6.目前的化學元素周期表

科學家們利用一切辦法，想要讓化學元素周期表的特征更為明顯和明確。

在不同的年代他們將化學元素周期表繪成不同的樣式：

有的時期繪制成縱橫的條帶，有的時期繪制成旋卷于平面之上的螺旋（下圖），有的時期又會繪制成錯綜交織的弧與線。

下面我要給大家介紹的是，在目前的科技水平下化學元素周期表都有哪些繪制方法。

我們來觀察下圖中的表，進而體會它的重要意義。

躍入我們眼簾的首先是諸多的方格，它們橫向排作7列，借助縱直線將那些橫列隔成18直行，或者是遵照化學家的意見，隔成18族。不過多數教科書中的化學元素周期表都跟筆者書里的有些不同（幾個橫列被隔成了兩列），然而對我們而言，前一種排列法使用起來卻要省不少事。

首列總共有兩個元素：氫（H）和氦（He）。二列同三列分別有8個元素。四五列分別有18個元素。此6列方格內總共存在72個元素，但在56～72號的一個方格內存在15個元素而非一個元素，它們屬于稀土元素族。到了末尾，后一列理應和前面的那列相同即隔成32格，不過現在還只能先寫其中的一些。

首個格子里填的是氫，我們猜不出在它之前又會出現哪些元素，因為氫核內的質子和中子是構造別的原子的基礎；這就說明，門捷列夫當初將它安排到表里的第一位是最為明智的。然而到了表的結尾卻陷入瓶頸，以前金屬鈾一直居于表中元素的末位。

門捷列夫元素周期表

但是化學家在之后的實驗中發現了超鈾元素，于是門捷列夫表的后門把守員就輪不到鈾了。鈾距最后一格間隔著八格，它們都是新發現的元素：比如排在93號的镎（Np）、94號的钚（Pu）、95號的镅（Am）、96號的鋦（Cm）、97號的锫（Bk）、98號的锎（Cf）、99號的?（An）、100號的鉦（Cn）。

大家看到各個方格上方的數字了嗎？仔細觀察不難得出它們自1開始沿著方格的順序依次類推。人們稱它們為原子的序號，它們就是各個元素原子里面包含的攜帶電的粒子的個數，因此它們是各個格、各個元素的最為重要的、不可或缺的性質。

比如說，在填寫著原子量為65.38金屬鋅的方格里，有30這個數字，它一是表示鋅的原子序號；二則表示圍著鋅原子核運動的是30個攜帶電的粒子，也就是人們所說的電子。

其中的四種元素如排在43位和61位與85位及87位的這幾種元素，諸多化學家就在宇宙空間多方尋找過，他們對大量的礦物和鹽家族進行了分析，欲放在分光鏡下看是否存在人類還沒有發現的光譜線，但是始終沒有成功。雜志上多次發表了這方面的長篇撰文，告知天下找到了那四種元素，不過經驗證明都不是。后來在地球和別的天體上都不見它們的蹤影，不過目前人們已經采用人工技術制成了。

排位在第43號的元素在特性方面跟錳接近，因此最初門捷列夫管它叫作類錳，不過現在已經使用人工方法獲取了這個元素，人們稱它為锝。

位于碘之下的那個元素，就是排位在85號的元素具有一種神奇的特性，比碘更容易逸散，于是門捷列夫稱它為類碘。之后它也利用人工方法制成了，人們稱它為砹。

在一個很長的時間里第三個元素一直不為人們所知悉，它位處表中的第87位，也在門捷列夫預測的元素內，并稱其為類銫。不過現在它也采用人工方法制成了，人們稱它為鈁。

最后一個元素人們一直都無法在地球和其他星體上獲得，它排在第61位，為稀土金屬，也是人工制取的，人們稱它為钷。

門捷列夫當時仔細分析了大自然的概貌，方繪得了首張化學元素周期表的草圖，目前的表跟以前的比起來就完善多了。

之前我講過，各個方格都有自己的編號，每個序號都只和一個元素對應。不過經物理學家研究，其實并沒那么容易。比方說序號為17的那個方格，就它的化學性質而言，僅有一種氣體那就是氯，氯原子中央存在著一個核，而圍著核運動的核電子有17個，如同星體圍著太陽轉似的。而物理學家預測說有兩種氯：一種重些而另一種則較為輕。然而這兩種氯一般以相同的比例混合，因此原子量的平均值一直為35.46。

