当化学老师遇上元素周期表（化学老师想辞职）

来源：微信公众号“科研圈”（ID：keyanquan）作者：Mark Lorch （英国赫尔大学（University of Hull）科学传播与化学教授）

接下来是美术老师代课时间。

西奥多·本菲的螺旋周期表（1964）| 图片来源：DePiep/Wikipedia

元素周期表几乎出现在每个化学实验室的墙上。它的创建通常归功于俄国化学家迪米特里·门捷列夫（Dimitri Mendeleev），1869 年，他将当时已知的 63 种元素写在卡片上，并根据化学和物理性质将它们进行排列。为了庆祝科学上这个重要时刻的 150 周年，联合国宣布将 2019 年定为国际化学元素周期表年。

但门捷列夫并不是第一个尝试给各种化学元素排序的人。在他之前几十年，化学家约翰·道尔顿（John Dalton）曾试图为这些元素创造一张表格和一些很有趣的符号，但它们没能流传开来。而就在门捷列夫创建周期表的几年前，约翰·纽兰兹（John Newlands）也创建了一张根据元素属性对其进行分类的表格。

约翰·道尔顿的元素列表。| 图片来源：Wikimedia Commons

门捷列夫的天才之处体现在他为元素周期表留出的空白之中。他意识到某些元素是缺失的，还有待被发现。道尔顿、纽兰兹和其他人只是将已知的元素进行排列，只有门捷列夫为未知元素留出了空间。更令人惊讶的是，他准确地预测了缺失元素的性质。

门捷列夫的元素周期表中含有缺失的元素。| 图片来源：Wikimedia Commons

注意到上面表格中的问号了吗？例如，在铝（Al）的右侧有留给某种未知金属的位置，门捷列夫预言它的相对原子质量为 68，密度为 6 g/cm3，熔点很低。六年后，保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰（Paul Émile Lecoq de Boisbaudran）分离出了镓（Ga），完美填补了这一空缺——它的相对原子质量为 69.7，密度为 5.9 g/cm，熔点很低，甚至能在人的手里熔化成液体。门捷列夫也对钪（Sc）、锗（Ge）和锝（Tc）作出了同样的猜测，但直到 1937 年人们才发现了锝，那时他已经去世 30 年了。

乍一看，门捷列夫的表与我们所熟悉的元素周期表不太一样。一方面，现代周期表上有一系列被门捷列夫忽略的元素（并且他没有给它们预留空间），最明显的是惰性气体（如氦、氖、氩）。此外，这张表的排列方式也与现代版本不同，我们现在将元素排成列，然后按行排列。

现代元素周期表 | 图片来源：Wikimedia Commons

但是，一旦把门捷列夫的表旋转 90 度，它与现代版本的相似之处就显而易见了。例如，卤族元素——氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）和碘（I）（门捷列夫表格中的符号 J）相继出现。如今，它们被排列在元素周期表的第 17 列（化学家们更喜欢称其为第 17 族，也就是我们所说的第七主族 VIIA）。

元素周期表的“实验期”

从门捷列夫的周期表到今天我们所熟悉的元素周期表之间，看起来只需要一个小小的改动。但是，在门捷列夫论文发表后的多年里，人们对元素的其他排列和分布进行了大量实验。在将门捷列夫的表格进行 90 度旋转，并保留这种形式之前，人们还尝试过一些古怪而奇妙的扭转方式。

（a）海因里希·鲍姆豪尔的螺线形元素周期表；

（b）1915 年阿洛瓦斯·比列基（Alois Bilecki）提出的螺旋形元素周期表；

（c）亨利·巴塞特的“哑铃”设计。

图片来源：http://www.chem.msu.ru/eng/misc/mendeleev/hyper/

海因里希·鲍姆豪尔（Heinrich Baumhauer）的螺旋结构就是一个特别引人注目的例子，它发表于 1870 年，以氢元素为中心，元素按照相对原子质量递增的顺序呈螺线形排布。落在每个轮辐上的元素具有相同的属性，就像今天元素周期表中同一族的元素一样（见上图 a）。还有亨利·巴塞特（Henry Basset）在 1892 年提出的相当奇怪的“哑铃”构想（见上图 c）。

到了 20 世纪初，这张表格就定型成了我们今天所熟悉的水平布局，与 1905 年海因里希·维尔纳（Heinrich Werner）设计的现代版本相似，稀有气体第一次以如今我们熟悉的位置出现在表格的最右边。维尔纳还借鉴门捷列夫的做法，在表格中留下了空白，不过他猜得有些过头了。他认为存在一些比氢更轻的元素，同时氢和氦之间还有另一种元素（这两条猜测都不成立）。

海因里希·维尔纳设计的元素周期表| 图片来源：American Chemical Society.

尽管这张表格看起来已经很现代了，但它仍然需要一些重新排列。特别有影响力的是查尔斯·詹内特（Charles Janet）的版本。他采用物理学家的方法，利用新发现的量子理论，创建了一个基于电子构型的布局。由此产生的左阶元素周期表仍然受到许多物理学家的青睐。有趣的是，詹内特把未知元素一直排到了 120 号，尽管当时已知的元素只有 92 个（如今我们知道的也只有 118 个）。

查尔斯·詹内特的左阶元素周期表。| 图片来源：Wikipedia, CC BY-SA

经典设计的诞生

现代元素周期表实际上是詹内特版本的直接演变。碱金属（以锂为首的第一主族元素）和碱土金属（以铍为首的第二主族元素）从最右边被移到了最左边，形成了一个非常宽的元素周期表。这种布局的问题是它不能很好地适应页面或海报，所以出于美观的考虑，f 区元素（也就是镧系和锕系元素）通常被裁剪下来放到主表下面。元素周期表就是这样演变成今天所熟知的样式的。

不过，人们并没有停止修改周期表的布局，通常是为了强调传统表格并未体现的元素之间的相关性。元素周期表已经有数百种不同的版本（可以在 Mark Leach 的数据库中查看），其中螺旋状和 3D 版本尤为流行，更不要说许多搞笑的版本了。

3D 版门捷列夫花式周期表。| 图片来源：Тимохова Ольга/Wikipedia, CC BY-SA

我将门捷列夫的表格和亨利·贝克（Henry Beck）的伦敦地铁地图这两个标志性的图形融合在一起，效果如何？

本文作者设计的地铁元素周期表。| 图片由作者 Mark Lorch 提供

还有那些令人眼花缭乱的模仿，它们旨在为从啤酒到迪斯尼卡通形象的各种事物赋予一种科学感。所有这些都表明，元素周期表早已成为科学的标志性符号。

65 种啤酒组成的“啤酒周期表”，按口味、酵母的类型等方式分类（可点击图片放大查看）。| 图片来源：http://ecx.images-amazon.com/images/I/81CFIrGYpzL._SL1500_.jpg