第二十六章排定元素的座次
元素周期表的发明
去粗取精，门捷列夫寻着前人的足迹，靠着自己的思想，终于发现了元素周期律，发明了元
素周期表，立下了科学史上的勋业。
积极探索步步逼近
这个纷繁复杂的世界，究竟是怎样形成的?这个问题从古到今都引起人们的深深思
索。
真正科学地认识元素是从17世纪开始的。1661年，英国化学家玻意耳给元素下了一个科学的
定义：元素是一种单质，它可以和其他元素相结合而形成化合物。如果把它从化合物中分离
出来后，它便不能再被分解为任何比它更为简单的物质了。从玻意耳开始，化学家们就不断
进行实验，想弄清哪些物质可以再分解为更简单的物质，哪些物质不能再分解了。经过一二
百年的努力，人们已弄清楚，在自然界中天然存在的元素有94种，另外还有19种元素是在实
验室中人工“制造”的，在自然界中并不存在。
随着近百种元素被逐一鉴别，人们自然对这几十种简“单”物“质”(单质)之间的关系发生
了兴趣。
1789年，法国化学家拉瓦锡曾把他自己确认为可信的33种元素，根据其物理性质分为金属、
非金属、气体和土质四大类。但这种分类没有抓住元素之间的内在联系，显得太笼统，因而
对科学研究的指导意义不大。
进入19世纪，人们开始将各种零散的关于元素的知识进行总结和归纳，试图从中找出规律性
的东西，来满足当时科学发展的需要。当时，原子量已日渐被公认是元素的重要特征之一，
因此，从原子量入手是很自然的一条思路。
1829年德国化学家德贝赖纳研究了当时已知的54种元素的相对原子质量和化学性质间的关系
，发现了几个“三元素组”。19世纪中叶英国化学家格拉德斯通、奥德林和法国化学家杜马
等人对元素做了分类，但是他们只得到了局部的结论。
1858年意大利化学家坎尼扎罗提出了测定相对原子质量的方法，统一的相对原子质量被迅速
测定出来，这为发现化学元素之间内在联系的工作创造了有利条件。1862年法国化学家德尚
库托瓦提出“螺旋图”，把已知元素按相对原子质量由小到大的顺序排列在绕在圆柱体上的
螺线上，某些性质相似的元素排在同一条母线上，如锂、钠、钾以及氯、溴、碘等，这是化
学历史上第一次提出的元素周期性，但却未能起到应有的作用。
1865年英国化学家纽兰兹把已知元素按相对原子质量由小到大的循序排列成表，他发现从任
意一种元素算起，第8种元素的性质与第1种的相似，他把这个规律称为“八音律”。这种表
的前两列几乎与现代周期表第2、3周期相对应，但由于是按相对原子质量大小机械排列的，
所以未能揭示出元素间的内在联系。1869年德国化学家迈尔提出一张元素周期表，明确指出
元素性质是相对原子质量的周期函数，但他的工作偏重于元素的物理性质。
上面提到的这些科学家们，在探索元素周期律的征途上都各自做出了贡献，从不同角度、在
不同程度上描述了化学元素之间的相互关系，虽然都没有切实找到他们已经意识到的真理，
但他们的工作一步步地向真理逼近，为周期律的发现开辟了道路。
合理扬弃一“表”规律
在化学进步的历史过程中，由于科学资料的积累和科学研究的不断深入，终于在19世纪后半
期具备了发现周期律的条件。在这个时期，伟大的俄国化学家门捷列夫，当仁不让地承担起
这一历史的重任，在批判地继承前人工作成果的基础上，加上自己的实验和研究，完成了元
素周期律的发现。
1869年门捷列夫仔细研究了大量资料后，在前人工作的基础上制作了他的第一张周期表。到
1906年他逝世前一年，他建立了各种形式的元素周期表，具体表达元素周期律。
门捷列夫明确地给元素周期律下了定义：元素在单质和形成的复杂物质中所表现出的物理和
化学性质与元素的相对原子质量成周期性关系。他坚信周期律的正确性。在制定元素周期系
的过程中，如发现周期系尚存有空白的位置，他断定这是有尚未发现的新元素存在，并预言
了它们的性质。这些预言为以后的科学实验证实，使他建立的元素周期律赢得了很高的声誉
，获得全世界化学家们的承认。根据相对原子质量排列已知元素时，如果遇到性质和元素周
期性不符，那是相对原子质量值有错误所致。如当时误认为铍的化合价是3，相对原子质量
为13.5，这样铍的位置在碳(相对原子质量为12)和氮(相对原子质量为14)之间，未能反映
出元素的周期性。他在研究了铍的性质后认为其化合价应为2，相对原子质量为9，应把它排
在锂和硼之间。有时，相对原子质量的数值没有错，但门捷列夫认为元素的性质比它的相对
原子质量更重要，于是就大胆地把它们的排列位置换一下。例如，碲的相对原子质量是127.61，碘是126.91，按理碲应排在碘后面，但门氏认为碲的性质更类似硒，就把它放在碘
之前，使碲的位置在硒的下面。
元素周期表有长表和短表两种。在1930年前，短表被广泛应用，而目前主要用长表。长表有
7个周期、18列和16个族。第1周期有2种元素，第2、3周期各有8种元素，第4、5周期各有18
种元素，第6周期有32种元素，第7周期至今只有27种元素。第4、5、6周期中21号～30号、3
9号～48号、57号～80号元素是过渡元素，其中57号～71号元素是镧系元素，89号～103号元
素是锕系元素。
