元素周期表150岁了,它满意了吗?

生活百态 2019-07-01 13:42:55 160
来自【湖南快乐十分助手07月01日】消息:

  【来】【源】【:】Nature【自】【然】【科】【研】

  【原】【文】【作】【者】【:】Eric Scerri

  Eric Scerri【警】【告】【说】【,】【对】【元】【素】【周】【期】【表】【做】【出】【过】【于】【简】【单】【的】【假】【设】【会】【让】【我】【们】【误】【入】【歧】【途】【。】

  【门】【捷】【列】【夫】【的】【元】【素】【周】【期】【表】【在】【科】【学】【和】【文】【化】【上】【的】【影】【响】【之】【深】【刻】【,】【会】【令】【许】【多】【人】【不】【假】【思】【索】【就】【认】【为】【它】【已】【经】【基】【本】【圆】【满】【了】【。】【如】【今】【,】【在】【其】【诞】【生】【的】【第】150【年】【,】【研】【究】【人】【员】【能】【否】【简】【单】【地】【为】【元】【素】【周】【期】【表】【的】【众】【多】【优】【点】【而】【举】【杯】【庆】【祝】【呢】【?】【最】【多】【就】【是】【偶】【尔】【再】【将】【新】【合】【成】【的】【重】【元】【素】【添】【加】【入】【表】【呢】【?】

【插】【图】【:】Señor Salme【插】【图】【:】Señor Salme

  【不】【能】【,】【这】【个】【宝】【贵】【的】【周】【期】【表】【还】【没】【有】【完】【成】【。】【某】【些】【元】【素】【的】【位】【置】【,】【就】【比】【如】【氢】【和】【氦】【的】【位】【置】【,】【都】【存】【在】【争】【议】【。】【化】【学】【家】【们】【争】【论】【着】【周】【期】【表】【上】【的】【某】【些】【分】【组】【,】【比】【如】【到】【底】【哪】【些】【元】【素】【组】【成】【第】【三】【族】【(】【参】【见】go.nature.com/2vxnkqq【)】【。】【传】【统】【主】【义】【者】【认】【为】【第】【三】【族】【包】【括】【钪】【、】【钇】【、】【镧】【和】【锕】【;】【而】【基】【于】【电】【子】【层】【结】【构】【,】【越】【来】【越】【多】【的】【人】【却】【认】【为】【后】【两】【个】【元】【素】【应】【该】【由】【镥】【和】【铹】【取】【代】【。】【这】【很】【重】【要】【,】【因】【为】【将】【一】【个】【元】【素】【移】【到】【另】【一】【族】【下】【可】【能】【会】【揭】【示】【出】【新】【的】【特】【性】【—】【—】【例】【如】【,】【它】【可】【能】【成】【为】【高】【温】【超】【导】【体】【中】【包】【含】【物】【的】【候】【选】【元】【素】【。】

  【某】【些】【原】【子】【,】【尤】【其】【是】【铜】【和】【铬】【等】【过】【渡】【元】【素】【,】【其】【电】【子】【排】【列】【的】【量】【子】【力】【学】【描】【述】【很】【难】【与】【周】【期】【表】【中】【的】【广】【泛】【模】【式】【契】【合】【。】【目】【前】【还】【不】【清】【楚】【为】【什】【么】【周】【期】【表】【会】【存】【在】1000【多】【个】【版】【本】【,】【也】【不】【知】【道】【是】【否】【存】【在】【一】【个】【最】【优】【版】【本】【。】【甚】【至】【连】【化】【学】【学】【科】【的】【管】【理】【机】【构】【—】【—】【国】【际】【纯】【粹】【与】【应】【用】【化】【学】【联】【合】【会】【(】IUPAC【)】【—】【—】【也】【不】【能】【确】【定】【。】IUPAC【声】【称】【并】【不】【会】【特】【殊】【对】【待】【哪】【种】【排】【列】【方】【式】【,】【但】【其】【网】【站】【上】【的】【版】【本】【在】【表】【的】【主】【体】【下】【方】【显】【示】【有】30【个】【元】【素】【(】【参】【见】go.nature.com/2t2uzmo【)】【。】【这】【与】【原】【子】【的】【简】【单】【量】【子】【力】【学】【解】【释】【不】【一】【致】【,】【量】【子】【力】【学】【只】【预】【测】【了】28【种】【这】【类】【元】【素】【。】

