化学自习室移动版

18世纪中叶至19世纪中叶，随着研究技术的进步，新元素大量被发现，当时平均每两年半就有一种新元素被发现。化学元素的急剧增多，原子-分子论被普遍接受；统一的原子量被确定下来；原子价的概念也得到明确。所有这些，都为元素周期律的发现奠定了基础。

早期的化学符号

炼金术中的元素符号：

化学符号的最初形式来源于占星术和炼金术。

古希腊产生了丰富多彩的自然哲学，也产生了最早的与化学相关的著作。在这些著作中，来自巴比伦的占星学与来自古埃及的炼金术把已知的金属与日、月和五大行星联系起来，用行星的符号表示金属，即太阳=金、月亮=银、火星=铁、金星=铜等，从而形成了最初的化学符号。

古代练金术中的元素符号

拉瓦锡的《化学概要》—元素表：

1787年，拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）与德·莫维等发表《化学命名法》，规定每种物质须有固定名称，单质名称应反映它们的特征，化合物的名称反映其组成，从而为单质和化合物的科学命名奠定了基础。拉瓦锡和他的同事们扫除了化合物名称与炼金术的联系。

18世纪后半期，人们开始对元素进行分类。拉瓦锡在1789年出版了《化学概要》，列出了第一张元素一览表，元素被分为四大类：

1）属于气态的简单物质：光、热、氧、氮、氢等元素。

2）能氧化为酸的简单非金属物质：硫、磷、碳、盐酸素、氟酸素、硼酸素等，其氧化物为酸。

3）能氧化为盐的简单金属物质：锑、银、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌等，氧化后生成可中和酸的盐基。

4）能成盐的简单土质：石灰、镁土、钡土、铝土、硅土。

拉瓦锡和他的《化学概要》中所列元素表

由于当时科学技术水平的限制，拉瓦锡不仅把一些非单质列为元素，还把物质在燃烧过程中产生的能量——光和热两种物理现象也视之为元素。尽管当时他抓住了一些元素化学性质的相似性，又最善于使用天平称量物质，但他对多种元素各有多少质量数还一无所知。

道尔顿的元素符号：

1808年，道尔顿出版了《化学哲学新体系》。

继炼金术元素符号之后，他为当时所知的元素设计了圆形符号，绘制出"简单原子"和"复杂原子"的37种化学符号。元素的原子量概念是道尔顿第一个提出来的，他把质量最小的氢原子的质量规定为1，再以氢做标准，给出其他元素的原子相对氢原子是多少倍的相对质量。

道尔顿和他的元素符号

道尔顿设计的元素符号

由于当时的很难精确测定原子的质量，道尔顿当时给出的很多化合物的原子比例都是错误的。

第一行从左至右：氢H，碳C，氮N，氧O，磷P，硫S

第二行从左至右：铁Fe，锌Zn，铜Cu，铅Pb，银Ag，铂Pt，金Au，汞Hg

第三行从左至右：一氧化碳CO，二氧化碳CO2，一氧化氮NO，一氧化二氮N2O

德贝莱纳的三元素组

1829年，德国化学家德贝莱纳（Johann Wolfgang Döbereiner）发现有几个相似元素的组。每组包括三个元素，每组中的元素化学性质相似，中间元素的性质又介于前后两元素之间，且原子量（或当量）也近乎前后两元素的算术均值（如，锶的当量42.5是钙20和钡65当量的算术平均值）。

根据这些特征，他确定的三元素组有：①锂、钠、钾；②钙、锶、钡；③氯、溴、碘；④硫、硒、碲；⑤锰、铬、铁。

由于当时发现的元素只有54个，德贝莱纳的分类仅限于局部元素分组，未能扩展至全部元素的整体分类。但他的分类法为后续的元素周期律研究提供了参考依据。

德贝莱纳和他的三元素组

尚古多的螺旋图

1862年，法国化学家尚古多（Alexandre de Chancourtois）提出了元素的性质随原子量而周期性变化的观点，创造了"螺旋图"。

他在圆柱体表面上划一条与底面成45°的螺旋线，并用垂线在圆柱体上分成16格。将螺旋线的出发点设为0，原子量为1的氢元素标记在第一条垂线与螺旋线的交点上，以此类推，将已知的62种元素按原子量的大小顺序，依次标记在螺旋线与垂线的交点上。随着原子量从小到大的顺序排列，元素性质显露出了周期性变化的端倪。

