自古以來，背誦元素周期表就是廣大中小學生的一項艱難的任務，118個平時見都見不到的生僻字，要按順序背誦下來，還要搭配奇怪的元素符號，簡直是太折磨了。

元素周期表為什么這么難背？究竟是誰發(fā)現(xiàn)了這么多元素呢？他們又是怎么發(fā)現(xiàn)這些元素的呢？請跟隨小編的腳步，開啟元素發(fā)現(xiàn)之旅吧~

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元素是什么

Chemical Element

對于我們來說，元素和元素周期表就好像從天上掉下來的，關于它的來源我們只知道，有一天化學老師讓我們打開課本的最后一頁，一張長相奇怪的表浮現(xiàn)在我們面前，然后老師說：“這張表，你們回去背吧。如果背不下來可以先背前20個。”

于是，元素周期表就闖入了我們的生活。

那么元素周期表被提出之前，化學家們都在干什么呢？

我們知道，不管是物理學家還是化學家，他們都喜歡把各種不一樣的東西放到一起，并且最好再放到各種極端條件下，比如高溫、低溫、高壓之類的，看會發(fā)生什么。

極端條件下物質往往表現(xiàn)出奇怪的性質

而偏偏自然界就是有些東西，在極端條件下、或者和其它什么東西混合的時候，就會發(fā)生一些化學反應，人們不禁思考，是什么導致不同的物質具有這些性質。

有人認為，物質中含有一種“活躍成分”，物質參與的化學反應由這些活躍成分決定，活躍成分不是某種特定物質，更像是物質的“性格”。比如“燃素”就是一種活躍成分，存在于可燃物中，在燃燒時被釋放出來。

早期的化學理論認為，物質的可燃性由內(nèi)部一種叫“燃素”的成分決定，物質燃燒時釋放出燃素 | 圖源 Wikipedia

這種觀點長期存在于學界，直到18世紀，人們開始認為物質的性質由其成分決定，這里的成分也就是后來我們所說的元素組成，此外，每一種元素成分理論上可以在實驗室分離出來。

造成這種轉變的一個重要原因是人們意識到物質成分是穩(wěn)定的，某種物質經(jīng)過一系列化合和分解反應之后又回到它本身，這意味著組成物質的基本單元是保持不變的，化學反應只是重新組合。

于是著名化學家拉瓦錫接受了元素的觀點并發(fā)展出自己的關于元素的定義：化學元素是不能被進一步分解的單一物質。

拉瓦錫肖像 | 圖源 pixabay

我相信，細心的同學已經(jīng)發(fā)現(xiàn)問題了，這個定義的問題在哪里呢？

拉瓦錫給出的元素的定義實際上是依據(jù)一個“消極經(jīng)驗”判據(jù)，我們說它是“經(jīng)驗的”是因為這個定義只取決于實驗結果，而我們說它是“消極的”是因為它依賴于元素的不可被分解，而不是任何積極的標準。

這有什么問題呢，問題在于，如果你用盡了實驗室里所有辦法都不能將一種物質分解，你仍然不能確定這種物質確實不能被分解，因為你不知道是不是現(xiàn)有的方法不足以使其分解。

另外，這個定義還是循環(huán)論證，它將簡單物質定義為無法分解的，又將分解定義為將化合物分解為更簡單物質的操作，因為我們不能先驗地知道有哪些元素，也不知道某種物質的元素組成，所以我們總可以規(guī)定哪些物質是更簡單的，讓相同的操作既可以是合成也可以是分解。

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尋找化學元素

Chemical Element

那么問題來了，既然拉瓦錫的定義不能用，怎么找到化學元素呢？

這就不得不介紹一種化學類比的方法了?；瘜W類比的關鍵在于，如果幾種物質有著相似的溶解度、可燃性、以及形成特定種類的氧化物、酸或鹽的性質，那么可以猜想它們有著相似的組成。除了類比，科學家的直覺可能更重要。

元素鋁的發(fā)現(xiàn)可以說是化學類比的一個成功案例。人們在18世紀中葉就發(fā)現(xiàn)了氧化鋁，不少學者猜測氧化鋁是一種未發(fā)現(xiàn)的金屬鋁的氧化物，1810年前后化學家戴維的一系列研究為這個猜想提供了強有力的支持。

看到這里讀者可能會疑惑，氧化鋁從名字也知道是鋁的氧化物啊。實際上，在學術界是“氧化鋁”這個名字先出現(xiàn)，而元素鋁的名稱是根據(jù)氧化鋁得來的。

鋁單質 | 圖源 Wikipedia

戴維首先利用電解的方法從化合物中分離出了鉀和鈉，他認為鉀和鈉是元素單質的一條理由是，它們和貴金屬有相似的性質，如金屬光澤、導電性、導熱性等，而貴金屬普遍被認為是由不可分解的元素組成。

