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世界科技全景百卷书: 元素周期表
在门捷列夫那宽大的写字台的玻璃板下面，放着一张写满了化学元素符号的表。这就是他的法宝，是他经过多年辛勤劳动得到的一个既能总结过去，又能预示将来的法宝——元素周期表。 现在，元素周期表早已为人们熟悉了，化学和物理学教科书里，各种手册里，甚至连常用的小字典里都印着它。在这里我们先把元素周期表作一些简单的介绍。 大家一定很熟悉剧场和电影院的坐次表吧。那是一张按剧场坐位画出来的表。如果你拿到一张电影票，只要看看那张表，不用走进电影院，就能知道自己坐在哪儿，因为那张表上，把每个号码的位置都画出来了。 周期表就是化学元素的“坐次表”。每个元素该坐在哪一行，哪一列，表上都写得清清楚楚。 下面的这张表就是现在常见的一种元素周期表。为了让初学的人容易了解，我们简化了它的内容。 初见到这张表的人常常会产生这样的问题：为什么要把这张表叫做元素周期表呢？ 在我们周围的世界中，存在着形形色色、各不相同的许多种类的物体。这多种多样的物体，都是由为数不多的一些元素的原子所构成。到目前为止，人们已经发现的元素 （包括人造元素）一共只有107种。 由同一种元素的原子组成的物质，叫做单质，例如，金、银就都是单质，因为它们分别由同一种金元素和同一种银元素的原子所组成。氧气、氢气也都是单质，它们分别由氧元素和氢元素的原子组成为氧气和氢气的分子。由不同元素的原子互相化合而成的物质，叫做化合物。例如，我们每天都离不开的食盐和水，就都是化合物，食盐是由钠元素的原子同氯元素的原子互相化合而成的；水是由氢元素的原子同氧元素的原子互相化合而成的。把这100多种化学元素，按照它们的原子核所带的电荷的多少（即原子序数），依次排列起来，这些元素以及由它们所组成的单质和化合物的性质，就表现出有规则的变化，并且，经过一定的间隔，就重复出现这种有规则的变化。例如，从第3号元素锂到第10号元素氖，这8个元素的单质，由典型的金属锂，经过金属性较弱的铍，过渡到非金属硼和碳，再经过非金属性越来越强的氮和氧，到典型的非金属氟，然后经过惰性气体氖便又出现了典型金属钠。从第11号元素钠，到第18号元素氩，又重复出现了上面的这种有规则的变化，依次出现典型的金属、金属性较弱的元素、非金属、非金属性较强的元素、典型的非金属，最后出现另一个惰性气体氩。类似这种周而复始的变化，共达7次之多。这种类似性质的元素之间的间隔，便叫做周期。 因此，人们把这种元素以及由它们所组成的单质和化合物的性质，随着原子序数的增大而周期地改变的规律，叫做元素周期律。 根据元素周期律，人们把107种元素按周期和族类列表排出，以便于学习和应用。这种表就叫做元素周期表。 在周期表里，我们把横排叫做周期。现在周期表里，共有7个横排，就是有7个周期。纵行叫做族，就是家族的意思；族里面还有主族和副族之分。现在的周期表里共有8个主族，它们是第1到7主族和零族。还有8个副族，它们是第1到第7副族以及第8族。表的左侧标出的阿拉伯数字，代表周期的次序；表的上方的罗马数字代表族的次序；罗马数字右边的字母A代表主族，B代表副族。 以前混乱的、互相间好像毫无联系的各种元素，在周期表里都整整齐齐地排好了队。它们排列得就像少先队员们排队时那样整齐，横看横成列，竖看竖是行。不过，少先队员是按个子高矮，而元素排队是按它们的核电荷数的多少（门捷列夫当时是按原子量的大小）来排列的。 由于元素周期表是根据元素周期律排列出来的，因而在每一个横排也就是同一个周期里的元素的性质，从左到右呈现出有现则的变化；每一竖行也就是同一族里的元素，都具有相似的性质，并且这种性质依照从上到下的次序也呈现出逐步增强或者减弱的趋势。 通常人们都用元素的金属性和非金属性来表示这些规律。 什么是元素的金属性和非金属性呢？ 一种物质如果像金、银那样闪闪发亮，人们就说它有金属光泽。金属光泽就是一种金属性。通常所说的金属性还有传热、导电等等。不过这类性质都不牵涉到物质成分的改变。所以它们都属于物质的物理性质。物质的金属性的更重要的表现，还在于它们的化学性质，也就是物质在发生化学反应的时候所表现出来的性质。一个典型的金属能和氧、和非金属、和酸等物质起化学反应。