我們再來說說另外一個例子，誰都知道排在第30位的為鋅。但是物理學家再次預測到，它也有不止一種，有些重而有些輕，總共有6種。這樣一來，一個方格內盡管僅有一種化學元素，而且都有自己與生俱來的特性，但是這類元素常常有不止一種，簡而言之存在“同位素”而且不止一種。一些元素存在一種同位素，而有些則有十個之多。

不言而喻，同位素的出現，讓化學家興奮不已。為何一切同位素的分量都嚴格遵循一定的比例？又為何同位素的這個位置重的部分多而另一個位置卻是輕的多呢？化學家想盡辦法想搞清楚其中的緣由。他們研究了來源不一的鹽：來自海水的鹽、來自湖泊的鹽、巖鹽、產自中非洲的鹽；他們分別用這些鹽制取了氯氣，令人驚訝的是這些氯氣的原子量居然相同。為了獲得準確的結論他們找來了天上落下的石頭制取氯氣，得到的氯氣成分根本就沒改變。也就是說無論這種元素來自何方，原子量都相同。

后來，化學家成功了。有幾位化學家在實驗中嘗試著將輕重不一的同位素分開，結果氯氣經過較長時間的繁復的蒸餾過程出現了兩種氣體：一種是氯原子輕些的，另一種是氯原子重些的。但是兩種氯氣的化學特性完全相同，然而它們的原子量卻不相同。

同位素出現后，一下子讓化學元素周期表變得很不尋常了。之前92個方格一目了然，一格一種元素，方格中的序數表示核外的電子數，所有的一切都恰到好處、清晰無比、具體，但是一夜之間人們發現原來的又不對了。

這時人們突然發現世界上不止有一種氯原子，而是三種，它們的重量依次為15、16、18。不可思議的是，氫也有三種原子：1是第一種原子量；2為第二種的；3是第三種的。最后一種在世界上鮮有，就沒有必要記了，第二種也常常被人們忽略。人們給它取了個很怪的名字叫氘[2]。

就化學性質而言，氘和一般的氫氣并沒有什么區別，但是氘要比氫氣重兩倍。在大型工廠借助電流分解水，便可得到純氘，以氘合成的水較之用輕些的氫氣合成的水要重一些。重水具有特殊的特性：其有害生命（對活細胞的殺傷力很大）。簡而言之，氘的存在對別的生命有害。

化學家在實驗過程中發現這一點后，地球化學家嘗試著在大自然中也能得到同樣的答案。大家應該明白，在曲頸甑中都能將不同重量的氫原子分開。怎么就不能在大自然中做到呢？差別在于：大自然中的化學過程都不是悄無聲息地展開的，我們所處的環境不都是永恒在變嗎？熔掉的巖漿不是都一會兒在地下，一會兒又出現在地面上嗎？不一定同工廠和研究機構那樣容易地采集到純的同位素。大家應該很明確，海水較之河水與雨水擁有的重水多，而某些礦物里的重水多于海水里的。如此一來，呈現在我們眼前的又是一個全新的世界，這是之前的礦物學家和地球化學家都想象不到的。

那些化合物間的差異不是很明顯，得借助先進的化學方法和物理方法才能發現。

就算這個差別為幾百萬分之一克與幾百萬分之一厘米，甚至是幾千分之一克或幾千分之一厘米，探索自然界的石塊、水和土壤之時，礦物學家和地球化學家都無法感覺到。有時我們意識不到有三種氧、六種鋅、兩種鉀，因為它們之間的差異十分小，進一步來講，就是說我們目前的研究方法還有待改進。

唯有化學家和物理學家采用精確方法深研后，才能找到元素的同位素。毋庸置疑，如果我們用精密的方法去認識大自然的一切，定會發現世界上人們還沒預測到的化學定律。

朋友們，我們就不要再糾結在同位素上了，我們不妨將門捷列夫周期表的一個格子假想成一個穩固的化學元素。排列在50格內的我們就把它只當作錫，不管情況如何變化都如此看待，有它參與的化學反應也應如此對待，在大自然中一些相同的晶體里就有它的身影，其原子量在哪兒都為118.7。

