怎樣給上百種化學元素排排座？

希臘神話中，尼俄伯（Niobe）是底比斯國王安菲翁的王后，她是幸福的女人：父親是宙斯的兒子坦塔羅斯（Tantalus），丈夫是無所不能、出類拔萃的音樂家，她自己則是一位養育了7個小王子和7個小公主的驕傲的母親。

然而，在希臘神話中，尼俄伯又是一位悲劇人物。雷托是阿波羅（太陽神）和阿耳特彌斯（月亮女神）的母親，每年春天底比斯城的婦女都會向這位偉大母親奉獻鮮花，這使尼俄伯嫉妒不已。這一年，當婦女們再一次聚集到雷托的廟宇里時，尼俄伯披著柔軟耀眼的長袍，走向人群，責備她們對女神的狂妄崇拜，她聲稱自己比雷托更高貴、更偉大，人們應當尊敬她而不是雷托，雷托不過是兩個孩子的窮母親而已。

雷托此時正站在山頂上俯視底比斯城，看到這一幕后，她決定“以牙還牙”。她找來阿波羅和阿耳特彌斯，將事情一五一十地告訴了他們。性急的阿波羅借著云彩的掩護來到底比斯城外，抽出了弓箭，正在玩耍的7個小王子紛紛倒在他那百發百中的箭下。

尼俄伯悲痛欲絕，她帶著7個公主來到王子們的尸體旁，痛罵雷托和她的孩子。這次阿耳特彌斯特抽出了弓箭，一眨眼工夫，7個活潑可愛的公主都倒下了。尼俄伯呆住了！她一動不動地坐在14具尸體中間，目光漠然，那悲痛欲絕的憤怒竟將她化成了一塊石頭！

這個故事里的Tantalus和Niobe，將出現在我們的元素周期表里。

1　元素的早期發現

在古代，一些先哲都將水作為唯一的元素，無論是中國的管子所說的“水者，何也？萬物之本原也”，還是英國的泰斯特認為的“水是萬物之母，水生萬物，萬物最終又將化水而去”，都認為水是構成各種物質的基本單位。后來，當人們發現單一

的元素說根本無法對物質世界的多樣性和變化性作出解釋時，就不斷地往元素家族里添加新成員，于是出現了“三要素說”、“四元素說”。比如在古希臘、古印度以及瑪雅文化中，人們不約而同地將水、氣、土、火認為是組成世間萬物的原始物質，這就誕生了統治西方很長一段時間的“四元素說”。而在中國，人們信奉的是以金、木、水、火、土為基本元素的“五行說”。

在人類還沒有掌握科學的實驗手段之前，所有這些關于物質構成的元素學說都只是一種臆想和推斷，真正跨出根據科學來理解元素概念第一步的是偉大的化學家玻意耳。1661年，玻意耳出版了在化學史上堪稱里程碑式的作品——《懷疑派的化學家》，對上千年來視為真理的“四元素說”提出了顛覆性的批判，他指出：“元素是指某種原始的、簡單的、一點也沒有摻雜的物質。元素不能用任何其他物質造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所謂完全混合物的成分，也是完全混合物最終分解成的要素。”也就是說，只有那些不能用化學方法再分解的簡單物質才是元素。例如，黃金雖然可以同其他金屬一起制成合金，或溶解于王水之中而隱蔽起來，但是人們仍可設法恢復其原形，重新得到黃金，所以它是一種元素。

古希臘的“四元素說”和中國的五行學說

元素名稱的來歷

元素周期表中共有100多種元素，它們名稱的來歷五花八門。最早發現的一些元素的命名大多根據它們本身的特性，如氧（O，成酸的）、氫（H，制造水的），有一些則表明了它的出處，如鈉（Na，來自蘇打），氦（He，來自太陽），還有一部分則取自希臘神話，如開頭故事中講到的Tantalus和Niobe，分別用于命名元素周期表中第73號元素鉭（Ta）和41號元素鈮（Nb），而且鉭位于鈮的正下方（Nb是在富含Ta的礦石中發現的）。為了紀念發現者或其祖國、故鄉，最新發現的一些元素則以國家名稱或科學家的名字命名。

