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化学科技史上的里程碑:元素周期表的发展历程与人类对自然法则的不懈追求

已有 895 次阅读 2024-2-21 21:02 |个人分类:自然科学|系统分类:科普集锦

引言自古以来,人类对物质世界的探索与理解不断深化。从最早的简单元素认知到系统化元素分类的构想,这一过程反映了人类智慧在化学领域的积累和飞跃。元素周期表作为现代化学的基础框架,它的诞生与发展是科学史上的一座里程碑。它以简洁而深刻的排列方式,揭示了自然界中所有已知元素间的内在联系与规律,体现了元素性质随原子序数递增呈现出的周期性变化。追溯其历史脉络,从古代文明对金、银、铜等基本元素的认知开始,经过千百年的实践与理论摸索,直到19世纪俄国科学家门捷列夫提出“元素周期律”,并初步编制出元素周期表,这一伟大成就彻底革新了人们对化学元素的认识方式。此后,随着更多元素的发现以及原子结构理论的发展,元素周期表经历了不断修订和完善,最终成为了我们今天所熟知的模样,它是连接微观世界与宏观现象的桥梁,也是指引科学家们预测新元素性质、探索未知宇宙奥秘的重要工具。深入探究元素周期表的历史演变,不仅能够展现科学进步的轨迹,更能体现人类对自然法则不懈追求的精神内涵。

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(引自Figure 3. The Periodic Table of the Elements. (credit: R.A. Dragoset, A. Musgrove, C.W. Clark, W.C. Martin),截至2024年,最新版的元素周期表将包含118种已知化学元素。自2020年以来,最后四个新加入周期表的元素是:113号元素Nh(Nihonium)115号元素Mc(Moscovium)117号元素Ts(Tennessine)118号元素Og(Oganesson)这些元素都是人工合成的超重元素,在自然界中不存在或极为罕见。现代元素周期表会根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)和国际纯粹与应用物理学联合会等权威机构的最新决定来更新。

古代文明中的元素探索:日常生活到早期化学实践的演变

古代文明对元素的认知,始于与日常生活紧密相关的物质世界。古人通过直观观察和实践经验,逐渐认识并利用了自然界中易于获取的基本元素。例如,在古埃及文明中,金、银、铜因其独特的色泽和可塑性而被用于制作精美的装饰品和实用工具;铜作为最早被冶炼的金属之一,其合金青铜更是推动了社会生产力的发展。同时,古埃及人还熟知了硫磺这一非金属元素,并在医药、防腐等领域有所应用。古巴比伦人则在冶金技术上取得了显著成就,他们掌握了锡青铜的制造工艺,使得工具和武器的性能得以提升。在中国,炼丹术士们在追求长生不老的过程中,无意间发现了汞(水银)和铅等元素,这些发现不仅丰富了当时的化学知识库,也为后世的科学探索埋下了伏笔。此外,碳以石墨的形式被应用于书写与绘画,而煤炭作为一种重要的燃料来源,早在新石器时代晚期就被人类使用。火与土这两种基本元素也在不同的文化背景中被赋予了深刻的意义,它们既是生活中的必需资源,也是哲学思考中的重要象征。总的来说,尽管古代人们对元素的理解尚未达到现代科学的精确水平,但他们的实践与观察为元素周期表的诞生奠定了基础,成为了人类认知自然世界漫长历程中的珍贵一步。