一般衡量一个元素的金属性是强还是弱，是看它的最高氧化物和水起反应所生成的化合物碱性是强还是弱。一个元素的最高氧化物的水化物如果呈碱性，那么，这个元素就呈现金属性，碱性越强，元素的金属性也越强。 比如说钠元素吧，它除了具有金属光泽，能传热导电，并能和氧、非金属、酸等物质起反应外，它的氧化物也就是氧化钠，能和水反应生成氢氧化钠。氢氧化钠是一个很强的碱 （俗称火碱），因此，钠就被认为是一个金属性很强的元素。 同样的道理，一个元素的非金属性，也是用类似的方法去判断的。不过，标准正好和前面说的相反，是看它的最高氧化物水化物的酸性如何了。一个元素氧化物的水化物酸性越强，就说明它的非金属性越强。 例如硫元素，它的最高氧化物 （三氧化硫）的水化物是硫酸。硫酸是著名的三大强酸之一，因此，硫是一个具有较强的非金属性的元素。 在元素周期表里，元素的金属性和非金属性表现出明显的有规则的变化：在同一周期里，元素的金属性随着原子序数的增加而减弱，元素的非金属性随着原子序数的增加而加强。 比如，拿第2周期来说： ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA O 钠 镁 铝 硅 磷 硫 氯 氩 钠元素的氧化物的水化物——氢氧化钠，是一个著名的强碱。 镁元素的氧化物的水化物——氢氧化镁，是一个中等强度的碱，比氢氧化钠要弱得多。 铝元素的氧化物的水化物——氢氧化铝则是一个典型的两性化合物，它既同酸发生反应表现出碱性，又能同强碱发生反应表现出酸性。 硅元素的氧化物的水化物——硅酸，是一个极弱酸。 磷元素的最高氧化物的水化物——磷酸，是一个中强酸，比硅酸的酸性要强得多。 硫元素的最高氧化物的水化物——硫酸，已经是一个著名的强酸了。 氯元素的最高氧化物的水化物——高氯酸，是无机酸中最强的酸。 同一个主族里的元素，具有相似的性质。比如，第1主族的元素，除氢元素外，都是余属性很强的元素，它们的氧化物的水化物都是强碱，所以，人们又把它们叫做碱金属。第7主族的元素，都是非金属性很强的元素，它们的最高氧化物的水化物都是强酸。 在同一主族里面，随着原子序数的递增，元素的金属性增强，非金属性减弱。比如，在第3主族里，最上边的元素硼的非金属性较强，它的氧化物水化物是一个弱酸，就是平常眼科医生给病人洗眼用的硼酸。硼下边的元素铝，已经说过是一个两性元素，既具有明显的金属性，也有一定的非金属性。而这一家族的最下边的成员铊，就具有较强的金属性，它的最高氧化物的水化物已经是一个典型的碱，而不具有酸性了。 在元素周期表里，元素的化合价，也就是一种元素的原了，能和他种元素的原子相结合的数目，也表现出有规则的变化。 不只是金属性、非全属性和化合价，元素的几乎所有性质，在同一周期和同一族里，都是按顺序逐渐变化的。这种情况，在我们常用递变这个词来表示。 不过，当年在门捷列夫初次排出周期表的时候，那张表还不像现在这么完整。因为，当时人们只知道63种元素，许多元素还没有被发现，所以在门捷列夫排周期表的时候，曾经碰到了许多困难。要不是他对科学的信仰，要不是他有坚强的毅力，要不是他具有非凡的预见，要从当时那些杂乱无章的元素知识中找到这样的规律，并排列出这张表来，实在是不可能的。 发现分子 通常情况下的气体，没有颜色，没有气味，看不见、摸不着，气体里面的微粒，才是真正的分子。有什么事实来证明这一论点是正确的呢？这还得从化学的发展谈起。波义耳，是英国的化学家，同时也是一位物理学家。他研究了气体体积和压强的关系，并于1660年公布了有名的波义耳定律。100多年后，法国物理学家查理，又研究了气体体积和温度的关系。于1787年提出了有名的查理定理，这两个定律虽然只说明了气体的物理性质，但却为人们从化学变化中，去研究气体体积的变化规律创造了条件。 1808年，法国的化学家盖—吕萨克，在研究气体跟气体发生化学反应时，得出了气体体积发生变化的规律。他发现参加反应的各种气体，彼此的体积 （在一定压强和温度条件下）成简单整数比。这是他通过许多实验事实证明而得出这一结论的。 在盖—吕萨克提出他的气体反应定律之前，英国的化学家道尔顿刚刚宣布了原子论。但是，如果根据道尔顿当时的原子论，却无法解释盖—吕萨克的气体反应定律。