從17世紀中葉起，一些科學實驗室相繼在歐洲成立，科學家積累了一些先進的實驗手段和關于物質變化的數據資料，開始使用化學分析方法來解釋元素的概念。拉瓦錫在1789年發表了化學史上具有劃時代意義的集大成之作《化學基礎》，在書里重新定義了元素的概念，總結了33種元素和常見的化合物，使當時零碎的化學知識逐漸清晰化。在這份元素名單里，已經找不到“四元素說”的身影了。

從我們現在了解的知識來看，玻意耳、拉瓦錫定義的元素實際上是單質。不過，他們的元素的定義使單質同化合物、混合物區分了開來，從而使化學研究沿著一條正確的思路向前發展。

拉瓦錫的33種元素名單

幾乎就在拉瓦錫公布自己元素列表的同時，物理學家發現了電流并制造了產生電流的裝置，而化學家則很快發現，用它能電解金屬鹽溶液，這讓一些以前人們無法得知的金屬露出了它們的“廬山真面目”。和拉瓦錫同時代的英國化學家戴維利用電解裝置，先后發現了鉀、鈉、鎂、鈣等堿金屬和堿土金屬，并用熱還原法得到了硼。另外一位偉大的化學家貝采利烏斯則發現了鈰、硒、釷，還有人用濃硫酸處理海藻灰母液和純鹽湖水分別制得了碘和溴，而堿金屬鋰也從稀有礦石中被提煉了出來。而在貴金屬方面，人們在熟知的銀、金、白金（鉑）之外，又得到了銠、鈀、銥、鋨和釕。在釕之后，人類發現的元素已經達57種之多了。

不同金屬元素燃燒時產生不同顏色的火焰

2　給化學元素排個座

到19世紀初，人類已經發現了好幾十種元素，對于這些元素的性質、顏色、密度、沸點以及如何制取等也已經了如指掌。這些元素雖然在性質、狀態等方面各有差異，但也有類似的地方。比如鋰、鈉、鉀都能在水中劇烈反應生成氫氣，金、鉑、釕都非常穩定。這些紛繁復雜的元素之間到底有什么聯系？它們的性質有沒有規律可循，可不可以將它們進行分類呢？

最早提出將元素歸類的，是1829年德國化學家貝萊納，他提出了“三元素組”觀點。貝萊納發現有一些元素的性質相似，如鈣鍶鋇，氯溴碘，鋰鈉鉀等。他將已知元素中的15種分成了這樣的5組。約在30年之后，法國人尚古多將當時已知的62種元素一網打盡，按照原子量遞增的順序標記在一條旋轉上升的螺旋線上，而一些性質接近的元素則出現在同一主線上。這個方法已經初現元素周期表的雛形了。英國人紐蘭茲也發現了類似的現象，并且把這種規律叫做“八音律”，第八個元素和第一個元素在一定程度上性質相似。紐蘭茲甚至還草擬了一份元素周期表，并且很好地解釋了第一、二、三周期。但三周期以后就不那么令人滿意了，有的位置上竟然被安排了兩種元素。英國的化學同行們嘲笑他不務正業，居然把元素和音樂扯到一起。抑郁的紐蘭茲只好放棄了對元素周期律的研究。

紐蘭茲

紐蘭茲也許不知道，他在德國有一位志同道合的探索者——邁耶爾。邁耶爾也在研究原子之間的關系，他首次將原子量和化合價的關系應用到了實際研究中，將28種元素創造性地分成6個族，驗證了這些族的元素化合價4，3，2，1，1，2的規律，元素分類終于有了族的概念。邁耶爾的另一創新之處是區分了主、副族元素，還在自己的元素周期表中明智地預留了空位給待發現的元素。元素周期表的出世已初現端倪。