  【接】【下】【来】【,】【我】【将】【概】【述】【其】【中】【的】【一】【些】【不】【一】【致】【之】【处】【,】【并】【解】【释】【为】【什】【么】【解】【决】【这】【些】【不】【一】【致】【之】【处】【会】【持】【续】【帮】【助】【物】【理】【学】【家】【和】【化】【学】【家】【理】【解】【并】【预】【测】【物】【质】【的】【特】【性】【。】

  【预】【测】【力】

  【门】【捷】【列】【夫】【并】【不】【是】【第】【一】【个】【尝】【试】【按】【原】【子】【量】【由】【小】【到】【大】【来】【排】【列】【元】【素】【的】【人】【,】【但】【却】【是】【第】【一】【个】【充】【分】【利】【用】【这】【种】【排】【列】【方】【式】【的】【人】【。】【他】【在】1869【年】【提】【出】【的】【理】【论】【框】【架】【预】【测】【了】【几】【种】【当】【时】【未】【知】【的】【元】【素】【的】【存】【在】【,】【包】【括】【镓】【、】【锗】【和】【钪】【。】【在】【此】【后】【的】150【年】【里】【,】【化】【学】【家】【用】【它】【来】【预】【测】【原】【子】【的】【性】【质】【,】【并】【在】【其】【启】【发】【下】【,】【开】【展】【了】【具】【有】【里】【程】【碑】【意】【义】【的】【实】【验】【。】【从】J·J·【汤】【姆】【森】【(】J【。】 J【。】 Thomson【)】【到】【薛】【定】【谔】【(】Erwin Schrödinger【)】【,】【物】【理】【学】【家】【将】【元】【素】【周】【期】【表】【作】【为】【测】【试】【原】【子】【结】【构】【和】【量】【子】【力】【学】【理】【论】【的】【试】【验】【台】【。】

  【门】【捷】【列】【夫】【不】【知】【道】【元】【素】【为】【什】【么】【具】【有】【周】【期】【性】【重】【现】【的】【特】【性】【。】【今】【天】【,】【通】【过】【许】【多】【物】【理】【学】【家】【的】【解】【释】【,】【我】【们】【知】【道】【原】【子】【结】【构】【是】【元】【素】【排】【序】【的】【核】【心】【。】

  20【世】【纪】【初】【,】【包】【括】【查】【尔】【斯】·【格】【洛】【弗】·【巴】【克】【拉】【(】Charles Glover Barkla【)】【和】【欧】【内】【斯】【特】·【卢】【瑟】【福】【(】Ernest Rutherford【)】【在】【内】【的】【物】【理】【学】【家】【注】【意】【到】【,】【原】【子】【的】【中】【心】【电】【荷】【的】【重】【量】【大】【约】【是】【其】【原】【子】【量】【的】【一】【半】【。】1911【年】【,】【一】【位】【不】【知】【名】【的】【荷】【兰】【经】【济】【学】【家】【兼】【业】【余】【科】【学】【家】【安】【东】【尼】【斯】·【范】【登】·【布】【鲁】【克】【(】Antonius van den Broek【)】【提】【出】【了】【一】【种】【解】【释】【:】【氢】【以】【外】【的】【原】【子】【是】【由】【“】alphons【”】【的】【倍】【数】【组】【成】【的】【。】Alphon【是】【一】【种】【基】【本】【粒】【子】【,】【其】【质】【量】【是】【氦】【的】【一】【半】【(】【两】【个】【原】【子】【质】【量】【单】【位】【)】【,】【并】【且】【带】【一】【个】【正】【电】【荷】【。】