近代化学元素认知的演进:从波义耳到迈耶的科学探索

近代化学元素的认知始于17世纪科学革命时期,这一阶段标志着从传统哲学和炼金术向实验科学的转变。英国化学家罗伯特·波义耳(Robert Boyle)在1661年出版的《怀疑派化学家》中提出了现代化学元素的概念雏形,他质疑了传统的四元素理论(土、水、气、火),并提出物质是由不可再分的基本单元——即后来被称为“元素”的物质组成的。18世纪中叶,随着化学实验技术的发展,对元素的认识更加具体化。而安托万-洛朗·德·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)在1774年通过严谨的定量实验建立了氧化学说,确认燃烧是与氧气结合的过程,从而彻底推翻了燃说,使化学进入了一个新时代。1789年,拉瓦锡撰写了世界第一部现代化学教科书《化学基本论述(Traité élémentaire de chimie)》,在这本书中他列出了世界第一个现代化学元素列表《Tableau des Substances simples》。该列表中总结了33种当时被认为是化学元素的物质,其中大多数现在看来是正确的,但另一些受当时的科技水平所限,被错认为是不可分解物质写了进去;而且“光”和“热”这两种不属于物质范畴的概念,也被列入其中。尽管它并不具备周期性规律。19世纪初,英国科学家约翰·道尔顿(John Dalton)在1803年提出了原子论,不仅定义了元素是具有相同原子组成的纯净物质,并且他还提出了原子量的概念,这极大地推动了化学元素系统的形成和发展

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拉瓦锡单质(元素)表开始,其中包括光和热以及氧、氮和氢(1789年,第1卷,第192页)

自18世纪中叶以来,随着化学元素发现的不断积累,众多学者致力于探索这些元素间性质变化的潜在规律。德国化学家约翰·沃尔夫冈·德贝莱纳(Johann Wolfgang Döbereiner)于1829年提出了一个开创性的理论——“三元组规则”,他观察到某些元素按照原子量递增呈现出相似性质的规律性分组,每组包含三个元素,中间元素的原子量大致等同于两侧元素原子量的平均值,这一发现为揭示元素间的周期性关系迈出了重要一步。与此同时,在19世纪中叶,法国化学家尚古特瓦(Antoine-Laurent de Lavoisier Béguyer de Chancourtois,正确拼写应为de Chancourtois)在1862年创造性地设计了一种可视化模型——“螺旋图”,该图以一根螺线形式将当时已知的化学元素按照原子量顺序排列,并首次展示了元素性质随原子量变化呈现出的一种周期性趋势。英国化学家约翰·纽兰兹(John Newlands)紧随其后,在1865年提出了著名的“八音律”理论,他注意到若按原子量递增顺序将元素排列时,每隔八个元素就出现相似的物理和化学性质,这与音乐中的八度音阶相呼应,尽管这一理论在当时并未受到广泛认可,但它的确预见到了元素性质的周期性重复。

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从左往右:德国化学家德贝莱纳、法国化学家尚古特瓦、英国化学家纽兰兹 图源:维基百科

门捷列夫与元素周期律的诞生:1869年的科学革命

在1869年,德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev)基于长期观察和分析,在对当时已知元素进行深入研究的过程中,敏锐地捕捉到了元素性质与原子量之间的规律性变化提出了划时代的“元素周期律”,并发布了首个版本的元素周期表。门捷列夫根据元素的原子量大小及其物理、化学性质,将它们系统地排列成一张表格,他发现当元素按照原子量递增的顺序排列时,其化学性质呈现出明显的周期性重复趋势。这一革命性的思想不仅为众多元素找到了逻辑上的归属,而且他还大胆预测了当时尚未发现的几种元素,包括镓(Ga)、钪(Sc)和锗(Ge),并且预言了这些新元素的基本属性。他的元素周期表创造性地设定了空位,以待未来发现的新元素填补,这种预见性和科学创新精神深刻影响了整个化学领域的发展。随着后来科学家们通过实验验证了他的预测,并且随着原子结构理论的深化以及原子序数取代原子量作为排序依据,元素周期表不断得到修正和完善,最终成为现代化学的基础知识体系之一。门捷列夫的贡献被后世誉为化学史上的一个伟大里程碑。随着门捷列夫在1869年发表元素周期表,各化学元素按照原子量(后被修正为原子序数)和化学性质呈现周期性规律排列,标志着化学元素认知进入了系统化的新阶段。门捷列夫的贡献尤为重要。他根据元素的原子量和化学性质,构建了首个基于周期性的元素排列体系。在这个过程中,他还成功预测了当时尚未发现的几种元素,例如镓、钪和锗,这些元素后来都被实验证实并填补了他在周期表上的空白位置。