因此，当时他们这两种观点曾引起了一场争论，直到建立了分子的概念，弄清楚了原子跟分子的联系和区别之后，这场争论才结束。 他们两种观点发生争论的焦点在什么地万呢？ 首先要明确的几个问题是： 第一，波义耳和查理的定律，适用于任何气体。这个事实可以设想为：在同温同压下，任何气体的体积相同时，所包含有的微粒数相同。 第二，盖—吕萨克的气体反应定律，也同样适用于任何气体。这一事我们可以设想成：参加反应的气体微粒数之间，呈简单的整数比。 但是以上的设想产生了这样一些矛盾。 首先按照道尔顿的说法，氢气、氧气和气体中的微粒是简单原子，即一个微粒只是一个原子，并且道尔顿认为原子是不可分的。那末，就解释不了2体积氢气正好和1体积氧气发生反应，生成2体积的水蒸汽这一事实； 也就是说2个氢微粒跟1个氧微粒化合，能生成2个水微粒，那么必然每个水微粒中只有半个氧微粒。道尔顿认为氧微粒 （即氧原子）是不能分成两半的。然而事实上氧微粒（即氧原子）确是分开了。 其次，道尔顿坚持氧微粒 （他以为是原子其实是分子）是不可分的，那就只能认为2个体积氢气中的微粒数和1体积氧气中的微粒数相等，即2个氢微粒和2个氧微粒化合，生成2个水微粒。那么，这种体积相等的气体中，在同温同压条件下所含微粒数不一定相等的说法，不仅毫无根据，并且跟波义耳、查理两人的定律格格不入。 盖—吕萨克经过推理认为：不同的气体在同样的体积 （指在同温、同压条件下）中，所含的原子 （不是前面所说的那种微粒）数，彼此应该有简单的整数比。现在来看，这一推理是正确的，而道尔顿认为微粒（分子）数可以是整数比，甚至不成比例，更不会一定相等的看法是错误的。可惜在当时那场争论中盖—吕萨克未能再进一步建立起分子的概念，而道尔顿也一直认为水分子是一个氢原子和一个氧原子结合成的复杂原子。 因而道尔顿的原子论中，是把原子和分子混为一谈了。道尔顿原子论的总体思想，对当时化学的发展，具有重大的积极意义，然而其中也掺杂了一些机械的主观的东西。 1811年，意大利的物理学家阿佛加德罗，参与了上述问题的讨论。他精心的研究了道尔顿和盖—吕萨克两人的全部资料，经过了认真的思考后巧妙的构思出了一个周到的设想，在道尔顿和盖—吕萨克两人的争论分歧之间，架起了一座桥梁，这便是分了，和原子不同的真正的分子。 阿佛加德罗所设想的分子，特别是单质的分子，可以由不同数目的同种原子组成。他认为氢气、氧气等单质分子中，各有两个原子。这样一来，盖—吕萨克的气体反应定律，就能得到很好的解释了。这可以用下列方程式来说明： 2体积氢气+1体积氧气=2体积水蒸汽 2nH+1nO=2nHO 2 2 2 2H+O=2HO 2 2 2 用我们现有的化学知识，便很容易理解上面的三层关系，既能层层互相联系，各自又很合理。如果第三个式子是 2H+O=2HO或2H+2O=2HO 2 那么都是说不通的。 阿佛加德罗提到的分子，是从道尔顿的原子理论中分化出来的。这种分子的概念，是阿佛加德罗根据宏观实验现象所做出的假想。是阿佛加德罗从困境中解救了道尔顿，然而道尔顿却不相信阿佛加德罗的说法。作为原子论发起人的道尔顿，坚持认为同种的原子必然互相排斥，不能结合成分子，否定H、O的存在，从根本上拒绝了阿佛加德罗的一片好心。 2 2 阿佛加德罗提出的分子假说，根本就是对的，但由于遭到别人的反对。自己却又提不出更有力的事实来作为旁证。加上当时化学学术界，还没有统一的原子量，也没有固定的化学反应式，很多认识比较片面，思想混乱。所有这些，都使得阿佛加德罗的学说遭受冷遇竟达50多年之久。直到1860年，在一次国际性的化学会议上，人们还在为分子假说争论不休，毫无结果而散会时，阿佛加德罗的学生意大利物理学家康尼查罗，散发了他的关于论证分子学说的小册子。 康尼查罗在小册子的文章中，重新提到了他的老师的假说，用充分的论据明确指出：“……近来化学领域所取得的进展，已经证实阿佛加德罗、安培和杜马的假说，……即等体积的气体中，无论是单质或是化合物，都含有相同数目的分子，但它绝不是含有相同数目的原子。……阿佛加德罗和安培的学说必须充分加以利用。”（安培和杜马也曾有跟阿佛加德罗近似的设想） 康尼查罗的论文条理清楚，呈述严谨，他的要求和分析很快得到了化学界的赞许和承认。近代的原子——分子的统一理论，终于在19世纪的60年代得以确立。 