5.元素周期表
1770年之后的25年中,人们又陆续发现了11种元素,即氯(Cl)、铀(U)、锰(Mn)、钛(Ti)、钼(Mo)、钇(Y)、碲(Te)、铬(Cr)、钨(W)、铍(Be)、锆(Zr)。
同一时期,意大利物理学家伏特发明了电池。
19世纪初,英国化学家Davy使用了很大的电池来研究一种化合物,它就是今天的苛性钾。当时大家都知道苛性钾,只是不知道组成它的元素有哪些。Davy将其加热,使之熔化,再通电流,结果得到了一种新的金属元素。
今天,如果我们在金属壶里放一些苛性钾,然后将电池的正电极接在壶上,苛性钾就会熔化,再在熔化液中插入负电极的白金线,那么白金线上就会附着少量的金属钾。
在发现钾的数天后,Davy又用苛性钠做了同样的实验。因此,Davy成了钾和钠的发现者。
1800年到1869年这段期间,化学得到了飞速的发展。人们所知道的元素种类几乎增加了一倍。这一时期,全世界各国的科学家都在致力于发现新元素。
以下是被发现的新元素,按发现顺序排列。
钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、铈(Ce)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、锇(Os)、钾(K)、钠(Na)、硼(B)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、碘(I)、锂(Li)、镉(Cd)、硒(Se)、硅(Si)、溴(Br)、铝(Al)、钍(Th)、镧(La)、铒(Er)、铽(Tb)、钌(Ru)、铯(Cs)、铊(Tl)、铷(Rb)、铟(In)及在太阳中发现的氦(He)。
当时还没有今天的元素周期表。否则,上述元素就可以按下图所示的排列。
分类元素的尝试
到了1817年,人们发现的元素已经达到了50种。虽然数量不少,但还没有人知道如何将其分类或者按一定的顺序对其做出整理。也就在那个时候,人们开始了解元素和化合物之间有何区别。
不过,随着发现的元素不断增多,人们渐渐感到有必要将其做出分类。科学家们认为,不同的元素间关联的关键可能在原子量,也正是根据这种想法,他们开始了对元素的整理工作。
提培莱那是第一个发现几种元素之间存在关联性的化学家。1829年,他提出了三组元素的概念:假如将性质相似的元素由上往下排成一列的话,中央元素的原子量刚好是上面和下面元素原子量的平均数。例如,锂、钠、钾由上往下排成一列,那么钠的原子量就是锂和钾原子量的平均数。不仅如此,中央元素的化学性质也大致位于上下元素的中间。其他的例子还有钙、锶、钡和氯、溴、碘。
提培莱那提出三组元素概念之后的25年间,其他的化学家又接连发现了四五对同样有关联的三组元素。这对于以后建立元素体系来说是迈出了最重要的一步。
1862年,法国化学家乡克尔都瓦按原子量的顺序将元素排成了螺旋状。依这种排法,性质相似的元素会排成直列,相邻的两种元素原子量相差16。他认为,各种元素性质间的关系与整数间的关系是很类似的。
两年后,也就是1864年,英国的Newlands发明了一种将元素分为7组的排法,叫做“倍音定律”。他把氢、锂、铍、硼、碳、氮、氧等前7种元素像音阶中的音符那样排列。然后将其他元素按原子量的顺序排在7种元素的下面。结果,性质相似的元素集中在一起,而那7种元素在各排的最上面。
乡克尔都瓦的元素排列
元素周期表的诞生
1869年,德国的化学家Meyer和俄国著名的化学家门捷列夫(Mendeleev)对元素周期表的原理,即周期性做出了说明。这以后,以上谈到的问题便理所当然地得到了解决。
开始时,他们按原子量的顺序排列已知的元素。但是发现氢无法和其他元素配合,所以把氢暂搁在一边,而从后面的锂和铍开始排。这样一行一行地接下去。结果,他们发现化学性质相似的元素都排在同一直列上。这样,将表继续扩展下去,他们又发现有几组元素无法按以上的排法排列。这些元素是到后来才被排到元素周期表上去的。
门捷列夫还发现,要使化学性质相似的元素都排在同一直列,就必须留有几个空位。这个表与今天的元素周期表仍有许多不同。
门捷列夫最大的贡献在于他在自己的元素周期表上留下了几个空位,而且主张那些空位是留给尚未发现的元素的。
门捷列夫更进一步充满勇气地预言那些尚未发现的元素的形态、重量及其化学性质。他预言将会发现三种元素,它们的性质与硼、铝、硅相似,因此暂取名为拟硼、拟铝、拟硅。例如,门捷列夫预言拟硅是一种暗灰色的固体,原子量为72,密度为5.5,可以生成液体氯化物。
门捷列夫所预言的元素
过去从没有人像门捷列夫一样,对某些特定的未知元素做出预言。只要人们发现被预言的任意一种元素,那么门捷列夫元素排列法的价值和效能就会得到永远的认可。
元素周期表的改良
19世纪末以前,人们是以元素的相对重量(原子量)为基准来排列元素的。后来化学家们发现按原子序数排列才正确。元素的原子序数等同于该元素原子核内的正电荷数。一般来说电荷数跟原子量成正相关关系。如某一元素的电荷大于排在它前面的元素,在周期表上该元素的原子量也较大。不过也是存在例外的,如钴和镍的情形就不同。
1911年,英国的罗得福特发现原子的正电荷都集中在原子核中,原子核的体积很小,密度却很大,位于原子的中心。不到两年,丹麦物理学家Bohr便画出了详细的原子核构造图及原子核周围电子的旋转轨道。
1913年及1914年,英国的Moseley用原子核的正电荷数阐述原子序数的概念。在这种概念的指导下重新查看元素周期表,以前无法解释的疑问就都迎刃而解了。
另一方面,更早以前,当门捷列夫还在致力于排列元素周期表的时候,一种惊人的新仪器———光谱仪出现了。这种仪器可以帮助人们发现其他新元素。
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