化學元素週期表

    1867年聖彼得堡大學化學教授門捷列夫正著手著述一部普通化學教科書,他是想尋求一種合乎邏輯的方式來組織當時已知的六十三種化學元素。門捷列夫在此之前已經專心研究了各種元素的性質,對元素的性質做了一套卡片,上面記載著元素的原子量,化合價,物理性質和化學性質等等。1869年初,他開始鹼金屬和鹼土金屬各章的寫作。他按原子量的增加將各相似元素逐個排列出來。
    F=19 Cl=35.5 Br=80 I =127
    Na=23 K =39 Rb=85 Cs=133
    Mg=24 Ca=40 Sr=88 Ba=137
    門捷列夫對這些並列的不相似的元素族相應元素之間的原子量值近乎穩定上升這一點留下了深刻印象。沿著這一線索深入推敲,他發現性質截然不同的Cl(35.5)和K(39);Br(80)和Rb(85)在原子量的差值方面卻很相近。再深入研究其他元素族也存在著同樣的聯繫。於是他使用"牌陣的方法,先把常見的元素族按原子量遞增的順序拼湊在一起,然後排其他不常見的元素族,最後剩下了稀土元素並非都有合適的位置,他沒奈何地放在表(草表)的邊上。這樣,他就發現了把全部已知元素按原子量遞增順序排列起來,相似元素依一定間隔出現的週期律。在這堛饡隋C夫經過了個別元素相似族與不相似的元素族比較,"異中求同"找出差別的順序來,這種以一定差值(原子量)增加的順序就是規律性,應該指出除原子量以外原子價對區別族的概念建立族與族之間聯繫也起了很大的作用。所有這一切都是在1869年3月1日完成的,即所謂"偉大的一天"。
        表18-3 門捷列夫的第一個週期表(1869年)
      Ti=50 Zr=90 ?=180.
      V=51 Nb=94 Ta=182.
      Cr=52 Mo=96 W=186.
      Mn=55 Rh=104.4 Pt=197.4
      Fe=56 Ru=104.4 Ir=198.
      Ni=Cb=59 Pl=106.5 Os=199.
H=1     Cu=63.4 Ag=108 Hg=200.
  Be=9.4 Mg=24 Zn=65.2 Cd=112  
  B=11 Al=27.4 ?=68 Ur=116 Au=197
  C=12 Si=28 ?=70 Sn=118  
  N=14 P=31 As=75 Sb=122 Bi=210
  O=16 S=32 Se=79.4 Te=128?  
  F=19 Cl=35.5 Br=80 I=127  
Li=7 Na=23 K=39 Rb=85.4 Cs=133 Tl=304
    Ca=40 Sr=87.6 Ba=137 Pb=207.
    ?=45 Ce=92    
    ?Er=56 La=94    
    ?Yt=60 Di=95    
    ?In=75.6 Th=118?    

    週期表首次出現是在1869年3月18日,題為《元素屬性和原子量的關係》的論文,因門捷列夫外出由他的朋友門舒特金在俄國化學會上代為宣讀。論文中闡述了週期律的基本點:
    (1)"按原子量的大小排列起來的元素,在性質上呈現明顯的週期性;
    (2)"原子量的大小決定元素的特徵,正像質點的大小決定複雜物質的性質一樣……因此,例如S與Te的化合物;Cl和I的化合物等,既類似又呈現極明顯的差別";
    (3)"應該預料到許多未知單質的發現,例如預料到類似鋁和矽的原子量位於65至75之間的元素","元素的某些同類元素將按它的原子量大小而被發現";
    (4)"我們知道了某些元素的同類元素以後,有時可以修正元素的原子量"。
    最初的週期表是不完備的,然而它按原子量遞增的順序把相似的元素排成一行所體現的元素週期性是令人信服的。它具有下列特徵:
    (1) 按原子量的遞增順序排列;
    (2) 給未發現的元素留下空位;
    (3) 把氫同後繼的元素分開;
    (4) 重元素(稀土等)的位置不定。這篇論文所博得的歡呼聲,以及以後的幾篇論文使門捷列夫由默默無聞,而名噪一時。結果之一就是他不費什麼周折就為他的教程《化學原理》找到出版商。這本書出版於1870年,前後八版並被譯成英文,法文和德文。
    然而事情並非一帆風順,他受到一些知名學者指責嘲笑。但是門捷列夫深知自己研究工作的重大意義,不顧一切地繼續對週期律進行深入細緻的研究。經過兩年的努力,1871年又發表了《化學元素的週期依賴關係》一文,果斷地修改了他的第一張元素週期表製作了第二張表,使原來的週期表由豎行改成橫排。使同族元素處於同一豎行中。這樣更加突出了化學元素的週期性。在同族元素中,他也有了邁爾的見解,劃分為主族和副族;在這一表中他把預言元素由四個改成六個,並預言了它們的性質。他並根據一些元素在表中的合理位置大膽地修訂了一些元素的原子量值。他在該文中給元素週期律做出了定義:"元素(以及由元素所形成的單質或化合物)的性質週期地隨著它們的原子量改變"。
    如果把紐蘭茲的表和門捷列夫的表加以比較,讀者不難看出為什麼這兩種版本的週期表受到如此不同的待遇。在紐蘭茲的排法中,一直到鈣以前各種元素都排得很好,但在該元素以後,他就陷入困境。人們可以作出一個合乎邏輯的安排,將鉻放在鋁的下面(它們都生成化學式為R2O3的氧化物),但這種做法需要將鉻(原子量52)放在鈦(原子量=48)之前。而沿著這個週期向右,情況變得更糟,很明顯鐵不應和氧放在一族。鈷和鎳(只好由它們去!)也不該屬於鹵素。
    門捷列夫面臨著紐蘭茲"解決"得難以令人滿意的問題,而他用一種新的方式處理了它。門捷列夫異常機敏,他發現只有在表中某位置留出空格才能使鈣之後的元素有恰當的安排。他論證說,那些應該填滿這些空格的元素尚未發現。並極為大膽地詳細預言了這三種元素,即他所謂的"類硼"(鈧),"類鋁 "(鎵)和"類矽"(鍺)的化學和物理性質。這就說明了人們為什麼擁護門捷列夫週期表的原因。

