週期表，也稱為元素週期表，是 118 種已知化學元素的有組織的排列。化學元素依原子序數或質子數遞增的順序從左到右、從上到下排列。的原子核，通常與原子質量的增加一致。
元素週期表的組織提供了有關元素結構和屬性的重要資訊。請繼續閱讀，詳細了解 150 多年前元素週期表的製作方法以及如今的使用原因。
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元素週期表是誰創建的？
德米特里·門捷列夫（Dmitri Mendeleev）是一位俄羅斯化學家和發明家，據《化學家》稱，他被認為是元素週期表的「之父」。英國皇家化學學會。 1860年代，門捷列夫是俄羅斯聖彼得堡一所大學的受歡迎的講師。當時，還沒有俄語的現代有機化學教科書，因此門捷列夫決定寫一本。根據《化學原理》（兩卷，1868-1870 年）一書的撰寫，他同時解決了無序元素的問題。可汗學院。
事實證明，將這些元素排序是相當困難的。當時，已知有 63 種化學元素，每種元素的原子量都是根據阿伏加德羅假設計算的，該假設指出，當保持相同體積時，等體積的氣體和壓力，保持相同數量的分子。
當時只有兩種策略對這些元素進行分類：將它們分為金屬和非金屬，或根據元素的價電子（最外層電子）的數量將它們分組。門捷列夫書的第一部分僅涉及八種已知元素——碳、氫、氧、氮、氯、氟、溴和碘——根據邁克爾·D·戈丁（Michael D. Gordin）在他的書中的說法，這兩種策略適用於這些特定元素。「秩序良好的事物：德米特里·門捷列夫和元素週期表的影子」（普林斯頓大學出版社，2018 年修訂版）。但它們還不足以對當時已知的 55 種其他化學元素進行有效分類。
所以，根據英國皇家化學學會門捷列夫將每種元素的屬性寫在卡片上，並開始透過增加原子量來對它們進行排序。這時他注意到原子量和化學性質之間的相關性。
然而，確切的“尤里卡！”導致門捷列夫得出完整元素週期表排序策略的那一刻仍然籠罩在神秘之中。 「要重建門捷列夫根據原子量進行元素週期組織的過程是極其困難的，」戈丁在談到完整的週期表時寫道。 “從歷史學家的角度來看，問題在於，雖然門捷列夫在相信自己會成名後保留了幾乎所有經過他手中的文件和草稿，但在製定週期律之前他並沒有這樣做。”
戈丁繼續說：「門捷列夫可以透過兩種基本方式從認識到原子量作為一種良好的分類工具的重要性轉向周期表草案：要么按照原子量的順序按行寫出元素，要么按順序寫出元素。 注意到週期性重複，或他組裝了幾種元素的“自然族”，例如鹵素和鹼金屬，並注意到重量增加的模式。門捷列夫唯一已知的與其方法相關的聲明是在 1869 年 4 月發表的；根據戈丁的書，他寫道，他「聚集了原子量最低的物體，並按照原子量增加的順序排列它們」。
無論門捷列夫的思考過程如何，他最終都會根據原子量和價電子來排列元素。他不僅為尚未發現的元素留下了空間，而且還預測了其中五種元素及其化合物的性質。 1869 年 3 月，他向俄羅斯化學會提交了研究結果。同年晚些時候，他的新周期系統作為摘要發表在德國化學期刊上化學雜誌（化學雜誌），根據加州大學聖地牙哥分校。
閱讀元素週期表
元素週期表包含大量訊息，但其中一些最重要的是原子序數、原子符號和原子質量。
原子序數：原子核中的質子數稱為該元素的原子序。質子的數量決定了它是什麼元素並決定了它的化學行為。例如，總是有六個質子；總是有一個；和總是有八個。同一元素的不同版本（稱為同位素）可以具有不同數量的中子。元素也可以獲得或失去電子而帶電，在這種情況下它們被稱為離子。
原子符號：原子符號（或元素符號）是代表元素的縮寫（“C”代表碳，“H”代表氫，“O”代表氧等）。這些符號在國際上使用，有時令人意想不到。例如，符號為是“W”，因為該元素的另一個名稱是鎢。黃金的原子符號是“Au”，因為拉丁語中黃金的意思是“aurum”。
原子質量：元素的標準原子量是用原子質量單位 (amu) 表示的元素的平均質量。儘管每個原子大約有整數個原子質量單位，但您會注意到元素週期表上的原子質量是小數；這是因為該數字是元素的各種天然同位素根據其豐度的加權平均值。
某些人造元素的原子質量稍微複雜一些。據介紹，對於 93-118 號元素，它們是實驗室製造的反鈾元素（鈾以外的元素，原子序數為 92），不存在「自然」豐度。洛斯阿拉莫斯國家實驗室 (LANL)。根據國際純粹與應用化學聯合會 (IUPAC) 的數據，這些元素中壽命最長的同位素的原子量被列在元素週期表中。這些原子量應該被認為是暫時的，因為根據該機構的說法，未來可能會產生一種具有更長半衰期（該元素的 50% 需要多長時間才能分解）的新同位素。區域網路。
