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沿用150年的元素周期表,现在可能需要更新换代

更新时间:2019-11-07 17:26:30

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编者按:门捷列夫的元素周期表已经伴随我们150年了,但在此期间化学家们仍致力于根据最新发现对其进行修订和改进。随着越来越多的元素被发现和合成,元素周期表的形式变得多样化。这篇文章是从西沃恩·罗伯茨在《纽约时报》上发表的题为《到周期表结束的时候了吗》的原创文章翻译而来的。

alex eben meyer

英国诺丁汉大学化学家马丁·波利科夫(Martyn poliakoff)在了解到一种叫做周期表战舰的游戏后,忍不住开始想象元素的反向舰队,也就是对手玩家的观点。

出乎意料的是,波利科夫的想法产生了一个疯狂的想法。5月,在联合国教科文组织庆祝国际周期表诞生150周年之际,马丁和他的合作者,包括他的女儿、曼彻斯特大学的实验心理学家艾伦·波利科夫(ellen poliakoff)共同发表了一篇论文,他们在论文中提出了一项彻底改革周期表的建议。

自1869年以来,几代化学家提出了各种方法来改变元素周期表的形式,以使它更清晰或更有趣他们是这样写的。

俄罗斯化学家门捷列夫初步设计的元素符号周期表,已经发展成为按原子序数排列的化学元素的二维排列,通常为18列。它展示了一种模式化的方法和趋势,允许科学家预测元素的性质、反应性,甚至新的元素。它被称为“罗塞塔自然之石”、“化学家地图”和“可能是迄今为止设计的最紧凑和最有意义的知识集合”。

格雷戈里·吉罗拉米(Gregory girolami)在接受妻子维拉·美因茨(vera mainz)的联合采访时说:“这就像看美国地图一样。如果我在缅因州,我可以看到那里的温度会比我在佛罗里达时低。”他们都是伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校的无机化学家。今年,他们和锡拉丘兹勒莫因学院的化学家卡门·金塔(carmen giunta)共同组织了一次150周年座谈会,该座谈会是在圣地亚哥美国化学学会全国大会期间举行的。

“如果你告诉我某个元素在某个地方,”吉罗拉米博士说,“我可以告诉你很多关于它的事情,比如它是否是金属,它在地球上是否有丰富的储量。只要注意它在元素周期表中的位置。”

美因茨博士补充道:“如果你想和一个外星种族交流,建立一个元素周期表,因为它的排列是普遍的,不管你在哪里。”

互联网数据库中有1000多个元素周期表版本,包括稀有元素周期表、类似蛋糕、时钟、乐高玩具和三脚架的周期表,以及一些更具技术性的改编。数学家和音乐家汤姆·莱勒把它添加到音乐中(吉尔伯特和沙利文),意大利化学家、作家和奥斯威辛幸存者普里莫·列维也把它作为一本特别回忆录(《元素周期表》)的基础。

“许多人似乎认为只有一个真正的周期表。无论它是否已经存在或正在等待被发现,他们将不遗余力地讨论不同类型周期表的有效性,”波利科夫博士说,他是布莱迪·哈兰周期表系列视频的youtube名人。(在美国化学学会的会议上,波利科夫博士因向公众清楚地解释什么是化学而获得了特别的荣誉。)“我的感觉是,大多数化学元素周期表都同样有效,这取决于你想要什么。”

颠倒版本旨在从新的角度展示价值。作者写道:“我们并不认为我们的版本比传统版本更“正确”,但是从一个新的角度来看,问题往往会产生新的想法。"

元素周期表给长期以来相对薄弱的研究领域带来了稳定性。牛顿先生在他1717年出版的《光学》一书中,第31个问题根据化合物的反应性列出了它们,并对它们进行了排序。1718年,法国化学家tienne franç ois geoffroy制作了第一张“亲和表”。它以图形的形式排列材料的反应性。接近大自然的观察者指出,某些化学元素,如锂、钠和钾,现在被称为碱金属,是软的,可以漂浮在水面上。然而,这种定性分类仅仅提供了一个不稳定的基础。

这一突破始于1860年,当时意大利化学家斯坦尼斯拉夫·坎尼扎罗为原子量的讨论奠定了基础。那时,原子量循环列表和关于原子和分子构成的不同假设相互冲突。坎尼扎罗列出了已知元素的原子量和价值的基本原则,并在德国卡尔斯鲁厄的一次会议上作为小册子出版。

加州大学洛杉矶分校的历史学家和科学哲学家埃里克·斯凯里(Eric scerri)说:“大约七年后,我所说的六个人同时发现的结果在门捷列夫时代达到了高潮。”埃里克·斯凯里也是周期表发展史上的专家。(他的书《元素周期表:它的故事和意义》将于10月由牛津大学出版社更新和再版)。

1862年,法国地质学家亚历山大·迈尔斯·贝古耶·德·陈·库尔图瓦制作了一张三维桌子,其金属圆柱体周围刻有元素。根据“八行周期定律”,伦敦糖化学家约翰·纽兰兹按原子量将元素分成八组。

“它会被嘲笑和拒绝,”斯凯里博士说。(当一个评论家问他,为什么不按字幕顺序排列元素?)