image.png德米特里·门捷列夫(1834年1月27日- 1907年1月20日- 2月2日)俄国化学家,发明了元素的周期分类法。门捷列夫发现,当所有已知的化学元素按照原子量递增的顺序排列时,所得到的元素周期表在元素组中显示出一种循环的模式,或周期性的性质。在他1871年版本的元素周期表中,他在他认为未知元素会出现的地方留下了空白。他甚至预测了三种潜在元素的可能性质。门捷列夫一生中对许多预言的证明使他成为周期律的奠基人。(大英百科全书)

X射线光谱实验:莫塞莱与原子序数的发现,重塑现代周期表基石

20世纪初,人类对元素的发现和认知经历了重大突破与深化。1913年:亨利·莫塞莱通过X射线光谱实验确定了原子序数的概念,这一发现为周期表提供了新的排列依据,即元素按照原子核中质子的数量(即原子序数)进行排序,从而奠定了现代周期表的基础。这一时期,科学家们不仅在已知元素的研究上取得了显著进展,还揭示了化学元素的深层次性质,并发现了新的元素种类。1896年,法国物理学家亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)偶然发现铀具有自然放射性现象,开启了放射性研究的新篇章。随后,玛丽·居里和皮埃尔·居里夫妇通过艰苦的实验工作,于1898年分离出镭和钋两种新元素,并深入研究了它们的放射性特性,这标志着人类对原子内部结构及其能量转化机制有了全新的认识。惰性气体的确认:威廉·拉姆齐爵士和他的助手莫里斯·特雷维西奥在1894年至1904年间,发现了氩氦、氖、氪、氙以及后来的氡等惰性气体,这些气体几乎不与其他元素发生化学反应,填补了周期表上的空白,并证实了门捷列夫提出的元素周期律的预见性。元素周期表的完善:门捷列夫的元素周期律经过修订和完善,在20世纪初被更广泛地接受并应用于指导元素的发现与分类。随着更多元素的发现和原子量测定精度的提高,周期表逐渐成熟,为预测未发现元素提供了理论依据。随着尼尔斯·玻尔提出的原子模型和量子力学的兴起,人们对元素的认识从宏观层次深入到了微观领域。阿尔伯特·爱因斯坦和卢瑟福等科学家的工作进一步推动了对原子结构和元素性质的理解,包括原子核的存在以及核反应的概念。

image.png亨利·格温·杰弗里·莫塞莱(Henry Gwyn Jeffreys Moseley,1887年11月23日-1915年8月10日),或者称作亨利·莫斯莱,亨利·莫塞莱,是一位英国的物理学家、化学家。莫塞莱的科研成就打破了先前物理学的成见,他提出了原子序数的概念。他的这些发现源自他对X射线当中的莫塞莱定律(Moseley's law)的发展。

从钚到Oganesson——超铀元素的合成历程与周期表的拓展

1940年12月,美国科学家格伦·T·西博格及其团队在伯克利加州大学通过中子轰击铀成功合成了第一个超铀元素——钚(Pu),钚是一种放射性元素,原子序数为94,元素符号Pu,是原子能工业的一种重要原料,可作为核燃料和核武器的裂变剂。投于长崎市的原子弹,使用了钚制作内核部分。在此过程中发现了镎。他们首先用中子射铀-238,生成镎-239,随后镎-239经过β衰变变为钚-239。钚(Pu, 94)至镄(Fm, 100)。紧接着,在接下来的几十年里,科学家们利用类似的方法,通过粒子加速器和反应堆,陆续合成了钚到镄的多个超铀元素。这些元素包括镅(Am)、锔(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、镄(Fm)等。20世纪初至中期:随着量子力学的发展以及对原子结构认识的深入,周期表的形式逐渐定型,包括主族、副族、镧系和锕系元素的划分,以及周期表中横向周期性和纵向族性的科学解释。20世纪后期至今,超铀元素的合成不断扩展了周期表的范围,而超重元素的研究则继续挑战着元素稳定性的极限。