气体都是以分子状态存在的，化合物的分子都是由几种不同的原子构成的。并且在同温同压下，相同体积的气体所含原子数也不一定相同，然而所 23含的分子数却是肯定相同的，都是6.02×10个，后人将这个数叫阿伏伽德罗常数。在原子和宏观物质之间由于有了分子这一概念的过渡，许多化学反应便都很好解释了。这在化学史上是一大突破。所以恩格斯指出化学的新时代是从原子论开始的，“近代化学之父不是拉瓦锡，而是道尔顿。” 惰性气体 天文学家让逊和洛克尔在观察日食时从太阳光谱中发现了一种新谱线，给物理学家出了一个难题，很长一段时间谁也无法解释清楚。人们只好猜测太阳里可能有一种新元素，于是就把它定名为“氦”（希腊文太阳之意）。1892年，洛克尔突然收到一封信，信中提出一个无法解释的疑问，洛克尔就干脆把它发表在自己主办的《自然》杂志上： “今有一事特向贵刊和贵刊的读者求教。我最近多次用两种方法制取氮气，但它们的密度却总不一样。既然是同一物质为什么会有两种密度呢？ 瑞利 1892年9月24日” 瑞利（1842～1919年）是谁呢？他是剑桥大学的教授，他有极好的耐心，因而他就选择了一个极需耐心的研究题目，便是测量各种气体的密度（密度是指1升气体在0℃和一个大气压下的质量）而他的实验室里也有一架当时极好的天平，其灵敏度可达到万分之一克。他制成了一个大玻璃球，然后用真空空泵将球内空气抽空，再称出球重，算出体积，然后充进各种气体，称出净量后，求出密度。这是一种重复枯燥的事，他却能不厌其烦。每种气体都要称几次，并且气体每次都是以不同的方法制得，如果测量的结果都一致了，他这才放心。他就这样对着那个玻璃球，抽了又充，充了又称，称了再算，从1882年开始一直干了整整10年。这工作虽然枯燥繁琐，然而那些气体在他的手中却都有了一个精确的密度，心情倒也十分愉快。不想有一次，瑞利这个办法却再也不灵了。他在测氮气密度时，第一个办法是让空气通过烧得红热的装满铜屑的管子，氧与铜生成氧化铜，那么剩下的就是氮气，密度为每升1.2572克。第二个办法便是让氧气通过浓氨水，生成水和氮气，这种氮气的密度为每升重 1.2560克，比空气中的氮轻了0.0062克。瑞利百思不得其解，便向《自然》杂志写了以上那封信。信发表后，瑞利一面盼着回音，一面不停地重复这个实验。但他的信在杂志上公布了二年之久，竟没有收到一封回信。瑞利实在等得不耐烦了，便带上他的仪器直奔皇家学会。1894年11月19日，他向许多化学家、物理学家当面作了一个关于“两种氮气”的报告。这一招还真灵，报告刚完，便有一个化学家拉姆赛（1852～1916年）自告奋勇提出帮忙，他说：“两年前我看到你那封信还没有弄懂其意，今天我才明白，你从空气中得到的氮气一定含有杂质，因此密度会稍大。”这时瑞利恍然大悟：杂质不就是未发现的新物质吗？瞬间，蒙在心头的愁云早已化成了眉梢的笑意。瑞利正喜不自禁，有一个叫杜瓦的物理学家又走上前来告诉他说：“老兄，这个问题卡文迪许（1731～1810年）早在100年前就曾提出过，我建议您去查找他留下来的笔记，对您或许有帮助。”瑞利现在正是在卡文迪许实验室工作，而那些旧笔记就锁在他身边的柜子里。他一听这话更是喜上加喜，连忙收拾东西回剑桥去了。 卡文迪许是科学史上的一个怪人。他出身于贵族家庭，很有钱，然而他却一不做官，二不经商，三不交际。他把钱都用来买科学仪器和图书。他还建了一个很像样子的私人图书馆，任何人都可以来借书，但是一定要按时归还，就是他自己看书也要先打个借条，办个手续。他的穿戴全是上个世纪的打扮，因此一出门就有许多小孩跟在后面，又叫又笑。他一辈子没有结过婚，不知是缺根什么神经，他从心里厌恶女人，家里雇着女仆，却又规定不许与他见面。每天早晨，他将吩咐女仆办的事写在纸上，然后放在固定地方。吃饭时女仆便先摆好饭菜退出餐厅，他再进来用餐。等他离开后，才允许女仆进来收拾碗筷。一天，他在楼梯上与女仆偶然相遇，竟然气得发抖，返身找到管家，吩咐再造一个楼梯，男女各行其道。他思维怪异，一生的发现有很多，比如：第一个从水中电解出氢、氧，并测出比例；第一个测出地球的密度等等。然而他却极少公开发表，宁肯让这么多成果掩藏在尘封的笔记本里。直到他死后50年，麦克斯韦因受命筹建卡文迪许实验室，才十分吃力地将这些“天书”一本本地整理以后发表。 