端倪。

邁耶爾

3　門(mén)捷列夫與元素周期表

在發(fā)現(xiàn)元素周期律之前，門(mén)捷列夫只是一名普普通通的大學(xué)化學(xué)教授，對(duì)元素性質(zhì)萬(wàn)分癡迷的他除上課以外，把所有時(shí)間都投入到了元素周期律的尋找中。他自制了一副紙牌，每張卡片上都寫(xiě)著不同元素的名稱和性質(zhì)，隨身攜帶，有時(shí)間就拿出來(lái)擺弄，希望將這些雜亂無(wú)章的卡片按順序排列，體現(xiàn)出元素的內(nèi)在聯(lián)系。為了這些可愛(ài)的元素卡片，門(mén)捷列夫到了近乎瘋狂的地步，對(duì)周?chē)l(fā)生的任何事情都不聞不問(wèn)。在經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)次的嘗試和失敗之后，終于在一天深夜，他在自己的床上成功地拼出了自己的元素周期表。在這個(gè)表里，和邁耶爾一樣，門(mén)捷列夫把元素按照原子量的遞增關(guān)系分成了若干個(gè)周期，排在同一列的元素又分成性質(zhì)相似的一個(gè)個(gè)族。門(mén)捷列夫還發(fā)現(xiàn)，如果把所有的已知元素排進(jìn)這個(gè)元素周期表，有時(shí)候會(huì)破壞元素之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，因此他大膽地預(yù)留了一些空位，并通過(guò)周期律預(yù)測(cè)了一些尚未發(fā)現(xiàn)的元素的性質(zhì)。

門(mén)捷列夫把自己的發(fā)現(xiàn)寫(xiě)成論文發(fā)表后，在當(dāng)時(shí)受到了和紐蘭茲一樣的遭遇。但冷嘲熱諷并沒(méi)有讓門(mén)捷列夫像紐蘭茲一樣放棄自己的事業(yè)，他義無(wú)反顧地投入到后續(xù)的工作中。門(mén)捷列夫預(yù)言元素周期表中的第4號(hào)元素硼（當(dāng)時(shí)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)稀有氣體元素，所以硼元素只是4號(hào)元素）下面有一個(gè)新元素，他將它稱為“?？ㄅ稹保础芭鸺右弧钡囊馑迹㈩A(yù)言它有著和硼類(lèi)似的性質(zhì)。同樣，他在鋅和砷之間設(shè)置了埃卡鋁、埃卡硅兩個(gè)新元素，分別具有類(lèi)似于鋁和硅的性質(zhì)。

門(mén)捷列夫的預(yù)言應(yīng)驗(yàn)了。1875年，法國(guó)化學(xué)家布阿勃朗利用光譜法發(fā)現(xiàn)了新元素，其性質(zhì)和鋁極其相似，這種元素被它的發(fā)現(xiàn)者命名為鎵。這個(gè)消息傳到俄國(guó)后讓門(mén)捷列夫大為振奮，在反復(fù)研究布阿勃朗的報(bào)告之后，門(mén)捷列夫確認(rèn)這種鎵元素就是他在自己的元素周期表中預(yù)留的?？ㄤX。門(mén)捷列夫立即給巴黎科學(xué)院寫(xiě)信：“你們所發(fā)現(xiàn)的鎵就是我預(yù)言的?？ㄤX，它的原子量接近68，密度應(yīng)該為5.0—6.0。請(qǐng)你們繼續(xù)研究，再查一查吧?！?/p>

門(mén)捷列夫元素周期表的第一版手稿

門(mén)捷列夫

這實(shí)在太有趣了！一位科學(xué)家在圣彼得堡書(shū)房里用筆和紙預(yù)言了一種新元素，而另一位科學(xué)家在巴黎的實(shí)驗(yàn)室里用燒杯和燒瓶，借助精確的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了前一位科學(xué)家的預(yù)言。第二次，布阿勃朗測(cè)得鎵的密度為4.7，聽(tīng)到這個(gè)消息后，門(mén)捷列夫沒(méi)有放棄，他固執(zhí)地請(qǐng)求布阿勃朗：“鎵的密度應(yīng)該為5.9，也許您的那塊并不純，請(qǐng)您再查一查?！辈及⒉市⌒闹?jǐn)慎地提純了一塊更大的鎵，這次他不得不佩服門(mén)捷列夫，鎵的密度確實(shí)是5.9。一位唯一擁有鎵的科學(xué)家，竟然敗給了僅在書(shū)桌上用筆計(jì)算的人，布阿勃朗感慨地說(shuō)：“我沒(méi)有什么可說(shuō)的了，事實(shí)證明了門(mén)捷列夫周期律的巨大意義?！?/p>

隱秘的惰性氣體家族

惰性氣體包括氦、氖、氬、氪、氙、氡，它們的化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定，幾乎不與任何元素化合。因?yàn)楹肯∩伲栊詺怏w又叫稀有氣體。最早的稀有氣體是法國(guó)天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的，他們通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光譜的觀察發(fā)現(xiàn)了氦。而地球上第一次發(fā)現(xiàn)的稀有氣體元素則是氬。

在研究空氣時(shí)，英國(guó)物理學(xué)家瑞利發(fā)現(xiàn)，從空氣中得到的純氮的密度是1.2572克/升；而從氨分解得到的純氮的密度是1.2560克/升，兩個(gè)數(shù)據(jù)相差約千分之一克。化學(xué)家拉姆齊在光譜中找到了引起這個(gè)差異的雜質(zhì)氣體的新譜線，證實(shí)空氣中存在一種性質(zhì)不活潑的新元素——氦，并很快在空氣中發(fā)現(xiàn)了其他3種稀有氣體元素，分別命名為——氖、氪、氙，終于完整地揭開(kāi)了神秘的稀有氣體的面紗。

一張神奇的化學(xué)元素周期表

自門(mén)捷列夫之后，元素周期表得到了不斷的更新，增加的成員包括后來(lái)發(fā)現(xiàn)的自成一族的氦、氖、氬等稀有氣體元素；用高速粒子轟擊創(chuàng)造的锝、鈁、砹等人造元素。到目前為止，周期表中正式命名的元素有114種。

不過(guò)，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)新元素的腳步不會(huì)停歇，相信將來(lái)還會(huì)有源源不斷的新元素被發(fā)現(xiàn)，元素家族的規(guī)模將不斷壯大。

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