此外,国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry(IUPAC)负责确认新元素的发现并正式命名,确保周期表的更新符合科学标准。自20世纪60年代开始,苏联杜布纳联合核研究所(Joint Institute for Nuclear Research, Dubna)和美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)以及其他国际研究机构,通过使用重离子碰撞技术,如以铅或铀作为靶材料,用钙、钡、氪等较轻的原子核撞击,成功地合成了一系列超重元素。进入21世纪,科学家继续向周期表的边缘推进,合成了更多前所未有的超重元素。例如,鿔是第112号化学元素,于1996年被合成出来,被正式命名为“Copernicium”,符号为Cn,中文译名为“鿔”。此名称是为了纪念著名天文学家哥白尼(Copernicus)而得名的。鿔元素最早由德国达姆施塔特重离子研究所(GSI)西格·霍夫曼(Sigurd Hofmann)和维克托·尼诺夫(Victor Ninov)领导的研究团队在1996年合成出来。他们在重离子加速器中用高速运行的锌原子束轰击铅靶获得一颗(另一颗被击散)半衰期仅为0.24毫秒的Cn原子。

2006年在联合研究所(Joint Institute for Nuclear Research, JINR)由俄罗斯与美国科学家合作首次合成Oganesson(中文翻译为“鿫”),是目前已知的最后一个被合成和确认的化学元素,是以俄罗斯核物理学家尤里·奥加涅相(Yuri Oganessian)的名字命名,以表彰他在超重元素合成领域做出的重大贡献。其最稳定的同位素是Og-294,尽管它的半衰期也非常短,意味着它在自然界中不存在,并且只能在实验室条件下通过核反应短暂生成。由于Oganesson位于周期表的第八周期,属于氦族元素(也称为0族或惰性气体族),理论预测其可能表现出一些独特的化学性质。然而,由于相对论效应在如此的原子中极为显著,Oganesson的实际化学行为可能不同于其同族的较轻成员,如氦、氖等,目前对这一元素的实验研究仍在探索阶段。

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鿫(ào,Oganesson),符号为Og,化学元素,原子序数118号,是人工合成的稀有气体元素。在元素周期表其上位于p区,属于0族,是第7周期中的最后一个元素,其原子序数和原子量为已知元素中最高的,也是人类已合成的最重元素。2016年6月8日,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)宣布,将合成化学元素第118号(Og)提名为化学新元素。该新元素由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和俄罗斯的科学家联合合成,研究人员将第118号元素命名为Oganesson(缩写Og),以致敬超重元素合成先驱者、俄罗斯物理学家尤里·奥加涅相。Og也是第二个以在世科学家命名的元素,第一个是𬭳(Sg),106号元素。

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尤里·切尔卡维奇·奥加涅相(Yuri Tsolakovich Oganessian)苏联/亚美尼亚/俄罗斯,1933年4月14日出生,核物理学家,尤里·奥加涅相教授是一位享誉国际的核物理学家,以其在超重化学元素领域的卓越研究而闻名于世。他深度参与了多个周期表新元素的发现工作,对扩展人类对元素周期律的理解做出了重大贡献。自1989年起,奥加涅相教授接任弗廖罗夫(Georgy Flyorov)院士成为联合核研究所弗廖罗夫实验室核反应部门的主任,并现任该实验室科学总监,引领团队持续进行前沿的核物理学研究。其最突出的荣誉之一是,2016年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)和国际纯粹与应用物理学联合会(IUPAP)将第118号元素以他的名字命名为oganesson(Og),这是继 seaborgium(Sg)之后,第二次以在世科学家的名字命名新元素,彰显了他在超重元素合成领域不可替代的地位及其对科学界的深远影响。