瑞利赶回剑桥后，一进实验室便开箱启柜，抱出那一堆纸色变黄的笔记，终于在皇家学会1784年至1785年的年报中找见卡文迪许的一篇《关于空气的实验》，而在其笔记中还看到了更为详细的实验记录。原来这个怪人想出了这样一个怪办法，他将一个U形管的两头浸在两个装有水银的酒杯里，架起一个天桥，再用当时还比较原始的摩擦起电机从两头通电，U形管中的氧气和氮气便在电火花一闪时化合成红色的二氧化氮，接着又滴进一种特殊溶液将其吸收，再通氧，再化合，如此反复多次。卡文迪许和他的助手们轮流摇动发电机，整整摇了三个星期，最后在弯管中还剩下一个很小的气泡，任你怎样通电，它也再无丝毫的表示。卡文迪许当时便断定，空气中的氮气（当时叫浊气）决不是单一物质，一定还包含有一种不与氧化合的气体，而且他还算出了这种气体不会超过全部空气的1/120。 啊，原来如此。 瑞利看过卡文迪许的笔记本后，喜得手直发痒，立即架起仪器，重做这个109年前的气泡试验。由于他现在有了最新的设备，这气泡很快就得到了。他又将此事通知拉姆赛，拉姆赛用其他方法也获得了同样的气泡。看来，这东西肯定是一种还未发现的元素，并且有可能就是洛克尔和让逊在太阳上发现的那个氦。现在可用得上基尔霍夫发明的那个雪茄烟盒子照妖镜了。他们兴冲冲地取来分光镜，谁知不照犹可，一照心里凉了半截。原来瑞利以为这回他一定找到了那个已有26年没有发现得了的氦，却不想分光镜里的光谱却又是另外的一种，因此浑身凉了半截。但是当他再仔细观察，发现这谱线是橙、绿两条，和其他已有元素也对不上号，心情不禁又激动起来。他没有抓住“氦”，却无意中发现了另一种新元素。瑞利便给它起了个新名字叫“氩”，这个字在希腊文里是不活动的意思。同时拉姆赛在伦敦也找到了氩。这是1894年8月的事。 瑞利和拉姆赛找见氩的消息在外界传出后，一位化学家给拉姆赛写信说，钇铀矿和硫酸反应会生成一种气泡，这种气体不能助燃，也不能自燃，说不定就是你的氩。拉姆赛连忙进行试验，发现这种气体的光谱竟和氩又是不同。他实在想不出这又是一种什么新玩艺儿，便连同装着新气体的玻璃管和分光镜一起送到当时最权威的光谱专家克鲁克斯处，请他鉴定。1895年3月23日，拉姆赛正在实验室里工作，突然收到一份电报： “你送来的气体，原来就是氦气——克鲁克斯。” 真是想不到追寻了27年的氦，倒这样轻易地被找到了。 然而拉姆赛脾气很倔犟，他总觉得氦这样躲躲藏藏地和他作对，虽然找到了也不痛快。并且，氦既然不轻易和其他元素结合，那么它一定能独立存在于空气中，因此他决心要在空气中直接找到氦。他知道氦、氩都有惰性，不易通过化学反应将他们分离，因此他换了一个物理的办法，便是将空气冷凝到零下 192℃，使之变为液体，然后根据它们蒸发的先后次序不同，再将他们一一分离开去。 这天上课了，拉姆赛教授走进课堂，便在桌上放了一个特制的杯状大器皿。里面装的是冷凝成液态的空气。学生们从没有见过空气会像水一样盛在杯子里。因而都瞪大眼睛看教授要做些什么，这时拉坶赛拿起一个小橡皮球在器皿里浸了浸，再往地上一扔，球没有像往常那样蹦起来，却嚓啦一声跌个粉碎。学生们惊得一个个眼睛溜圆。教授却不慌不忙，又往一只装满水银的试管里插进一根铁丝，连试管一起往器皿里一泡，再抓住铁丝往外一拉，竟拉出一根水银“冰棍”，拉姆赛又拿起一颗钉子，用这根冰棍，当当几下，就将钉子钉到墙里，这时教室里又响起一片笑声。然而不等笑声消失，教授又从口袋里掏出一块面包，当大家还没有看清是怎么一回事，面包却早在器皿里打了一个滚，又捞了上来。拉姆赛说：“快将窗帘拉上！”只见室内一暗，这面包竟发出天蓝色的光。这时学生们却有点急了。那宝贵的液态空气越蒸发越少了，难道花那么多钱就为今天变一阵魔术吗？不想，拉姆赛干脆宣布实验结束，大家回家吃午饭。他将那杯液态空气大敞着口，锁上门，扬长而去。 原来拉姆赛早就有了主意。他想氦一定比氧、氮蒸发得慢，那么最后留在器皿底下慢慢来收拾也不会跑掉。到下午，拉姆赛将器皿底下那点已不多的空气经过除氧、除氮处理后，收得一个小小的气泡，然后再用分光镜一照，氦没有找见，却又出现了一种新谱线——这一定又是一种新元素了。真是阴差阳错。拉姆赛把这种新元素取名为“氪”（希腊文隐藏的意思）。这天是1898年5月24日。 没有找见氦，拉姆赛并不气馁。