門捷列夫表也不會因為人們發現了同位素而失去價值，只是在一些細節上發生了微妙的變化，其實它還是那么簡潔明了、一目了然，確切地反映著大自然的概貌，與門捷列夫伊始描繪的情形毫無差別，門捷列夫也許預測到了這張表的重要作用。

我們再來好好研究一番該表，細想一下它在礦物學家和地球化學家探索大自然時發揮著怎樣的作用呢。

大家先從表的各個直行的格子看起，由上到下將整個表過一遍。

我們從首行開始，先來看鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁，這六個就是人們常說的堿金屬。去除人工制取的鈁之外，大自然中的它們都是不分開的。幾種我們熟知的化合物就來源于它們：我們食用的鹽就是鈉的化合物，加工煙火的硝石就是鉀化合物中的一種。

除了鈉和鉀剩下的四種堿土金屬并不多見，人們用它們生產結構復雜的電器儀器，六種元素雖有差別，不過它們的化學性質卻很相似。

到了該看第二行了，與上一行一樣，這些元素也是堿土金屬，首先是最輕的鈹，最后就是很不平凡的鐳了。它們的特性比較接近，跟一個家庭里的成員一樣。

而排在第三行依次為硼、鋁、鈧、釔，接下去依序為15個稀土金屬，最末那個是錒。現實生活中我們熟知的只有硼和鋁這兩種元素，焊藥可以由硼砂擔任。霞石、長石、剛玉、鋁土中包含著鋁，像金屬器皿、鍋子、調羹可由純鋁制作。這個族類的元素要復雜一些。鋁屬于金屬家族的正品了，但是硼為非金屬而非金屬，因為它與典型的金屬在一起后就變身成了鹽（比如硼砂）。

碳和硅、鈦、鋯、鉿以及釷，它們排列在第四行。碳和硅為大自然中的主要元素，碳在所有生物體中都能找到，它也藏身于所有的石灰巖之中，對于硅我打算用一章的篇幅來介紹。

接下來我們該說第五六七行了，它們都是一些特殊的金屬元素，它們對于鋼鐵工業那可是不可或缺的，在鋼里增添它們，鋼的性質就會起變化。

接下來我們就該和大家討論門捷列夫表的重點了，也就是該表的第八九十行。在該表中這里最為顯著的不同就是，橫著毗鄰的那三種金屬的性質很相似。鐵、鈷、鎳的性質也很接近，也常在大自然中的同一個地方出現，即使進行化學分析也難讓它們分離。釘、銠、鈀這幾個輕鉑金屬家族的成員與鋨、銥、鉑這些重金屬族里的成員，這些元素也極為相似。

看完表的中心部分我們繼續往下，緊跟中心部分的這四行分布著銅、鋅、錫、鉛，它們都屬于重金屬族類，它們在人們的生活中無處不在。

轉眼到了第十五行，氮氣先進入我們的視線范圍，緊隨其后的便是逸散性強的磷與砷，接著就是銻這個半金屬元素，典型的金屬鉍被安排到了最后。這一行暗示大家后面就要大不一樣了，因為后面的元素有光澤的金屬不再出現，人們十分熟悉其性質的金屬也跑得無影無蹤了。排在此處的都是化學家眼里的非金屬元素，比如氣體和液體還有非金屬的固體。

氧、硫、硒、碲都位居第十六行，這些元素的性質已為大家所熟知，釙的性質人們還一無所知。我們繼續往下看，呈現在我們眼前的是第十七行的那些容易逸散的元素，排在最前的氣體如氫和氟及氯三種，繼續往下就是溴這種液體，固體的結晶碘緊跟溴排列著，它是很容易逸散的，末尾是人工制取的砹，人們對它還是一無所知。這就是化學家所稱的鹵素（不包括氫氣），大意是這些元素可讓鹽橫空出世。十八行里的都是稀有氣體，它們的另一個名字是惰性氣體。所有其他的元素都休想同它們發生化合反應；在地球上的每一個角落、一切礦物及大自然中都有它們若隱若現的身影。輕的氣體是太陽的氣體排在第一位，氡氣排在這些元素的末尾但是它異常古怪，因為它的原子僅能存留幾日。