非传统周期表形态展现化学属性的新视角

自门捷列夫在1869年首次提出元素周期表以来,元素周期律的展现形式已衍生出多种版本。爱德华·G·马祖尔斯在该发现后的百年间收集了约700种不同的周期表设计,反映出科学家们对揭示元素内在规律和联系的不懈探索。其中,标准周期表尽管被广泛应用,但并非唯一形式,诸如查尔斯·珍妮特提出的左步进周期表以及俄罗斯地区沿用的改良版8列布局等矩形结构仍在使用;同时,还有螺旋、圆形和三角形等新颖形态的设计。如:奥托·西奥多·本菲(Otto Theodor Benfey)提出了一种不同于传统矩形布局的元素排列方式——螺旋元素周期表。在本菲的设计中,元素不是按照传统的横行纵列形式排列,而是以螺旋的形式分布在三维空间中。这种螺旋周期表试图通过几何形状来展现元素性质随原子序数递增所呈现出的周期性变化。本菲设想的螺旋周期表尝试将元素按照原子量或后来的原子序数进行螺旋式分布,使得性质相近的元素在空间上距离较近。尽管这种设计在视觉上给人以直观且连续的感觉,但它并未像门捷列夫的元素周期表那样被广泛接受和使用。不过,本菲的创新思维对于理解和探索元素之间的深层次联系以及元素周期律提供了新的视角,是科学史上对元素周期表结构探讨的一个重要里程碑。替代型周期表旨在突出传统周期表中不明显的化学或物理属性,不同表格可能侧重于化学或物理的不同方面。尽管如此,标准周期表仍以其平衡性占据主导地位。然而,是否存在一种最优或最根本的周期表形式,目前学界尚未达成共识。

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奥托·西奥多·本菲的螺旋元素周期表(1964年)

不朽历程与未来科学前沿的展望

每一种元素的发现都是一段集智攻关、艰辛探索的历史,是科学家们运用理论预测、实验验证和创新技术手段的结晶。从最初的天然元素到人工合成的超重元素,元素周期表不仅记录了人类对物质世界微观结构逐步深入理解的过程,也预示着未来可能存在的更为复杂而奇妙的化学现象与物质形态。历经数个世纪的探索与革新,元素周期表已然成为化学科学的核心基石,并在人类对物质世界认知的历史长河中留下了深刻的印记。从门捷列夫的时代开始,我们见证了元素周期律的发现、原子结构理论的发展,直至现代粒子加速器技术推动下的超重元素合成,每一个新元素的加入都是科学家们智慧与勇气的结晶,同时也是人类对微观宇宙奥秘不懈追求的生动写照。展望未来,元素周期表的故事并未终结,反而可能进入一个全新的篇章。随着科技力量的持续升级和跨学科研究的深度融合,我们有望揭示更多尚未被发现的元素,甚至有可能触及到自然界的基本构造边界。未来的元素周期表可能会因新材料、新能源等领域的创新应用而扩展其内涵,也可能由于对现有元素性质更深入的理解而得到更为精确的修订和完善。然而,无论未来如何发展,元素周期表都将始终作为连接宏观与微观世界的桥梁,引导着一代又一代科学家继续在未知的领域中勇往直前,探寻那些隐藏于宇宙深处的秘密。它不仅记录了过去,还编织着现在,更预示着未来,以其独特的方式不断丰富着人类对于自然法则的认知宝库。

参考资料:

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  • Torrens Zaragozá, F. (2021). Periodic table of the elements, history, education and evaluation. Nereis, (13), 147-164.

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  • Rai, H. C. (2019). A brief history of the periodic table. Prowess Publishing.

  • https://www.britannica.com/biography/Dmitri-Mendeleev

  • Wikipedia contributors. (2024, Feb.20 ). Periodic table [Internet]. In Wikipedia. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_table



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