大学化学,2017,32(6):46-67doi:10.3866/PKU.DXHX201612040
知识介绍
关键词：化学元素周期表;形成;发现;发展;解读
Takingtimeastheorder,theauthorsproposethatthediscoveryanddevelopmentoftheperiodictableofchemicalelementsaredividedintofourstages:germination,breakthrough,developmentandprospect.Thisarticlecitesthemainhistoricalfactsanddocumentstounscrambletheabovefourstages,whichwillfacilitatetheteachingandscientificresearchoftheperiodictable.
Keywords：Periodictableofchemicalelements;Formation;Discovery;Development;Unscramble
本文引用格式
杨奇,陈三平,邸友莹,周春生,高胜利.再论化学元素周期表的形成和发展.大学化学[J],2017,32(6):46-67doi:10.3866/PKU.DXHX201612040
YANGQi,CHENSan-Ping,DIYou-Ying,ZHOUChun-Sheng,GAOSheng-Li.ALookBackontheFormationandDevelopmentofPeriodicTableofChemicalElements.UniversityChemistry[J],2017,32(6):46-67doi:10.3866/PKU.DXHX201612040
化学元素周期表的形成和发展，是无机化学一个重要的里程碑。它的发现、形成和发展离不开许多科学家创新性的研究工作，更离不开伟大的俄罗斯化学家门捷列夫(МeндeлéeвД.И.，1834-1907)所做的大量艰苦实验、资料积累和超级发挥、提升，也离不开后人的卓越研究和完善。如果把其划分为萌芽、突破、发展和展望四个阶段，可能会获得共识。
表1拉瓦锡的元素表
图1道尔顿的原子量表
表2德贝赖纳排列的三元素组
图2格梅林的元素三分组图
另一类是它们的原子量彼此成一定倍数。例如下列一组元素的原子量都是11.5的倍数：
图3甲烷的分子结构
于是他联想到性质相似的元素也可作为同系元素，而它们的原子量也有类似的关系。如：
过去这也是一个在周期表研究中常被忽略的概念之一。
图4尚古尔多设计的圆柱形周期表
表3奥德林的元素表
表4迈耶尔的《六元素表》(1864年)
图5迈耶尔的原子体积周期性图解
图6纽兰兹认为从Li到Na有重复的属性
表5纽兰兹的“八音律元素表”
图7欣里希斯的星形化学元素体系
简言之，可以把门捷列夫的科学方法叙述为：无意间发现同族元素的原子量差是常数(偶然事件)→敏锐的直觉+丰富的想象→元素周期律→周期理论的几种预言→被发现所证实。
门捷列夫周期律及周期表之所以堪称“科学上的一个勋业”，就在于它描述并预言了未知元素的存在，尔后为科学实验发现所证实，这正是门捷列夫超越前人和同时代其他元素周期律探索者之处。正如门捷列夫自己所说：“我决定这样做，是因为在我预言的那些物质中，要是有一种被人发现，我马上就能彻底相信，并使其他化学家相信，作为我的周期系的基础的那些假设是正确的”。因为每一个自然规律(周期律也不例外)“只有当它可以说产生实际的结果，亦即作出能解释尚未阐明的事物和指出至今未知的现象的逻辑结论时，特别是当这个规律导致能为实验所验证的预言时，才获得科学的意义”。
门捷列夫所运用的正确的、实质上是辩证的研究自然的方法，终于取得了丰硕成果。
图81868年手稿
图91869年手稿
表6第一张周期表(1869)
表7第二张元素周期表(1869)
表8元素周期系(1871)
表9另一种形式(1871)
表101879年的元素周期系
表111906年的元素周期系
表121906年的另一形式周期系
表13莱姆赛的元素周期表
图10元素的X射线谱图
$\sqrt{\left({1/\lambda}\right)}=a\left({Z-b}\right)$
式中，a、b为常数，λ为元素的X射线波长，Z为元素的原子序数。根据他的研究，还可得出两点重要结论：①周期表中元素的座次是正确的，虽然按照原子量的数值其中有三对的座位是颠倒的，正因为这样，客观上它已经是按Z值排列了；②一种物质中的原子若其Z值全部相同，这种物质就是元素物质(单质)，至于原子量是否完全一样，不是必要条件。原子序数的发现，真正揭露了元素周期律的本质：“元素性质是其原子序数的周期函数”，并解决了门捷列夫周期律中按原子量递增顺序排列有三处位置颠倒的问题。
卢瑟福利用莫斯莱定律得出结论：原子核的电荷在数值上等于元素的原子序数。元素的性质-元素的原子量-元素的核电荷数-元素的原子序数的有机联系，从而发展了门捷列夫的元素周期律。这是人们对元素周期律的一个重要的认识发展过程，并且它把元素周期系理论放在更正确、更科学的本质基础之上。
(4)原子结构理论的形成深刻揭示了周期律的内在因素。元素周期律的发现，说明各种化学元素、各种不同的原子间并不是彼此孤立，而是有着深刻的内在联系的。这预示着人们的认识将要深入到物质的更深层次——原子结构里去。而对原子结构的研究，反过来必然会加深对元素周期律本质原因的认识，科学发展的历史进程完全证实了这一点。
图11鲍林近似能级顺序图
图12科顿能级图
图13原子结构的周期性
科学和技术在不断发展，人们将会使用多种途经更为深刻地研究周期律和周期表。这里包括人们对周期律的再实践-再认识-再检验和对周期表延伸的向往。相信也会得到意想不到的结果。
图14元素性质在周期表中展现的规律
图15稳定岛示意图
图16元素周期表远景图
图17119号元素的基态电子配置
$_{99}^{254}{\rm{Es}}+_{20}^{44}{\rm{Ca}}\to_{119}^{302}{\rm{Uue}}*\to无原子$
总之，在目前科学大发展的背景下，学习门捷列夫辩证、唯物的哲学观点，科学的方法论以及其务实的研究作风，并从中吸取有益的启示，这对推动现代化学的发展、推进今天提倡的创新性科学研究和教学肯定是会受益匪浅的。
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