后來他繼續(xù)利用電解法分離出堿土金屬單質(鎂、鈣、鍶、鋇)，并且根據(jù)它們具有可燃性以及金屬光澤等與鉀鈉相似的物理化學性質判斷它們也是元素單質。

但是戴維在分解出鋁的嘗試中并沒有獲得堿土金屬那樣的結果，這對他預言鋁元素的存在是一個不小和挑戰(zhàn)。戴維基于對堿土金屬的研究，認為所有可成鹽物質都可以歸為金屬氧化物。

初中化學告訴我們，堿金屬、堿土金屬和氧化鋁的溶解性是不同的，堿金屬鹽總是溶于水，而堿土金屬和鋁鹽則溶解性低。

這些不同的性質不支持戴維的觀點。但戴維憑借他敏銳的直覺認為，溶解性的差別是次要的，是金屬氧化物內(nèi)部的差別，而與酸反應形成鹽才是更為本質的特征。

戴維肖像 | 圖源 Wikipedia

后來丹麥物理學家奧斯特(沒錯，就是那個發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生磁場的那個奧斯特)首先用鉀汞合金從氯化鋁中分離出鋁，證實了戴維的直覺。

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門捷列夫

Chemical Element

19世紀前半葉，人們發(fā)現(xiàn)了越來越多的元素，將這些元素整理成一個便于查閱的體系變得尤為重要。

1860年的卡爾斯魯厄會議(Karlsruhe Congress)上，一個叫坎尼扎羅(Cannizzaro)的意大利化學家引起了人們的注意，他在會上澄清了原子和分子的概念，并給出了測量原子和分子質量的方法。

圖源 pixabay

那么這和元素周期表有什么關系呢？

我們知道在當時，原子在人們心中還只是一個實心小球，直到1897年J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子之后，人們才開始研究原子的微觀結構。

面對一個又一個不同的實心小球，你會怎樣區(qū)分它們？

最好是根據(jù)它們的化學性質進行區(qū)分，排列成一張表。那時，人們手里的線索只有原子質量。

另外，分子的質量也是可以測量的，人們也就知道了某種物質的化學計量數(shù)，這恰好是化學性質的一個直接反映?，F(xiàn)在的我們知道了，化學計量數(shù)反映的是元素的化合價，也就反映了原子的電子排布情況。

現(xiàn)在我們就可以開始排元素周期表了。

首先將所有元素按原子質量排成一行，然后根據(jù)每種元素的化學性質適當?shù)貙⑦@一行折成若干列，最后利用實驗數(shù)據(jù)和科學家的直覺，局部調(diào)整元素的位置，使性質相近的元素位于同一列，留出空位給后面的科學家發(fā)現(xiàn)并填充新的元素。這樣就形成了一個原始版本的元素周期表。

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原子結構

Chemical Element

前文提到J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，從此對人們來說，原子再也不是不可再分的實心小球，它的微觀結構成為了量子力學的重要主題之一，也成為了決定我們周圍幾乎一切物質性質的因素。

陰極射線管及其原理圖，湯姆孫借助此發(fā)現(xiàn)陰極射線其實是電子

湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后不久，提出了原子的葡萄干布丁模型，認為電子均勻的正電背景中運動，構成原子。

后來盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子的正電荷集中在一個質量非常大、體積非常小的原子核中，他根據(jù)α粒子散射結果提出了原子核式模型，電子像行星繞恒星公轉那樣繞核運動。

經(jīng)典電磁學理論預言盧瑟福的原子模型不能穩(wěn)定存在，且該模型給出的原子光譜應當是連續(xù)譜，與實驗觀測到的量子化光譜不符。于是玻爾提出了原子軌道量子化的模型。量子力學和量子場論建立后，人們可以解出原子中電子的能量和本征態(tài)，人們對原子有了更深入的認識。

圖源 | pixabay

于是有了我們課本上的話：原子由帶負電的電子和帶正電的原子核構成，原子核由帶正電的質子和電中性的中子構成，原子中質子數(shù)等于核外電子數(shù)，也等于原子序數(shù)，也就是元素周期表中的位置。電子在原子中分層排列，層數(shù)相同的位于一個周期，最外層電子數(shù)相同的位于同一族。

圖源 |?pixabay

參考資料

[1]Hijmans, Sarah.?From Lavoisier to Mendeleev: the identification of chemical elements in practice between 1770 and 1870. Diss. Université Paris Cité, 2023.

[2]Hendry, Robin Findlay. "Lavoisier and Mendeleev on the elements."?Foundations of Chemistry?7.1 (2005): 31-48.

[3]Hijmans, Sarah N. "Analogy and Composition in Early Nineteenth-Century Chemistry The Case of Aluminium."?European Journal for Philosophy of Science?12.1 (2022): 5.

[4]Wikipedia: Chemical element

[5]BRANSDEN B, JOACHAIN C. Physics of atoms and molecules[M]. Longman, 1983.

編輯：利有攸往