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加拿大化學家Fernando Dufour發明了一種看似圣誕樹的3D元素周期表

ExMh_zhishexues ? 來源:YXQ ? 2019-03-31 10:36 ? 次閱讀

為紀念俄國科學家門捷列夫(Dmitri Mendelev)發明元素周期表150周年,2019年被聯合國定為元素周期表國際年。這張表有著讓人無法忽略之美,因此在眾多的文藝作品,如電影《星球大戰》,還有大衛鮑伊的歌中,都能看到向它致敬的內容。然而,除了美學意義,其作為一種科學圖譜,是否在150年后,還能代表元素的特征,并指導新元素的發現,是科學家們的心結和挑戰。

150多年前,在人們最開始研究化學元素的時候,運用的是一種叫“八度法”的法則,略曉音律的人都能看出這個法則與音高的規律不謀而合。沒錯,正如在鋼琴上,每到第八個鍵就開啟下一個循環,好像第一個音符某種特性還在,只是發生在新的階梯上,元素周期表也有異曲同工之處。由于元素這種奇妙的周期性,我們將它分成了不同的周期、主族、副族……比如稀有氣體的0族。

正如音符有各種排列方式產生美妙的音樂,元素似乎也有許多組合方式,究竟哪一種才是最佳排序,長期以來,爭議從未停止過。有些化學家認為其中一些元素應當調整順序,有的則認為整個元素周期表應當重新規劃。

在最開始的時候,元素周期表是按照原子重量排序的,此后又改成了以質子數遞增排序,但眾所周知,原子的性質與其電子數也是極大相關的,又是否該按電子數來排序?

有個新方案看起來像圣誕樹

元素的性質與最外層電子數息息相關,目前表格型的設計將最外層電子數相同的元素放在同一個族中,盡管非常科學,但是依然存在瑕疵,例如氫的存在狀態是氫氣,跟其后的活潑金屬不是一類物質,將它們歸結在一個族中未免有失偏頗。

當原子或原子團最外層電子數為2或8的時候,它處于最穩定的結構,原子都有趨于穩定的性質,因此氫原子在一起都結合成了氫氣。從這一層面而言,似乎把氫歸納到鹵族更加合適。

為什么金和水銀看起來格格不入?

水銀在常溫下是液體,在形態上與其同主族的鋅和鎘等所有元素都不一樣,那么為什么它會排到了這一列?

元素周期表越往后,原子核中包含的質子數就越多,意味著原子核對其周圍原子產生的引力越大,電子繞核運動的速度越快,到了水銀這個位置,電子已經達到58%的光速。根據愛因斯坦的狹義相對論,這會導致它們的有效質量顯著高于電子的正常質量,將加劇了它們受到的向內拉力。

固體的形成需要原子間成鍵,水銀由于其原子核拉力巨大,將外層電子緊緊縛住,以至于無法成鍵,只能以液體形式存在。而黃金作為金屬中顏色特殊的存在,也是由于相對論效應,改變了電子吸收光的方式。

鑭系和錒系的迷思

我們知道電子圍繞原子核運行有特定的軌道,當填滿了內層軌道后,才開始進入下一軌道。當元素周期表按此排序進入到鑭系和錒系的時候,鑭系和錒系兩個系列的元素隨著原子序數的增加都只在內層軌道(相應的4f和5f軌道)充填電子,其外層軌道(相應的6s、5d和7s、6d軌道)的電子排布基本相同,為了區別其近似的化學性質,我們將其單獨列于元素周期表之外,從而在第三族留下一個缺口。

然而,科學家對F區中哪些元素應該排在最前面仍有爭議。一些化學家堅持認為,應按電子的排序來確定順序,即維持現在的順序,把鑭和錒排在F區最左側。還有人認為,按化學性質(如原子半徑和熔點)來看,把目前排在最右的镥和鐒排在最前面更好。

從頭再來

一些化學家關注到了這些問題,并希望能重新繪制元素素周期表。

退休的加拿大化學家Fernando Dufour發明了一種看似圣誕樹的3D元素周期表。

Theodor Benfey設計了螺旋形的元素周期表,它的f塊向外凸出。

美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的Eric Scerri主張徹底變革:通過把F區的全部30種元素放進現在的第二和第三族之間,使豎列從18列變為32列。這樣周期表中的原子序號就可以連續排列。

德國馬克斯?普朗克數學研究所的Guillermo Restrepo贊同鑭應屬于第三族——也就是說,不應該是當前的排布順序。

重寫元素周期表聽起來有些天方夜譚又遙不可及,但其實已經非常迫切,119號元素即將被發現,它將在當前的元素周期表上何去何從呢……

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原文標題:重寫元素周期表,迫在眉睫還是天方夜譚?

文章出處:【微信號:zhishexueshuquan,微信公眾號:知社學術圈】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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