  Alphons【从】【未】【被】【发】【现】【过】【,】【但】【是】【范】【登】·【布】【鲁】【克】【的】【假】【设】【是】【原】【子】【序】【数】【概】【念】【的】【起】【源】【。】【原】【子】【序】【数】【等】【于】【原】【子】【核】【内】【的】【质】【子】【数】【,】【质】【子】【数】【(】【以】【及】【围】【绕】【它】【的】【电】【子】【数】【)】【决】【定】【了】【一】【个】【元】【素】【在】【周】【期】【表】【中】【的】【位】【置】【。】【物】【理】【学】【家】【亨】【利】·【莫】【斯】【利】【(】Henry Moseley【)】【在】1913【年】【利】【用】X【射】【线】【原】【子】【光】【谱】【证】【实】【了】【这】【种】【排】【列】【。】【这】【种】【物】【理】【解】【释】【证】【明】【了】【之】【前】【元】【素】【周】【期】【表】【中】【特】【别】【的】【原】【子】【重】【排】【是】【合】【理】【的】【,】【比】【如】【门】【捷】【列】【夫】【将】【碲】【和】【碘】【的】【位】【置】【做】【了】【交】【换】【。】【(】【碘】【的】【原】【子】【序】【数】【高】【于】【碲】【,】【而】【碲】【的】【原】【子】【质】【量】【高】【于】【碘】【。】【)】

  【随】【着】20【世】【纪】20【年】【代】【量】【子】【力】【学】【的】【发】【展】【,】【物】【理】【学】【家】【尼】【尔】【斯】·【玻】【尔】【(】Niels Bohr【)】【和】【沃】【尔】【夫】【冈】·【泡】【利】【(】Wolfgang Pauli【)】【对】【元】【素】【周】【期】【表】【做】【出】【了】【更】【为】【细】【致】【的】【解】【释】【。】【构】【造】【原】【理】【(】aufbau principle【)】【描】【述】【了】【绕】【原】【子】【核】【运】【动】【的】【电】【子】【的】【排】【列】【方】【式】【,】【至】【今】【仍】【用】【于】【教】【学】【。】【电】【子】【在】【一】【系】【列】【壳】【层】【中】【运】【动】【,】【这】【些】【壳】【层】【(】【以】【数】【字】【标】【记】【)】【的】【能】【量】【和】【距】【原】【子】【核】【的】【距】【离】【都】【在】【增】【加】【;】【每】【一】【层】【又】【有】【不】【同】【类】【型】【的】【轨】【道】【(】s【、】p【、】d【、】f【)】【。】【量】【子】【力】【学】【的】【法】【则】【限】【制】【了】【每】【一】【层】【和】【每】【一】【个】【轨】【道】【上】【可】【以】【拥】【有】【多】【少】【个】【电】【子】【。】【氢】【拥】【有】【一】【个】【在】1s【轨】【道】【上】【的】【电】【子】【;】【下】【一】【个】【元】【素】【氦】【有】【两】【个】【。】【锂】【的】【第】【三】【个】【电】【子】【就】【得】【进】【入】2s【轨】【道】【,】【以】【此】【类】【推】【。】

【插】【图】【:】Señor Salme【插】【图】【:】Señor Salme

  【构】【造】【原】【理】【使】【用】【一】【个】【简】【单】【的】【数】【值】【规】【则】【来】【描】【述】【轨】【道】【被】【填】【满】【的】【顺】【序】【。】【这】【被】【称】【为】【马】【德】【隆】【规】【则】【(】Madelung rule【)】【,】【以】【物】【理】【学】【家】【艾】【文】·【马】【德】【隆】【(】Erwin Madelung【)】【的】【名】【字】【命】【名】【,】【因】【为】【是】【马】【德】【隆】【等】【人】【在】【上】【世】【纪】30【年】【代】【正】【式】【确】【定】【了】【该】【规】【则】【。】【对】【于】【元】【素】【周】【期】【表】【的】【前】【三】【行】【(】【元】【素】【只】【有】s【轨】【道】【和】p【轨】【道】【)】【,】【元】【素】【的】【排】【序】【直】【截】【了】【当】【。】3p【轨】【道】【从】【铝】【填】【充】【到】【氩】【。】【但】【是】【第】【四】【行】【就】【变】【得】【复】【杂】【多】【了】【。】4s【轨】【道】【可】【以】【填】【上】【接】【下】【来】【的】【钾】【和】【钙】【。】【但】【是】【,】【之】【后】【过】【渡】【元】【素】【出】【现】【了】【。】【下】【一】【个】【元】【素】【钪】【中】【的】【额】【外】【电】【子】【,】【并】【不】【进】【入】4p【轨】【道】【,】【而】【是】【落】【在】3d【轨】【道】【上】【。】【因】【此】【,】【过】【渡】【金】【属】【也】【被】【称】【为】d【块】【元】【素】【(】d-block elements【)】【。】【马】【德】【隆】【规】【则】【适】【应】【了】【这】【些】【非】【直】【观】【的】【步】【骤】【,】【例】【如】4s【轨】【道】【先】【于】3d【轨】【道】【被】【电】【子】【占】【用】【,】4p【轨】【道】【先】【于】5s【轨】【道】【。】【但】【是】【,】【该】【规】【则】【却】【尚】【未】【能】【从】【量】【子】【力】【学】【或】【其】【它】【基】【础】【物】【理】【原】【理】【中】【推】【导】【出】【来】【。】