他想，没有留在最后就说明已先蒸发走了。这次他学聪明了，将液态空气一点点蒸发分馏，然后逐次抽样，再用分光镜检查。他首先找出一种新元素便把它定名为“氖”（希腊文“新”之意），然后终于找见了那个最难寻的氦，接着在1898年7月12日又找见了“氖” （希腊文“陌生”之意）。就这样拉姆赛用分馏法加光谱法，在不到半年内就连续发现了3种不易为人看到的惰性元素。到此为止，那个氦已经让人发现过3次了。第一次在太阳光谱里，第二次在钇铀矿里，第三次在空气里。因为找它，却又牵出了一串惰性元素。后来拉姆赛说：“寻找氦让我想到了老教授找眼镜的笑话。他拼命地在地下找，桌子上找，报纸下面找，找来找去，眼镜就在自己的额头上。氦被我们找了一大圈，原来他就在空气里。” 这些惰性气体是一个家族，由于它们在空气中的含量很少，因此也称为稀有气体。 原子序数就是质子数 原子结构的秘密被人们初步揭开以后，不少科学家都在考虑这样一个问题：元素的原子结构同它在周期表里的座位有没有什么关系？ 一位年轻的英国物理学家莫斯莱，首先在这个问题上做出了重大的贡献。 在莫斯莱以前，有的科学家已经注意到，用不同的元素做成的X射线管中的靶子（对阴级），发射出来的X射线的穿透能力是不同的，原子量越大的元素，发出的X射线的穿透能力越强。这种具有特殊穿透能力的X射线被叫做特征X射线。 1913年到1914年间，莫斯莱系统地研究了各种元素的特征X射线。他借助于一种叫做亚铁氰化钾的晶体，摄取了多种元素的X射线谱。他发现，随着元素在周期表中的排列顺序依次增大，相应的特征X射线的波长有规则地依次减小。莫斯莱根据实验的结果认为，元素在周期表中是按照原子序数而不是按照原子量的大小排列的，原子序数等于原子的核电荷数。 原子序数原来就是原子核里的核电荷数！莫斯莱的这个发现，第一次把元素在周期表里的座位和原子结构科学地联系在一起了。这个发现，给科学家们展现了一个广阔的研究领域。可惜的是，这位勤奋而又有才能的青年科学家，竟然在27岁的时候，就牺牲在第一次世界大战的战场上了。 后来，在发现了质子和中子以后，人们终于认识到，决定一个元素在周期表中的位置的，只是它的原子核中的质子数。 例如，氢元素的原子核里只有1个质子，核电荷数是 l，所以它必然就排在周期表里的第1位。碳元素的原子核里有6个质子，核电荷数是6，因此它就应该排在周期表里的第6位。而钾元素的原子核里共有19个质子，核电荷数是19，当然它就是周期表里的第19号元素了。 反过来也一样，周期表里第几位上的元素，原子核里一定有几个质子。例如，氯是周期表里的第17号元素，它的原子核里也就有17个质子，核电荷数自然也就是17。 可以说，有了这个发现，就解开了周期表当中几个长期叫人困惑的谜！ 第1个被解开的谜，就是那个让人大伤脑筋的问题——氢和氦之间还能不能再有新元素。 根据这个发现，人们知道氢原子核里只有1个质子，应该排在周期表里的第1位，而氦原子核里有2个质子，当然应该占据第2位，虽然在周期表上它们的中间隔着好大一块空地，可是质子数在1和2之间的原子，可以肯定不会再有了。 第2个被解开的谜，就是几对元素的顺序倒置问题。前面已经说过，门捷列夫在发现元素周期律的时候，是按照元素的原子量大小的顺序编排元素的。按照当时大多数化学家测定的数值，钴的原子量是 59，镍的原子量是58.7；碲的原子量是128，碘的原子量是127。按照原子量大小的顺序，镍应当排在钴的前面，碘应当排在碲的前面。可是，按照同族元素应该具有相似的性质这个规律（拿化合价来说，碲的最高价为+6价，应当同硫、硒等排在一族；碘的最高价为+7价，应当同氯、溴等排在一族），他们排列的次序就应该颠倒过来。后来，还有氩（39.9）排在钾（39.1）的前面和钍（232）排在镤 （231）的前面这两个原子量的顺序颠倒的问题。 不过，当年门捷列夫对于元素的性质随着原子量的增大而发生周期性的变化这一点是深信不疑的，他始终认为一定是人们把钻和镍、碲和碘、氩和钾的原子量测定错了。所以，在他自己排的周期表中仍然是把钴放在镍的前面，把碲放在碘的前面，把氩放在钾的前面。他在生前一直在期待着化学家给钾、镍和碘增大原子量，或者给氩、钴和碲减小原子量。但是，它们的原子量确实是氩大于钾，钴大于镍，碲大于碘。所以，多少年来，这个所谓的顺序倒置问题就成了一个不解之谜。 