英国化学家威廉·奥德林发现了“周期定律”——一族元素以规则间隔出现的性质。移居美国的丹麦移民古斯塔夫斯·欣里奇(Gustavus hinrichs)提出了径向排名。“我称之为自行车车轮周期,”斯凯里博士说。

德国化学家洛塔尔·迈耶在1864年创建了一个部分周期表,随后在1869年创建了一个更完整的版本。凯斯西储大学的科学历史学家艾伦·洛克(Alan rocke)认为,“迈耶和门捷列夫的周期表在结构上非常相似,”他在美国科学院年度研讨会上谈到迈耶时说

洛克博士说,起初,元素的周期性及其卓越的预测能力似乎是一个“数学难题”。在20世纪,量子物理学解释了元素的周期性——特别是电子围绕原子核运动的物理学部分。锂、钠和钾很好地排列在仪器的第一个垂直柱上,也就是说,第一组,碱金属、铷、铯和钫,它们的外层电子层都有一个电子。

这两位化学家多年来制作了许多周期表,并根据新发现和更好的数据不断调整它们。但是门捷列夫的周期表最终获胜了。当不同形式的周期表之间存在差异时,他对应该出现的元素进行预测。虽然有些预测是错误的,但他准确地预测了三种元素的存在:镓、锗和钪。

“这种预测在心理上是戏剧性的,”斯凯里博士说。“如果科学家预测某件事并将其变为现实,那么科学家将知道自然的秘密,或者几乎知道未来。”

然而,科学很少通过革命进步。斯凯里博士说:“科学是一项由数十万研究人员开展的活动,这些活动都有助于最终出现的总体情况。”

这也是这次周年纪念会议的主题。费城科学史研究所的化学历史学家布里吉特·范·蒂格伦讨论了发现铼的德国化学家伊达·诺达克和与奥托·哈恩一起发现镥的奥地利和瑞典物理学家莉莎·迈特纳的工作。范提革伦博士是一本名为《女性元素》的新书的编辑,该书探讨了30多个类似的故事,当然包括居里夫人,她发现了镭和钋,并因此获得了两项诺贝尔奖。

“我们认为这些故事的展示和传播是一项公共事业,”范提革伦博士说。

在其众多成就中,元素周期表最终将化学从炼金术的污点中解放出来。牛顿在这方面没做什么:根据牛津英语词典,他迷上了炼金术的同义词“CHY MISTRY”,并认出了能将贱金属转化为黄金的魔法石。

多年来,印第安纳大学的科学历史学家威廉·纽曼一直在实验室重复牛顿的工作。最近,他试图找出牛顿啤酒含有什么。

“牛顿的一些化合物不在我们的数据库中,”纽曼博士说,他最近出版了一本名为《炼金术士牛顿:科学、神秘和寻找自然的“秘密之火”的书他总结了300年后仍未发现的新材料。"

即使在现代科学的强光下,化学反应仍然吸引着人们的注意力。斯凯里博士说:“在物理混合中,当你将物质a和物质b混合时,你会得到它们的总和。”但是在化学中,在甲和乙结合后,你会得到一些新的性质。

例如,让我们看看钠,这种银有毒金属,和氯,这种绿色有毒气体的反应。“当它们一起反应时,它们会产生完全不同的东西,不仅无毒,”——而且白色晶体——“对生命至关重要,我们称之为盐,”斯凯里博士说。“这简直太神奇了”。

就在元素周期表的光芒出现之前,炼金术发挥了作用。核物理学家和放射化学家用新的元素打破了界限。可以说,地球上自然存在的最重元素是铀,它的原子序数是92(原子核中有92个质子),尽管已经发现微量镎(原子序数是93)和钚(原子序数是94)。然而,元素周期表包含的不止这些。迄今为止最重的元素oganesson是一种“超重”元素,含有118个质子和半毫秒的半衰期。它最初是由尤里·欧加尼斯和莫斯科北部杜布纳联合核研究所的俄美跨洲研究小组于2002年开发的。

从2020年开始,科学家将尝试在一个新建成的超重元素工厂中合成灵敏度高100倍的元素119和120。他们希望到达“稳定岛”,这是元素周期表中的一个假想区域,由寿命更长的超重元素组成。

正如潘多拉盒子一样,超重元素的发现也带来了一些棘手的问题,欧加尼斯博士说。这些元素的表达方式和周期表预测的一样吗?但是到目前为止,预计只有一些行为偏差。然而,随着原子序数的增加,偏差也会迅速增加,这就对周期表系统的完整性提出了挑战。

周期表会继续吗?或者,正如赫尔辛基大学计算化学家pekkapyykk所说,他2016年论文的标题是:“周期表中的一切都正确吗?”他总结说,也许可以在修改后说。pyykk博士绘制了一个元素周期表,对元素进行化学分类,最大原子序数达到172。

然而,皮约克博士指出,找到最重超重元素的概率低于在东京打高尔夫球和在富士山一杆进洞的概率。

如果科学家幸运的话,产生的超重元素甚至可能有奇怪的细胞核,比如甜甜圈。

“没有人真的相信这一点,”pyykk博士说。“但这是一种理论上的可能性。”另一种可能性是原子核含有非常多的质子或中子,或者理想的质子和中子——也就是说,足以形成一个完整的亚原子壳层。

"许多这样的双核具有最高的稳定性."pyykk博士说。"如果你能找到两倍数量的异常原子核,那你就有一生的机会。"

译者:海莉


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