  1969【年】【,】【在】【元】【素】【周】【期】【表】【问】【世】100【周】【年】【之】【际】【,】【化】【学】【家】【佩】-【奥】【勒】【夫】·【洛】【丁】【(】Per-Olov Löwdin【)】【宣】【布】【马】【德】【隆】【规】【则】【的】【推】【导】【过】【程】【将】【是】【化】【学】【领】【域】【的】【主】【要】【理】【论】【挑】【战】【之】【一】【。】50【年】【过】【去】【了】【,】【挑】【战】【仍】【在】【。】

  【规】【则】【的】【破】【坏】【者】

  【更】【糟】【的】【是】【,】【有】20【种】【元】【素】【的】【电】【子】【结】【构】【似】【乎】【不】【遵】【循】【马】【德】【隆】【规】【则】【。】【一】【些】【科】【学】【哲】【学】【家】【认】【为】【,】【这】【表】【明】【量】【子】【力】【学】【无】【法】【解】【释】【元】【素】【周】【期】【表】【。】【我】【承】【认】【我】【自】【己】【也】【曾】【掉】【进】【过】【这】【个】【陷】【阱】【。】【然】【而】【,】【最】【近】【的】【发】【展】【表】【明】【,】【如】【果】【深】【入】【研】【究】【,】【量】【子】【力】【学】【可】【以】【与】【构】【造】【原】【理】【和】【马】【德】【隆】【规】【则】【相】【协】【调】【。】

  【铬】【就】【是】【这】【样】【一】【种】【反】【常】【的】【元】【素】【。】【根】【据】【马】【德】【隆】【规】【则】【,】【它】【的】3d【轨】【道】【上】【应】【该】【有】4【个】【电】【子】【,】4s【轨】【道】【上】【应】【该】【有】2【个】【电】【子】【。】【然】【而】【,】【铬】【的】【光】【谱】【却】【揭】【示】【了】【一】【种】【不】【同】【的】【结】【构】【:】5【个】【电】【子】【在】3d【轨】【道】【上】【,】1【个】【在】4s【轨】【道】【上】【。】【类】【似】【地】【,】【铜】【、】【铌】【、】【钌】【、】【铑】【和】【其】【它】【十】【二】【种】【元】【素】【在】【它】【们】【的】d【或】f【轨】【道】【上】【都】【有】【一】【个】【额】【外】【的】【电】【子】【,】【而】【不】【像】【人】【们】【预】【想】【的】【那】【样】【在】【最】【外】【层】【的】s【轨】【道】【上】【乖】【乖】【待】【着】【。】