现在，莫斯莱等人的新的发现，一下子就解决了这个难题：元素在周期表中应该按照它的原子序数，也就是按照原子核中质子数的顺序来排列，而不应当按照原子量的大小来排列。 钾原子核里的质子数恰好比氩多1、碘比碲多1，镍又比钻多1。所以，氩和钾、碲和碘、钴和镍的顺序完全是正确的，并不存在什么颠倒问题。 不过，这个问题总让人觉得没有彻底解决。因为绝大多数的元素都随着原子序数的增大，随着质子数的增多，原子量也相应地增大。只有这几对元素的原子量没有按照这个顺序增大，反而是原子量大的排在了前面，原子量小的排在了后面，这是为什么？ 后来弄清楚了，这个问题的关键也是在原子核里。 原来，同一种元素的原子核里面具有相同数目的质子，也就是具有相同的核电荷数，核外的电子数目和它们的分布状况当然也完全相同，因而就具有相同的化学性质。而不同元素的质子数一定不同，核电荷数和核外电子数也一定不同，它们的化学性质也就不同了。因此，在化学上给元素下的定义是：含有相同质子数目的一类原子的总称。 可是，对于原子核的进一步研究却发现，同一种元素的的原子里，质子数虽然一样多，但中子的数目却不完全相同。 拿氢元素来说吧，它所有的原子里，都只有1个质子，可中子数却不一样。有的氢原子里根本没有中子，有的氢原子里有1个中子，还有的氢原子里竟然有两个中子！这3种氢原子的化学性质几乎完全一样，很难区别。就好像一胎生下来的3个孪生兄弟——三胞胎，长的一模一样。中子数不同的氢原子就是原子世界中的三胞胎。 原子也有多胞胎！ 原子里的多胞胎，质子数完全一样，属于同一种元素，在周期表上当然占据同一个位置，因此，人们也把它们叫做同位素。 同一种元素的几个同位素虽然化学性质相同，但在物理性质上却不完全相同。比如，它们的原子质量就一定各不相同。那些在原子核中含中子多的原子，原子质量就大些，含中子少的原子，原子质量就要小些。 在氢的同位素中，不含中子的称为氢—1，含有1个中子的称为氢—2，含两个中子的称为氢—3。这就好像三胞胎的妈妈把她的孩子们叫成老大、老二、老三一样。当然，这是小名。它们除了小名以外，还各有各的大名。氢—1叫做氕，氢—2叫做氘，氢—3叫做氚。 氕、氘、氚虽然各自的原子质量不同，但它们的化学性质几乎完全相同。在自然界里，它们也都混在一起，难分难解。所以，平时我们所测出来的氢的原子量，就是这3种原子质量的平均值。 现在已经知道，绝大多数的元素都有两种或两种以上的同位素。因此，绝大多数元素的原子量，都是它的各种同位素的原子质量的平均值。 自然界的各种元素，一般来说，质子数大的，原子量也比较大；质子数少的，原子量也比较小。所以，在周期表中，大多数元素都是随着质子数的增大，原子量也同时增大。可是，有的元素，虽然质子数较小，但是在自然界，它的几个同位素中较重的同位素占的比例大，因而几种同位素的原子质量的平均值（就是这种元素的原子量）也就要大些。而有的元素虽然质子数比较大，但由于较重的同位素占的比例小，结果这种元素的原子量反倒要小一些了。 拿氩和钾这一对元素来说，氩的质子数（18）要比钾的质子数（19）小，但是在自然界中，它的重同位素占的比例大——氩-40占99.60％，它的原子 -38质量为39.96个原子质量单位（u），氩 占0.06％，它的原子质量为37.96 -36％（u），氩 占0.34％，它的原子质量为35.97（u）。很容易计算，氩的原子量应该是： 39.96 ×99.60 100 钾的质子数虽然较大，但它的重同位素占的比例小——钾-41占6.88％，它的原子质量为40.96（u），钾-40占0.01％，它的原子质量为39.96 （u），钾-39占93.08％，它的原子质量为38.96（u）。所以，钾的原子量就是： 40.96 ×6.88 100 这样一来，从原子量看，在周期表中排在后面的钾反倒比排在前面的氩要小，这就是曾经在一个相当长的时期里解释不了的顺序倒置问题。在同位素被发现以后，特别是在原子核的质子中子结构被阐明以后，这个问题就很容易理解了。钴和镍、碲和碘、钍和镤的倒置问题，也都是由于同样的原因造成的。这个谜终于被彻底解开了！ 探究电子排布的秘密 人们在研究原子核的同时，也对核外的电子进行了研究。知道了核电荷数，也就是知道了核外电子数，因为这两者总是相等的。