超重元素，即原子序數高於 104 的元素，也屬於此非自然類。原子核越大——原子核隨著內部質子數量的增加而增加——通常該元素就越不穩定。因此，根據 IUPAC 的說法，這些超大元素轉瞬即逝，僅持續幾毫秒，然後就會衰變成較輕的元素。例如，超重元素113、115、117和118是2015 年 12 月，完成表格上的第七行或句點。幾個不同的實驗室生產了超重元素。原子序、臨時名稱和正式名稱是：
- 113：其中之一（烏特）(NH)
- 115：ununpentium（Uup），（麥）
- 117：ununseptium（新）(Ts)
- 118：一晚（Uuo）（和）
元素週期表是如何排列的？
這透過原子量和價電子。這些變數允許門捷列夫將每個元素放置在特定的行（稱為句點）和列（稱為組）中。表格由七行和十八列組成。
每行或週期的編號表示該行中元素的軌道數，根據洛斯阿拉莫斯國家實驗室。 （原子的原子核中有質子和中子，圍繞原子核，電子排列在軌道中。軌道描述了電子的位置及其波狀行為。）這意味著第三週期中的所有元素——鈉、鎂、鋁、矽、磷、硫、氯和氬－有三個原子軌道，其中有電子。
列或基團表示原子最外層電子的數量；這些被稱為價電子，它們是可以與其他元素的價電子發生化學鍵合的電子。價電子可以透過共價鍵與另一種元素共享，也可以透過離子鍵交換，根據普渡大學。
例如，化學家 William Reusch 在他的網頁上寫道，第 8A 族（或 VIIIA）元素在最高能量軌道上都有全套的八個電子。密西根州立大學。元素週期表中佔據同一列的元素（稱為「族」）具有相同的價電子組態，因此化學行為類似。例如，所有第 18 族元素都是惰性氣體，這意味著它們不會與任何其他元素發生反應。
過渡元素有一些例外情況，它們填入元素週期表中心的較短列。這些過渡元素具有部分填充的 d 軌道，這有助於其獨特的性質。這將它們與主要填充 s 和 p 軌道的主族元素區分開來。
讓我們試試一個例子：我們可以選擇，其原子序數為 34，這意味著硒的中性原子中有 34 個電子。這種非金屬屬於第 4 期第 6A 族。這意味著硒將其電子保留在四個原子軌道中，並在其最外層軌道上有六個價電子，即六個電子。您也可以計算出其第一、第二和第三軌道中有多少電子：第一個軌道最多可容納兩個電子，而第二個軌道有四個子軌道，因此總共可容納八個電子。根據理論，原子的第三層由 9 個亞軌道組成，最多可容納 18 個電子。佛羅裡達州立大學化學與生物化學系。這意味著硒的第一、第二、第三和第四原子軌道分別有 2、8、18 和 6 個電子。
元素週期表的演變
當門捷列夫在 1869 年首次發布原始元素週期表時，它僅包含 63 種元素——大約是今天元素數量的一半。他的桌子上有間隙，為尚未發現的元素留出空間，門捷列夫利用這些間隙的位置來預測潛在新元素的特性。其中一個例子是門捷列夫所說的“eka-aluminium”，這是一種具有與鋁相似特性的提議元素。幾年後，該元素被鑑定為鎵，其性質被證實與門捷列夫的預測非常相似。
自 19 世紀以來，已知元素的數量幾乎增加了一倍。這些新發現的元素慢慢地填補了門捷列夫最初設計的空白，並將該表擴展到更高的原子序數。元素週期表上的所有空白均已正式填補2010年代合成117號元素後，田納西州。
理論上是可以的進一步擴展元素週期表隨著化學家合成越來越重的元素，元素週期表可能永遠不會完整。這些人造元素是使用粒子加速器創建的將原子和亞原子粒子粉碎在一起，產生帶有額外質子和中子的原子核。然而，這些超重元素非常不穩定且難以製造。 “我們真的不知道可能存在的最重元素是什麼，”維托爾德·納扎雷維奇,密西根州立大學的核物理學家告訴史密森尼雜誌。
如今元素週期表是如何使用的？
透過了解表格中聚集在一起的某些元素具有某些特徵和行為，科學家可以找出哪些元素最適合某些行業和流程。例如，據介紹，工程師使用表中第 III 族和第 V 族元素的不同組合來製造新的半導體合金，例如氮化鎵 (GaN) 和氮化銦 (InN)。美國國家標準技術研究院（美國國家標準技術研究所）。
一般來說，化學家和其他科學家可以使用該表來預測某些元素將如何相互反應。例如，鹼金屬位於表格的第一列或第一組中，並且往往具有一個價電子，因此帶有 +1 電荷。這種電荷意味著它們「與水發生劇烈反應，並且很容易與非金屬結合，」化學家 Anne Marie Helmenstine 在上面寫道思想公司NIST 表示，鎂與鈣屬於同一族，作為骨植入物合金的一部分，鎂越來越有用。由於這些合金是可生物降解的，因此它們充當鷹架，然後在天然骨骼在結構上生長後消失。
自創建一個多世紀以來，元素週期表仍然是科學中最重要的工具之一，為理解物質的組成部分提供了框架。它不僅將所有已知元素組織成一個連貫的結構，而且還可以作為預測和合成新元素以及指導化學創新的路線圖。
《Live Science》撰稿人 Traci Pedersen 的補充報導