  2006【年】【,】【理】【论】【化】【学】【家】【尤】【金】·【施】【瓦】【茨】【(】Eugen Schwarz【)】【和】【他】【的】【同】【事】【们】【推】【进】【了】【这】【场】【辩】【论】【。】【根】【据】【量】【子】【力】【学】【的】【概】【率】【算】【法】【,】【一】【个】【原】【子】【可】【以】【同】【时】【存】【在】【于】【一】【系】【列】【可】【能】【的】【电】【子】【构】【型】【中】【。】【对】【于】【给】【定】【的】【能】【量】【,】【一】【个】【电】【子】【有】【可】【能】【位】【于】【或】【穿】【过】【若】【干】【个】【轨】【道】【。】【在】【推】【导】【其】【最】【稳】【定】【的】【构】【型】【时】【,】【需】【要】【考】【虑】【所】【有】【这】【些】【选】【项】【及】【其】【概】【率】【。】【平】【均】【后】【,】【大】【多】【数】【原】【子】【的】【预】【测】【电】【子】【态】【符】【合】【马】【德】【隆】【规】【则】【。】【而】【且】【计】【算】【能】【正】【确】【地】【预】【测】【上】【述】【的】【反】【常】【态】【,】【与】【实】【验】【相】【符】【。】

  【因】【此】【,】【量】【子】【力】【学】【可】【以】【解】【释】【这】【些】【令】【人】【困】【惑】【的】【元】【素】【。】【然】【而】【,】【大】【多】【数】【化】【学】【家】【、】【物】【理】【学】【家】【和】【教】【科】【书】【作】【者】【都】【没】【有】【意】【识】【到】【这】【一】【点】【。】

  2010【年】【,】【施】【瓦】【茨】【和】【他】【的】【团】【队】【解】【释】【了】【过】【渡】【金】【属】【的】【另】【一】【个】【怪】【象】【。】【当】【某】【些】【原】【子】【被】【电】【离】【时】【,】【电】【子】【被】【释】【放】【的】【顺】【序】【似】【乎】【也】【不】【遵】【循】【马】【德】【隆】【规】【则】【。】【虽】【然】【钪】【的】【额】【外】【电】【子】【位】【于】【它】【的】3d【轨】【道】【上】【,】【但】【实】【验】【表】【明】【,】【当】【它】【被】【电】【离】【时】【,】【它】【会】【首】【先】【失】【去】4s【轨】【道】【上】【的】【一】【个】【电】【子】【。】【这】【不】【符】【合】【能】【量】【规】【则】【—】【—】【教】【科】【书】【上】【说】4s【轨】【道】【的】【能】【级】【比】3d【轨】【道】【的】【低】【。】【同】【样】【,】【研】【究】【人】【员】【和】【教】【育】【者】【在】【很】【大】【程】【度】【上】【对】【这】【个】【问】【题】【避】【而】【不】【谈】【。】

  【施】【瓦】【茨】【使】【用】【精】【确】【的】【实】【验】【光】【谱】【数】【据】【来】【证】【明】【钪】【的】3d【轨】【道】【实】【际】【上】【在】4s【轨】【道】【之】【前】【就】【被】【占】【据】【了】【。】【除】【了】【原】【子】【光】【谱】【学】【家】【,】【大】【多】【数】【人】【以】【前】【都】【没】【有】【意】【识】【到】【这】【一】【点】【。】【化】【学】【教】【育】【者】【仍】【然】【描】【述】【元】【素】【周】【期】【表】【上】【前】【面】【一】【个】【元】【素】【(】【钙】【)】【的】【电】【子】【结】【构】【将】【被】【带】【入】【下】【一】【个】【元】【素】【中】【。】【事】【实】【上】【,】【每】【个】【原】【子】【都】【有】【自】【己】【独】【特】【的】【能】【级】【顺】【序】【。】【钪】【的】3d【轨】【道】【能】【量】【比】【它】【的】4s【轨】【道】【低】【。】【施】【瓦】【茨】【敦】【促】【化】【学】【家】【放】【弃】【马】【德】【隆】【规】【则】【和】【洛】【丁】【提】【出】【的】【推】【导】【挑】【战】【。】

  【施】【瓦】【茨】【说】【得】【对】【,】【当】【涉】【及】【到】【任】【何】【特】【定】【原】【子】【的】【轨】【道】【是】【如】【何】【一】【个】【一】【个】【被】【占】【据】【时】【,】【马】【德】【隆】【规】【则】【确】【实】【失】【效】【了】【。】【但】【是】【,】【将】【一】【个】【元】【素】【与】【表】【中】【前】【一】【个】【元】【素】【区】【分】【开】【来】【的】【电】【子】【仍】【然】【遵】【循】【着】【马】【德】【隆】【规】【则】【。】【以】【钾】【和】【钙】【为】【例】【,】【相】【对】【于】【前】【一】【个】【原】【子】【的】【“】【新】【电】【子】【”】【是】【一】【个】4s【电】【子】【。】【但】【在】【钪】【中】【,】【使】【其】【区】【别】【于】【钙】【的】【电】【子】【是】【一】【个】3d【轨】【道】【上】【的】【,】【尽】【管】【它】【不】【是】【原】【子】【形】【成】【过】【程】【中】【进】【入】【原】【子】【的】【最】【后】【一】【个】【电】【子】【。】