但是这些电子在原子核外的状态是怎样的呢？它们是怎样分布的，怎样运动的呢？这还是一个秘密。 从大量的科学实验的结果中，人们知道了，电子永远以极高的速度在原子核外运动着。高速运动着的电子，在核外是分布在不同的层次里的。我们把这些层次叫做能层或电子层。能量较大的电子，处于离核较远的能层中；而能量较小的电子，则处于离核较近的能层中。 人们还发现，电子总是先去占领那些能量最低的能层，只有能量低的能层占满了以后，才去占领能量较高的一层，等这一层占满了之后，才又去占领更高的一层。 第1层，也就是离核最近的一层，最多只能放得下两个电子。第2层最多能放8个电子。第3层最多能放得下18个电子，而第4层放的更多，最多能放32个电子，…… 现在已经发现的电子层共有7层。 不过，当人们对很多原子的电子层进行了研究以后发现，原子里的电子排布情况，还有一个规律，这就是：最外层里总不会超过8个电子。 当人们把研究原子结构，特别是研究原子核外电子排布的结果同元素周期表对照着加以考察的时候，发现这种电子的排布竟然和周期表有着内在的联系。 为了说明的简便，我们只拿周期表中的主族元素同它们的核外电子排布情形对照着看一看。先从横排——周期来看： 在第一周期中，氢原子的核外只有1个电子，这个电子处于能量最低的第一能层上。氦原子的核外有两个电子，都处于第一能层上。由于第一能层最多只能容纳两个电子，所以，到了氦第1能层就已经填满。第一周期也只有这两个元素。 在第二周期中，从锂到氖共有8个元素。它们的核外电子数从3增加到11。电子排布的情况是：除了第一能层都填满了两个电子而外，出现了一个新的能层——第二能层；并且从锂到氖依次在第二能层中有1～8个电子。到了氖第二能层填满，第二周期也恰好结束。 在第三周期中，同第二周期的情形相类似。除了第1、2两个能层全都填满了电子外，电子排布到第三能层上，并且从钠到氩依次增加1个电子。到了氩，第三周期完了，最外电子层也达到满员——8个电子。 再从竖行——族来看： 第一主族的7个元素——氢、锂、钠、钾、铷、铯、钫的最外能层都只有1个电子，所不同的只是它们的核外电子数和电子分布的层数。氢的核外只有1个电子，当然也只能占据在第1能层上；锂有两个能层，并且在第2能层上有1个电子；钠有3个能层，并在第三能层上有1个电子；……钫有7个能层，并且在第三能层上有1个电子。 由于在化学反应中，原子核是不起任何变化的，一般的情况下，只是最外层电子起变化。第一主族由于最外层都只有一个电子，因而它们表现出相似的化学性质，这当然就是很自然的事情了。 完全类似，第二主族各元素的最外能层都有两个电子，第三主族各元素的最外能层都有3个电子。…… 当初，门捷列夫曾经在他自己编写的化学教科书《化学原理》中，用下面这句话来说明他发现的元素周期律：元素以及由它形成的单质和化合物的性质周期地随着它们的原子量而改变。 后来，由于物理学上一系列新的发现，人们对元素同期律得到了新的认识，元素以及由它形成的单质和化合物的性质周期地随着原子序数 （核电荷数）而改变。 最后，在弄清了原子核外电于排布的规律以后，人们对元素周期律和元素周期表的认识就更加深入了。现在，人们可以从理论上来解释元素周期律了。原来，随着核电荷数的增加，核外电子数也在相应地增加；而随着核外电子数的增加，就会一层一层地重复出现相似的电子排布的过程。这就是元素性质随原子序数的增加而呈现周期性变化的原因。 如今，人们不仅知道一个元素所在的周期数就是它的核外电子排布的能层数，主族元素的族数就是它最外层的电子数，而且也能解释元素的化合价为什么也随着原子序数的增加而出现周期性的变化。就连为什么同一周期的各个元素，从左到右金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强，为什么同一周期的各个元素，从上到下金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱这一类的问题，也能够得到令人满意的解答了。 原子结构的知识像一把钥匙，打开了元素周期表里的秘密之锁，使它进入了电子时代。 |
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