沿用150年的元素週期表,現在科學家提議要你「倒過來」看

門得列夫的元素週期表伴隨了我們已整整150年,但隨著越來越多的元素被發現和合成,元素週期表的形式也變得五花八門。英國諾丁漢大學的化學家Martyn Poliakoff,知道了一個叫作元素週期表戰艦的遊戲後,忍不住便開始想像,如果你坐在對面看著對手的棋盤,你看到的就是一個倒轉過來的元素週期表,這給了他一些有趣的聯想。5月,恰逢聯合國教科文組織慶祝國際週期表誕生150週年,Martyn及其合作者共同發表了一篇論文,其中提出了一項建議,那就是大刀闊斧地改革元素週期表。

「自1869年以來,幾代化學家提出了多種針對元素週期表形式的變化方法,為的就是讓它變得更加清晰,或者說更加有趣。」他們這樣寫道。

沿用150年的元素週期表,現在科學家提議要你「倒過來」看

由俄羅斯化學家門得列夫初步設計的標誌性元素週期表已經發展成按照原子序數排列的化學元素的二維排列,通常為18列。它展示了一種模式化的方法和趨勢,讓科學家能夠預測元素屬性,反應性,甚至是新元素。它被稱為「大自然的羅塞塔石碑」、「化學家的地圖」和「可能是迄今為止設計最緊湊和最有意義的知識彙編」。

Gregory Girolami在和妻子Vera Mainz的聯合採訪中說:「這就好比看一張美國地圖,如果我在緬因州,就可以看出那兒的氣溫會低於我在佛羅里達的溫度。」他們二位都是伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的無機化學家,並在今年和雪城Le Moyne學院的化學家Carmen Giunta共同組織了一個150週年的學術研討會,這個研討會在聖地亞哥召開的美國化學學會全國會議召開期間期間舉行。

「如果你告訴我一個元素在某個地方,」Girolami博士說,「我可以告訴你很多關於它的事情,比如它是否是金屬,在地球上儲量是否豐富,只需要注意它在元素週期表中的位置就可以了。」

Mainz博士補充說:「如果你想和一個外星種族交流,那就建一個元素週期表,因為它的排布是通用的,不管你身在何處。」

網路資料庫中的元素週期表有1000多個版本,包括元素稀缺表,有形似蛋糕、鐘錶、樂高和三行詩的周期表,還有一些更多的技術改編。數學家、音樂家Tom Lehrer將其加入到音樂裡(吉爾伯特和沙利文),還有義大利化學家、作家和奧斯威辛集中營倖存者Primo Levi還把它當作特殊的回憶錄(即「元素週期表」)的基礎。

「許多人似乎相信只有一個真正的元素週期表,無論是已經存在的還是正在等著被發現的,他們都會不遺餘力地討論著不同類型元素週期表的有效性,」Poliakoff博士這麼說,他是個YouTube名人。(在ACS會議上,Poliakoff博士獲得了一份殊榮,為表彰他為普羅大眾清楚解釋了什麼是化學。)

「我的感覺是,大多數類型的化學元素週期表都同樣有效,只取決於你想要的內容。」

反轉(the upside down)的版本旨在展示一個全新視角的價值觀。作者們寫道:「我們並沒有聲稱我們的版本比傳統的更「正確」,「但從一個新的觀點看問題往往會催生出新的想法。」

 

傳統元素週期表

 

反轉版

 

 

為什麼不按照字母順序排列呢?

元素週期表給長期以來一直比較弱的調查領域帶來了穩固性。牛頓先生,在他1717年的著作《光學》裡第31個疑問中,根據反應性列出了化合物,並對其進行排序。1718年,第一個「親和表」是由法國化學家Étienne François Geoffroy製作的,它以圖形的形式對材料的反應性進行了排序,親近大自然的觀察家指出,某些化學元素如鋰,鈉和鉀——如今被稱為鹼金屬——都是軟的,可以漂浮在水面上。但是這種定性分類僅僅提供了一個不穩定的基礎。

突破始於1860年,當時的義大利化學家Stanislao Cannizzaro為原子量的討論奠定了基礎。在當時,有一些相互衝突的原子量循環列表,以及關於是什麼構成了原子與分子的不同假設。Cannizzaro列出了已知元素的原子量列表,以及價值觀的基本原理,並在德國卡爾斯魯厄的一次會議上作為小冊子發布了。

加州大學洛杉磯分校的歷史學家和科學哲學家Eric Sc​​erri說:「在大約7年的時間裡,最初由我所謂的六個人同時發現的成果,在門得列夫的時代達到了高潮。」Eric Scerri在元素週期表發展史方面也是個專家。(他的書《元素週期表:關於它的故事和意義》,將於10月被牛津大學出版社更新再版)。

1862年,法國的地質學家Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois製作了一個3D桌子,在它的金屬圓柱周圍刻著元素。根據「八行週期律」,倫敦的糖化學家John Newlands按照原子量來排列元素,八個一組。

「它會被嘲笑和摒棄的,「Scerri 博士說道。(當一個評論家問他,為什麼不按字幕順序排列元素?)

英國化學家William Odling發現了「週期律」——一個元素族的性質,這些元素大致以規律的間隔重複出現。丹麥移民美國的Gustavus Hinrichs提出了徑向排序。「我把它叫作自行車輪週期表,」Scerri博士說。

德國化學家Lothar Meyer在1864年創建了一個部分週期表,接著在1869年給出了一個更完整的版本。凱斯西儲大學的科學歷史學家Alan Rocke認為:「在結構上,Meyer和門得列夫的周期表非常相似」,他在ACS的周年研討會上發表關於Meyer的言論時這麼說。

Rocke博士說,最初,元素週期性及其卓越的預測能力似乎是一個「數學謎題」。在20世紀,元素週期性由量子物理學解釋——特別是物理學中電子如何圍繞原子核運動的部分。鋰,鈉和鉀,很好地排列在表的第一個垂直柱裡——即第一組,鹼金屬,銣,銫和鈁——在它們的外電子殼中都有一個電子。

這兩位化學家多年來製作了許多的周期表,並根據新發現和更好的資料不斷進行調整。但最終門得列夫的元素週期表勝出了。當不同形式的周期表出現差異時,他便對應該出現的元素做出預測。雖然有些預測是不對的,但他卻準確地預言了三種元素的存在:鎵,鍺和鈧。

「預測在心理上是富有戲劇性的,」Scerri博士說。「如果一位科學家預言某事並且變成事實,那麼科學家就會知道自然的秘密,或者可以說是幾乎了解了未來。」

但科學很少通過革命推進,Scerri博士說:「科學是由數十萬研究人員開展的一項活動,而這些活動都有助於最終出現的大體情況。」

 

 

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