  【换】【句】【话】【说】【,】【当】【视】【周】【期】【表】【为】【一】【个】【整】【体】【时】【,】【使】【用】【构】【造】【原】【理】【和】【马】【德】【隆】【规】【则】【的】【简】【单】【方】【法】【仍】【然】【适】【用】【。】【只】【有】【当】【考】【虑】【到】【一】【个】【特】【定】【的】【原】【子】【,】【以】【及】【它】【的】【轨】【道】【占】【有】【形】【式】【和】【电】【离】【能】【时】【,】【规】【则】【才】【会】【失】【效】【。】

  【于】【是】【,】【推】【导】【马】【德】【隆】【规】【则】【的】【挑】【战】【又】【回】【来】【了】【。】

  【理】【论】【必】【不】【可】【少】

  【这】【种】【关】【于】【电】【子】【轨】【道】【的】【认】【识】【不】【会】【改】【变】【元】【素】【周】【期】【表】【中】【任】【何】【元】【素】【的】【顺】【序】【或】【位】【置】【(】【即】【使】【是】【反】【常】【的】20【种】【情】【况】【)】【。】【不】【过】【它】【确】【实】【增】【强】【了】【元】【素】【周】【期】【表】【的】【理】【论】【基】【础】【,】【也】【显】【示】【了】【元】【素】【周】【期】【表】【的】【强】【大】【适】【应】【能】【力】【,】【以】【及】【围】【绕】【它】【发】【展】【起】【来】【的】【经】【验】【法】【则】【,】【如】【马】【德】【隆】【法】【则】【。】

  【量】【子】【力】【学】【在】【解】【释】【原】【子】【的】【特】【定】【性】【质】【方】【面】【做】【得】【很】【好】【。】【然】【而】【,】【要】【看】【到】【大】【局】【,】【还】【需】【要】【做】【更】【多】【的】【工】【作】【。】【尽】【管】【施】【瓦】【茨】【警】【告】【不】【要】【对】【化】【学】【现】【象】【进】【行】【肤】【浅】【的】【量】【子】【力】【学】【解】【释】【,】【但】【深】【入】【研】【究】【量】【子】【力】【学】【可】【能】【会】【揭】【示】【马】【德】【隆】【规】【则】【的】【基】【本】【解】【释】【,】【或】【一】【种】【全】【新】【的】【思】【考】【它】【的】【方】【式】【。】

  【即】【使】【已】【经】150【年】【了】【,】【仍】【然】【需】【要】【理】【论】【化】【学】【家】【、】【物】【理】【学】【家】【和】【哲】【学】【家】【介】【入】【来】【理】【解】【元】【素】【周】【期】【表】【的】【完】【形】【及】【其】【潜】【在】【的】【物】【理】【解】【释】【。】【实】【验】【也】【可】【能】【带】【来】【新】【的】【曙】【光】【,】【比】【如】2017【年】【发】【现】【氦】【可】【以】【在】【非】【常】【高】【的】【压】【力】【下】【形】【成】【化】【合】【物】Na2He【。】【因】【此】【,】【元】【素】【周】【期】【表】【,】【这】【个】【化】【学】【领】【域】【最】【伟】【大】【的】【标】【志】【,】【值】【得】【我】【们】【如】【此】【关】【注】【。】

  【原】【文】【以】Can quantum ideas explain chemistry【’】s greatest icon【?】【为】【标】【题】

  【发】【布】【在】2019【年】1【月】30【日】【《】【自】【然】【》】【评】【论】【上】

  【ⓝ】

  Naturedoi【:】10.1038/d41586-019-00286-8


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