周期表中各元素性质，如金属性、非金属性、氧化物和水化物的酸碱性等性质的递变都很有
规律，对于研究和应用化学知识有指导作用。
门捷列夫元素周期表，是科学理论研究中运用逻辑思维的成功范例，是科学预见的丰硕成果
。他在元素周期表中，不仅预见到19世纪末化学元素的发现，甚至对20世纪发现的放射性元
素，以及“二战”后出现的人工元素，也在周期表中预约定位了。不仅如此，门捷列夫的元
素周期表还暗示了以氢为原型的元素原子结构的关系。这是20世纪后由于量子力学的发展才
了解到它的意义和本质的。
门捷列夫周期表不仅是化学发展史上的里程碑，而且也影响到其他科学，例如元素光谱学等
。
崭新发展精确表达
周期表发明以后，又经历了几次重要的发展。
首先，门捷列夫预言的三种元素镓、钪、锗先后于1875、1879、1886年被发现，其性质几乎
与预言的完全相同。
1894年～1899年，6种稀有气体先后被发现，门捷列夫和许多科学家认为应在周期表上增添
一个零族，以进一步完善周期系。
随着对放射性现象和X射线的深入研究，人们进一步认识了原子的结构，其中，原子序数的
概念对门捷列夫周期表来说具有十分重要的意义。1913年，卢瑟福的学生莫斯莱研究了各种
元素的标识X谱线后指出，原子序数表示的量只能是带正电的核的电荷数。如果把元素按原
子序数进行排列，元素表中原来几对按原子量排列位置颠倒的矛盾就会得到合理的解释。显
然，决定元素化学性质呈周期性变化的是原子序数(核电荷数)，而不是原子量。此外，根据
标识X谱线，还可以寻找和鉴别新的元素，并更确切地掌握元素在周期表中的准确位置。192
0年，查得威克用实验验证了莫斯莱的这个推论。
原子核电荷数的研究科学地解释了元素在周期表中的排列顺序，而原子核外电子的分布和运
动规律的研究则进一步阐明了元素为什么是原子序数的周期函数。
每一种元素都有其特征谱线，其频率非常确定。而根据卢瑟福的原子有核模型以及经典电磁
学理论，任何一个绕核运动的电子，最终将掉在
原子核上。与观察到的实际情况不符，这是卢瑟福模型的一大缺陷。1913年，丹麦物理学家
尔综合了普朗克的量子理论、爱因斯坦的光量子理论以及卢瑟福的原子有核模型，提出了一
个新的原子结构模型，解决了原子不稳定的问题。1925年，奥地利物理学家泡利提出了“不
相容原理”，指出在同一原子中，两个电子不能共处于同一量子状态。至此，用这些理论就
能解释一切元素中电子的层状结构，并合理地解释周期律的规律。人们还认识到元素的化学
性质和元素发生化学变化和完全取决于核外电子的排布，特别是最外层电子壳层的情况和
外层电子的运动状态。
这样，人们就能够更深刻地理解元素周期律的实质和意义了。这就是说，每种原子的核外都
有自身的电子层结构，元素周期律正反映了电子在各原子外层排布的规律性。实际上，核电
荷数才是周期表中元素排列顺序的根本依据，核外电子分布及其运动情况决定了元素的主要
学性质。元素性质呈周期性变化的根本原因在于元素的原子核外电子分布的周期变化。这便
是元素周期律的实质。
原子结构理论不仅为元素周期律提供了新的科学依据，同时也使元素周期表得到进一步的发
展和完善。到20世纪30年代，周期表中92号元素铀以前的元素已找到88个，还有原子序数为
43、61、85、87号的四个元素尚未发现。为寻找这四种元素，竟花费了众多化学家20年的时
间。当时谁也没想到，自然界中所有稳定的元素都已找到，这四种元素是不稳定的，很难在
地球上找到。除87号元素外，其余三种元素都必须在实验室里用人工方法制备出来。到1945
年，元素周期表中92号铀元素以前的元素全部得到了。92号元素是否是元素周期系的终点?
铀以后还有没有元素?能不能用人工方法合成92以后的元素?这成了人们关注的问题。
人工放射性元素发现后，人们开始尝试制造新元素，尽管经历了不少失败，但经过30多年的
努力
，还是合成了十几种超铀元素，进一步发展了元素周期系。一系列超铀元素的合成，不仅壮
大了元素的队伍，同时也使人们对物质的微观结构有了更多的认识。实验事实证明，超铀元
素的稳定性随着原子序数的增加而急剧降低。97号元素以前的超铀，寿命最大的同位素半衰
期可达千年以上，而103号元素的半衰期为180秒，以后制得的新元素104261的半衰期
为70秒；105262为40秒；107261仅为2微秒。这就给人们
带来一个
新的严重问题——合成原子序数更高的元素有没有可能性?元素周期表这一次是否真的到头
了?
近年来，随着放射性同位素研究的进步和核物理学的迅速发展，科学又提出了存在“超重核
稳定岛”的假说。目前，科学家们已着手采用
各种不同的方法在自然界里寻找或制造超重核，为进一步发展元素周期系理论加紧努力。
20世纪的所有这些新发展，使门捷列夫的元素周期律的基本原理不仅没有被否定，反而由于
这些新发展而更加巩固和发展了，只是改变了观点的形式，因为在保存和进一步发展周期律
本质的同时，改变了周期律的形式或表达方法。这就是说，在20世纪，完全证明了门捷列夫
的预见是正确的，无疑，周期律的基本涵义保持下来了，并且得到了更精确的表达。