元素周期表的发现及发展史
化本073班
摘要： 元素周期律的发现, 使元素成了一个严整的自然体系,是化学史上的一个重要里程碑。本文就此描述了元素周期表的发现和后人的科学演化即元素周期表的发展小史。
关键字：元素周期表；元素周期律；发现史；发展史
元素周期律和周期表既是高中化学, 也是大学化学的教学内容。“要学好无机化学, 必须胸怀元素周期表, 放眼无机化学”道出了元素周期律和周期表作为知识的重要性。元素周期律和周期表除具有知识功能外, 还具有教育功能。在元素周期表的教学中可应用具体事例进行辩证唯物主义、科学思想、科学精神和科学品德、为科学献身的精神和严谨治学态度、理论与实践(验) 辩证关系、爱国主义、美学等方面的教育[1]。
元素周期表的发现及发展史是对元素周期表的形成和发展的历史过程的描述，它不仅揭示了元素周期律的演变规律，而且其中讲述的许多化学科学家的故事也为学生进行素质教育提供了很好的素材。著名教育家F.克莱因曾指出：“历史可以在教学中扮演重要的角色”，我国著名化学家傅鹰教授也曾说过：“化学给人以知识，化学史给人以智慧。”[2]。
1 元素周期表的发现史
1.1 周期律发现前的元素分类
1789年拉瓦锡在他的著作中首次出现了《元素表》。1815年英人威廉· 普
劳特提出：1、所有元素的原子量均为氢原子量的整数倍；2、氢是原始物质或“ 第一物质” , 他试图把所有元素都与氢联系起来作为结构单元。1829年德伯赖纳提出五组《三素组》：Li、Na、K;Ca、Sr、Ba;P、As、Sb;S、Se、Te;Cl、Br、I。
1843年盖墨林把当时己知的化学元素按性质相似分类制成了元素表。十八世纪
六十年代法人尚古多制出了元素分类的螺旋线图或地螺柱图。他最先提出元素性质和原子量之间有关系, 并初步提出了元素性质的周期性。螺旋图是向揭示周期律迈出了有力的第一步, 但缺乏精确性。1864年英人欧德林用46种元素排出了《元素表》。同年德人迈尔依原子量大小排出《六元素》表。该表对元素进行了分族, 有了周期的雏型。1865年英人纽兰兹把62种元素依原子量递增顺序排表, 发现每第八个元素性质与第一个元素性质相近, 好似音乐中的八度音, 他称为“ 八音律” 。八音律揭示了元素化学性质的重要特征, 但未能揭示出事物内在的规律性。
1.2 周期律的发现
化学家绝不满意元素漫无秩序的状态。从《三素组》到《八音律》, 逐步对元素知识进行归纳和总结, 试图从中找出视律性的东西, 为发现周期律开辟了道路。由于科学资料积累, 元素数目增多, 终于在十九世纪
后半期迈尔和门捷列夫同时发现了元素周期律。1867年俄人门捷列夫对当时已发现的63种元素进行归纳、比较, 结果发现：元素及其化合物的性质是原子量的周期函数的关系, 这就是元素周期律。依据周期律排出了周期表, 根据周期表, 他修改了铍、铯原子量, 预言了三种新元素, 后来陆续被发现, 从而验证了门氏周期律的正确性, 迅速被化学家所接受。在周期律的指导下, 先后发现了稼、钪、锗、钋、镭、锕、镤、铼、锝、钫、砹等十一种元素同时还预言了稀有气体的存在, 并于1898年以后, 陆续发现了氖、氢、氙等元素, 因而在周期表中增加ⅧA族。到1944年自然界存在的92种元素全部被发现。
如果说, 原子一一分子论的建立是对化学的一次总结, 那么周期律的发现, 使元素成了一个严整的自然体系, 化学变成一门系统的科学, 它是化学史上的一个重要里程碑它讨原子结构、有机化学、原子能、地球化学、生物化学、冶金、新元素的发现与合成都有深远的影响。为了纪念门氏的伟大发现, 科学家把101号元素命名为钔。恩格斯曾给以高度评价：“ 门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律, 完成了科学上的一个勋业。”
由于时代的局限性, 门氏不可能认识到周期律更本质的规律。因此可以说门氏只是原子体系的哥白尼, 而原子体系的伽利略和牛顿, 自有后来人。
2 元素周期表的发展史
2.1 周期律概念的更新
十九世纪末, 二十世纪初, 由于原子量的精确测定, 确知碲的原子量大碘, 氩大于钾, 钴大于镍等。基于这个事实, 并照顾到元素性质的相似性,1902年捷克化学家布拉乌勒尔设计的周期表中有几处颠倒了原子量的排列。1905年瑞士化学家维尔纳设计的专表也有这种现象, 这是对门氏周期律的直接挑战。面对矛盾, 当时科学家无法解释。随着阴极射线、电子、射线、放射性等的发现,1899--1900年英人卢瑟福提出原子有核模型, 揭示了原子的复杂结构。1913年荷兰人范德布洛克指出元素在周期表中排列序数等于该元素原子具有的电子数。这一假说开始把元素在周期表中排列序数和原子结构联系起来。这个假定动摇了门氏和他的同辈以及先辈们的周期律的固有概念。