最高氫化物 Ⅰ 族 Ⅱ 族 Ⅲ 族 Ⅳ 族 Ⅴ 族 Ⅵ 族 Ⅶ 族 Ⅷ 族
      RH5 RH-4 RH3 RH2 RH  
最高氧化物 R2O RO R2O3 RO2 R2O5 RO3或R2O6 R2O7 RO4或R2O3
  H=1 - - - - - - -
典型元素 Li=7 Be=9.4 B=11 C=12 N=14 O=16 F=19  
Na=23 Mg=24 Al=27.3 Si=28 P=31 S=32 Cl=35.5  
               
K=39 Ca=40 -=44 Ti=50? V=51 Cr=52 Mn=55 Fe=56 Co=59
(Cu=63) Zn=65 -=68 -=72   Se=78 Br=80 Ni=59 Cu=63
Rb=85 Sr=87 Yt=88 Zr=90 As=75 Mo=96 -=100 Ru=104Rh=104
  Cd=112   Sn=118 Nb=94   I=127 Pd=104Ag=108
(Ag=108)   In=113   Sb=12 Te=128    
Cs=133 Ba=137   Ce=138? 2   -  
(-) - -=137 -   - -  
    -   - -    
  - -   - -   -  
      -     W=184   Os=199?Ir=198?
  (Au=197) Hg=200   Pb=207 Ta=18   - Pt=197 Au=197
      Tl=204   2 -    
  - -   Th=232     -  
      -   Bi=20 Ur=240    
          8      
                 
          -      
                 

    在門捷列夫第一個元素週期表發表幾個星期以後,德國化學家[注4]邁爾堅決提出他是首先發現週期律的人,並且往後多年一直堅持自己的意見。這是因為他於1864年發表了一張《六(行)元素表》,注意到了"在原子量的數值上具有一種規律性"。
    1868年邁爾列出了第二張元素表,按照某些德國化學史家的意見,這張表似乎是在門捷列夫週期表發表(1869)之前,就預見到元素的週期系統。遺憾的是沒有及時公之於世,是在他死後發現原稿的。在門捷列夫第一個週期表於1869年發表以後,邁爾於1870年又發表了一張元素表,並引證了門捷列夫的週期表內容,標題是《化學元素的性質是它們原子量的函數》,邁爾直接指出了他的新表及閘捷列夫的週期系統是等同的。在文章中他用原子體積變化是各元素原子量函數的著名原理,畫成了一張曲線圖。這圖,直觀地表示了各元素原子體積變化的週期性。
    在邁爾1869年作,1870年發表的週期表中,明確指出元素的性質是它們原子量的函數,不過他的研究偏重於元素的物理性質。這張表及閘捷列夫的第一個表對比,邁爾對相似元素族劃分得更加完善(區別了主族和副族),而且在其表中形成了我們今日所稱之為"過渡元素族",他把Hg和Cd,Pb和Sn,Tl和Al,B列為同族;把錮原子量定為134,這都比門捷列夫同期發表的週期表更加正確些。他也留下了一些空位給未被發現的元素,不過沒有預言元素的性質。他的表中當然也有一些錯誤,例如由於Tc和Re當時沒有發現,他把Mn也錯誤地列到了過渡元素中;由於當時原子量的測定還不夠準確,因而只好把Ni和Co放進了同一位置上。因此西方的化學史家都認為邁爾也有資格是元素週期律的發現人。1882年這兩人聯合接受了英國皇家學會最高榮譽--戴維勳章。五年之後,又把同樣的勳章授予了紐蘭茲。然而也不能不承認門捷列夫對元素週期律的研究特別徹底,並以完全兌現的預言說服了當時的化學家。因此現在都稱門捷列夫週期律。



          J·L邁爾的原子體積原子量圖(1868)

        表18-5 J·L·邁爾的化學元素週期系(1869年10月作,1870年發表)

  B=11.0 Al=27.3 - - - In=113.4 - Tl=202.7
  C=11.97 Si=28   -   Sn=117.8 - Pb=206.4
      Ti=48   Zr=89.7      
  N=14.01 P=30.9   As=74.9   Sb=112.1   Bi=207.5
      V=51.2   Nb=93.7   Ta=182.2  
  O=15.96 S=31.98   Se=78   Te=128   -
      Cr=52.4   Mo=95.6   W=183.5  
  F=19.1 Ci=35.38   Br=79.75     I=126.5 -
      Mn=54.8   Ru=103.5   Os=198.6?  
      Fe=55.9   Rb=104.1   Ir=196.7  
      Co=Ni=58.6   Pd=106.2   Pt=196.7  
Li=7.01 Na=22.99 K=39.04   Rb=85.2   Cs=132.7    
      Cu=63.3   Ag=107.66   Au=196.2  
Mg=23.9 Ca=39.9   Sr=87.0   Ba=136.8    
Be=9.3     Zn=64.9   Cd=111.6   Hg=198.8  

[關閉窗口]