邁耶爾

3　門捷列夫與元素周期表

在發現元素周期律之前，門捷列夫只是一名普普通通的大學化學教授，對元素性質萬分癡迷的他除上課以外，把所有時間都投入到了元素周期律的尋找中。他自制了一副紙牌，每張卡片上都寫著不同元素的名稱和性質，隨身攜帶，有時間就拿出來擺弄，希望將這些雜亂無章的卡片按順序排列，體現出元素的內在聯系。為了這些可愛的元素卡片，門捷列夫到了近乎瘋狂的地步，對周圍發生的任何事情都不聞不問。在經過了無數次的嘗試和失敗之后，終于在一天深夜，他在自己的床上成功地拼出了自己的元素周期表。在這個表里，和邁耶爾一樣，門捷列夫把元素按照原子量的遞增關系分成了若干個周期，排在同一列的元素又分成性質相似的一個個族。門捷列夫還發現，如果把所有的已知元素排進這個元素周期表，有時候會破壞元素之間的協調關系，因此他大膽地預留了一些空位，并通過周期律預測了一些尚未發現的元素的性質。

門捷列夫把自己的發現寫成論文發表后，在當時受到了和紐蘭茲一樣的遭遇。但冷嘲熱諷并沒有讓門捷列夫像紐蘭茲一樣放棄自己的事業，他義無反顧地投入到后續的工作中。門捷列夫預言元素周期表中的第4號元素硼（當時還沒有發現稀有氣體元素，所以硼元素只是4號元素）下面有一個新元素，他將它稱為“埃卡硼”，即“硼加一”的意思，并預言它有著和硼類似的性質。同樣，他在鋅和砷之間設置了埃卡鋁、埃卡硅兩個新元素，分別具有類似于鋁和硅的性質。

門捷列夫的預言應驗了。1875年，法國化學家布阿勃朗利用光譜法發現了新元素，其性質和鋁極其相似，這種元素被它的發現者命名為鎵。這個消息傳到俄國后讓門捷列夫大為振奮，在反復研究布阿勃朗的報告之后，門捷列夫確認這種鎵元素就是他在自己的元素周期表中預留的埃卡鋁。門捷列夫立即給巴黎科學院寫信：“你們所發現的鎵就是我預言的埃卡鋁，它的原子量接近68，密度應該為5.0—6.0。請你們繼續研究，再查一查吧。”

門捷列夫元素周期表的第一版手稿

門捷列夫

這實在太有趣了！一位科學家在圣彼得堡書房里用筆和紙預言了一種新元素，而另一位科學家在巴黎的實驗室里用燒杯和燒瓶，借助精確的測量和實驗，驗證了前一位科學家的預言。第二次，布阿勃朗測得鎵的密度為4.7，聽到這個消息后，門捷列夫沒有放棄，他固執地請求布阿勃朗：“鎵的密度應該為5.9，也許您的那塊并不純，請您再查一查。”布阿勃朗小心謹慎地提純了一塊更大的鎵，這次他不得不佩服門捷列夫，鎵的密度確實是5.9。一位唯一擁有鎵的科學家，竟然敗給了僅在書桌上用筆計算的人，布阿勃朗感慨地說：“我沒有什么可說的了，事實證明了門捷列夫周期律的巨大意義。”

隱秘的惰性氣體家族

惰性氣體包括氦、氖、氬、氪、氙、氡，它們的化學性質相當穩定，幾乎不與任何元素化合。因為含量稀少，惰性氣體又叫稀有氣體。最早的稀有氣體是法國天文學家們發現的，他們通過對太陽光譜的觀察發現了氦。而地球上第一次發現的稀有氣體元素則是氬。

在研究空氣時，英國物理學家瑞利發現，從空氣中得到的純氮的密度是1.2572克/升；而從氨分解得到的純氮的密度是1.2560克/升，兩個數據相差約千分之一克。化學家拉姆齊在光譜中找到了引起這個差異的雜質氣體的新譜線，證實空氣中存在一種性質不活潑的新元素——氦，并很快在空氣中發現了其他3種稀有氣體元素，分別命名為——氖、氪、氙，終于完整地揭開了神秘的稀有氣體的面紗。

一張神奇的化學元素周期表

自門捷列夫之后，元素周期表得到了不斷的更新，增加的成員包括后來發現的自成一族的氦、氖、氬等稀有氣體元素；用高速粒子轟擊創造的锝、鈁、砹等人造元素。到目前為止，周期表中正式命名的元素有114種。

不過，人類發現新元素的腳步不會停歇，相信將來還會有源源不斷的新元素被發現，元素家族的規模將不斷壯大。

（來源：網絡 版權屬原作者 謹致謝意）