尚古多和螺旋图（呈螺旋状排列的元素）

尚古多的螺旋图原图（左）、圆柱体螺旋图的展开形式（右）

尚古多发现，性质相近的元素恰好出现在同一垂直母线上，如锂-钠-钾；硫-硒-碲；氯-溴-碘等。但由于元素性质的周期性重复并不总是遵循以原子量差值为常数（16）的原则，因此图上一些性质迥异的元素也混入一组里，造成了混乱。

化学史上，尚古尔多利用立体式螺旋元素图，开了研究元素体系的先河，被认为是第一个发现元素之间存在周期性规律的人，他从整体上探讨了元素性质和原子量间内在联系，为揭示元素性质的周期性做了第一次尝试。

欧德林的表格式元素表

1864年，英国牛津大学化学教授奥德林（William Odling）发表了题为"原子量与元素符号"的文章，列出了一张包括45种元素的表格，说明元素性质随原子量的增加会出现周期性变化的规律。这个表从形式上比螺旋图距元素周期表更进一步。

欧德林的元素表（1864年）

他把该表上下分为三部分、左右分为五部分，共15个小区，4个小区是空白，其余11个小区都多少不同地排进了已知和未知元素，从中也可看到一些现代周期表中周期和族的眉目。现代周期表是正副族多、周期少，该表也是类似于族的横行多，相当于周期的纵行少。只不过是纵像周期横似族罢了。

欧德林的元素表不仅证明了尚古多提出的"元素的不同性质是由原子量的变化引起的"观点，而且相比尚古多的立体螺旋图，该表更明显地表现出了按原子量递增顺序排列后，各种元素性质的周期性变化规律。

迈耶第一个把元素分成主副族

在欧德林制出元素表当年，德国物理学家、化学家迈耳（J.L. Meyer）在《近代化学理论》书中明确指出："元素的性质是它的原子量的函数"。这与尚古多关于原子量与元素性质关系的观点相似，都表述了元素的性质随着原子量大小的变化而变化。他将这种观点设计于一张包含44种元素的表格中，将元素分为6个纵行，也称《六元素表》。

迈耶和他的六元素表（1864年）

迈耶的元素表在形式上，已初具现代周期表的一点轮廓（横像周期纵像族）。他将1852年英国化学教授E. Frankland提出的化学亲和力（反映元素在反应中参加多少原子和彼此结合力强弱）的概念，改为化合价引入元素表，并利用元素化合价这一重要的性质作为划分族的主要依据，把后来称之为主族元素和副族元素的成员截然分开。

在第一横行的化合价下，安排的均为主族元素，在第十三横行的化合价下，安排的都是副族元素。这说明迈耶已洞察到主副族元素有着明显的不同特点。而且，他把IB族和ⅡB族元素排在了VIIIB族后面，这也与现代元素周期表大致相同。

1869年，迈耶发表了著名的《原子体积周期性图解》，图中描绘了固体元素的原子体积随着原子量递增而发生的周期性变化。

迈耶的原子体积周期性图解（1868年）

图解曲线有5个波峰，5个波谷，凸显出化学元素的5个周期。一些易熔的元素（如Li，Na，K，Rb，Cs）都位于曲线的峰顶；一些难熔的元素（如C，Al，Co，Pd，Ce）都位于曲线的谷底，足以说明元素的性质存在着周期性的变化。

纽兰兹的八音律表

在尚古多提出"螺旋图"三年之后，英国化学家纽兰兹（J.A.R.Newlands）于1865年独立提出了"八音律"分类法。

纽兰兹和元素八音律法则

他把62个元素的原子量按递增顺序排列，并发现了一种非常有趣而又有重大意义的现象：元素的性质存在着周期性的重复，即从任意一个元素算起，每到第八个元素就和第一个元素的性质相近，就像是音乐里八度音的第八音符那样。

他按照这种规律，把62种元素按原子量由小到大的顺序，依次排进横七竖八的56个格内，并将这张元素表命名为八音律表，并明确指出：性质相似元素的序号差，一般都是7或7的倍数。