1913--1914年间, 英国青年物理学家莫斯莱对X射线技术进行了研究,从而验证了范德布洛克的假说, 揭示了元素周期律的本质：元素的化学性质是它们原子序数的周期性函数。原来在诸原子中有决定意义的东西不是原子量, 而是原子的核电荷以及核外电子数。1916年德国化学家柯塞尔就立即把原子序数放进周期表中, 代替了门氏的原子量。1920年英人查德维克证实了摩斯莱的工作。这样, 一系
列物理学中的新发现, 使元素周期律获得了新定义：元素的物理性质和化学性质, 以及由元素形成的各种化合物的性质, 皆与元素原子核电荷的数量成周期性关系。
2.2 周期律理论的深化与探索
按照核电荷递增顺序排列各元素, 使前面出现的矛盾迎刃而解。随着现代原子结构理论的建立, 周期律理论得到发展。1913年玛丽· 居里提出原子核结构设想。1913年卢瑟福和查德维克发现质子。1932年查德维克发现中子。质子和中子发现后, 苏联科学家伊万年柯, 德国物理学家海森堡等人立即提出原子核由质子和中子组成的理论。1913年英国化学家索迪提出“ 同位素” 概念.1919年阿斯登用质谱仪精确的确是了原子量.1913年丹麦物理学家玻尔用他的原子结构模型成功的解释了氢元素的线光谱。1923--1924年法国年青物理学家德布罗依提出“ 物质波”概念, 1926年德国物理乒家薛定谔提出了解决微观粒子运动方程, 对核外电子运功状态和能级的计算提供了依据。
遵循周期律, 把众多的元素（106种）组织在一起所形成的系统, 称做化学元素周期系。周期系的具体形式是各式各样的周期表。如塔式表、三分族元素周期表环形、螺旋形、扇形、蜗牛形, 对角形、带形、立体支架形、阶梯形、罗盘形、园筒式等五花八门, 各具特色。但其中最常用的是短表和长表。近年来, 由于人工合成元素增多, 长表的优越性日益显露出来, 短表已经完成了历史使命, 更多的应用让位于长表。长表的重要特点之一是能够很好的把元素分成元素群, 便于按群体性质来掌握化学元素的总体知识。表中明显的划分出活泼金属、非金属、过渡元素、低熔合金、镧系、锕系元素区。根据电子构型可分成S区、p区、d区、f区四组。便于人们从结构观点去分析比较。
2.3 元素周期表中的不规则性的发现
20 世纪以来,周期表和周期律成了近代科学发展的重要基础,也是无机化学家得心应手的工具。按照周期律的现代定义:核电荷递增时,元素原子电子构型的周期性变化决定了元素性变化决定了元素性质的周期性。当把元素按原子序数递增的顺序排列成周期表,电子构型重复由S1 到S2P6的变化,元素性质就呈现周期性。然而,随着对元素和化合物研究的深广度增加,特别是近几十年来,对重元素和它们的化合物性质的研究,表明元素周期性并不是简单地按一个模式重复,而是表现为复杂的变化规律,对于不同的周期,不仅周期性变化的快慢不同,而且常常显示出一些周期性的例外或“反常”。这些“反常”性质通称为周期律的“不规则性”。即氢在周期表位置的特殊性;对角线规则;配位数增大效应;非金属元素不易成族价性;
惰性电子对效应和镧系收缩等元素周期表中的不规则性的典型事例。
2.4 部分其他元素周期表简介
2.4.1 P Table 元素周期表
P Table 元素周期表是J . Eric. Slone 拥有版权,SCSI (Scientific Consulting Services International) 发行的一份卡通式元素周期表。该周期表表现形式活泼形象,以对话的方式生动地再现了元素的性质及其相互关系。与一般化学教材附带的元素周期表相比,它具有如下几个特点：1、以表情丰富的卡通图像表示各元素；2、以形象的对话描述元素性质及其相互关系；3、以元素性质之间的相互联系为主要依据进行构建。
2.4.2 磁量子数m 取值变化对元素周期表重排
将磁量子数m 的取值从:0、± 1、± 2......± l 共2 l +1 个值,改为0、+1、+2......+l 共l+1 个值。那么势必引发一系列变化。新周期表共有5 个主族,第Ⅰ主族包括:H、Li、F 和P;第Ⅱ主族包括:Be、Ne 和S;第Ⅲ主族包括:B 和Na;第Ⅳ主族包括:C 和Mg;第Ⅴ主族包括:N 和Al;零族包括:He、O 和Si。前20 号元素中,最活泼的碱金属元素是P,O 变成了稀有气体元素,而Cl变为第一个过渡元素。同时副族也从7个变为5 个。（表1）
3 结论
元素周期表的发现史是化学史上的一个里程碑。它对讨论原子结构、有机化学、原子能、地球化学、生物化学、冶金、新元素的发现与合成都有深远的影响。元素周期表本身是较抽象的化学内容，如果在元素周期律授课过程中如果适当地穿插一些元素周期表的发现史和发展史方面的知识，在提高学生的学习兴趣，激发学生的学习动力都会起到很好的作用。所以，了解元素周期表的发现史和发展史对于化学的学习是很必要的。