纽兰兹八音律元素表（1866年）

遗憾的是，当时保守的英国化学学会拒绝发表他的论文，纽兰兹也遭受了很多同行的嘲讽。纽兰兹因此心灰意冷，退出了化学界，转行成了一名制糖工程师。

门捷列夫揭示元素周期律

门捷列夫生平简介：

门捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev），俄国彼得堡大学化学教授。1834年出生于西伯利亚一位中学校长家里。1865年，获得圣彼得堡大学科学博士学位，并被聘为普通化学教授。

1867年他依据对法国化学工业的研究，改进了俄国的制碱工业。1868~1870年写出《化学原理》，期间深入探究元素性质的相互关系，从而发现并建立了元素周期律。在此后的20年里，发现了3种新元素，证实了他关于这些元素性质的预言。1906年，他以一票之差输给了莫瓦桑（H. Moissan)，与诺贝尔化学奖失之交臂。

门捷列夫和他的第一张元素周期表（1869年3月）

他把已发现的63种元素全列入表中，并留有4个只有原子量而没有名称的空位置，预示必有4种未知元素存在。

门捷列夫对元素周期律建立的贡献：

门捷列夫在对前人提出的"三元素组"、"螺旋图"、"八音律"等分类方法和已掌握的大量资料进行认真研究和验证的过程中，去粗取精、去伪存真，特别关注到了两点问题：

1）各元素的原子量可以相差很大，但原子价的变动范围却较小。同价的元素即使原子量相差很大，但性质可以非常相似。例如，一价元素都是典型的金属，七价元素都是典型的非金属，四价元素的性质则介于金属与非金属之间。

2）一些元素（如氯Cl和钾K）原子量相差不多，但性质截然不同；而有些元素（如钾K和钠Na）原子量相差很大，性质却非常相近。

正是门捷列夫的这两个敏锐的观察，使他坚信各种元素之间一定存在统一的规律性，若按原子量排列，元素的性质必然呈现出周期性的变化。

1869年3月，门捷列夫委托朋友圣彼得堡大学教授门舒特金（N.A. Menshutkin）在俄罗斯化学会上宣读了题为《元素属性和原子量的关系》论文，阐述了他关于周期律的基本观点：

1）按照原子量的大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性。

2）原子量的大小决定元素的特征，正像质点的大小决定复杂物质的性质一样。

3）应该预料到许多未知单质的发现，例如预料类似铝和硅，原子量位于65-75之间的元素。

4）当我们知道某元素的同类元素以后，可修正该元素的原子量。

论文中，门捷列夫也列出了第一张元素周期表。他在这张表中初步实现了元素的系统化目的。他把已发现的63种元素全列入表中，并留有4个只有原子量而没有名称的空位置，预示必有4种未知元素存在。

同年，他在《化学原理》这本自己编写的化学教学参考书中，又为化学元素周期律做了更加具体的定义：元素以及元素形成的单质和化合物的性质，周期性地随着它们的原子量而改变。

1871年，门捷列夫的论文《化学元素的周期依赖关系》中修改了第一张元素周期表，为了更加凸显元素的周期性，把原来的周期表由竖行改成横排。

凭借着对元素周期律的深刻认知，门捷列夫成为了化学界的"预言家"。他在元素周期表中留下了一些未知元素的空位，其中有三个未知元素，根据它们的位置，门捷列夫把它们称之为"类铝"、"类硼"和"类硅"，并预言了它们的性质。

类铝与镓的特性对比

类硅与锗的特性对比

在往后的几十年中，门捷列夫的这些预言被逐一证实。此后，填补元素周期表中的空白成为了各国化学家们争先想要完成的任务。1955年，为了纪念门捷列夫的伟大贡献，美国科学家将通过原子撞击合成出的101号元素命名为钔（Md）。此外，联合国教科文组织将2019年定为"国际化学元素周期表年"。

目前，已有118个元素被发现（第118个元素Og）。随着人们对物质世界认识的不断深入，未来，这张表格还会再次刷新......

【本期主要参考资料】

1、《化学元素周期表漫谈》——北京：化学工业出版社，2011.1

2、《化学简史》——北京：科学出版社，2019.5

3、《化学之路：新编化学发展简史》——北京：科学出版社，2011

4、《化学元素大研究》——北京：人民邮电出版社，2014.7