Theodor Benfey的螺旋周期表。（图片来源：DePiep/Wikipedia）
几乎所有化学实验室的墙上都挂了一张元素周期表。元素周期表的发明一般归功于俄国化学家德米特里·门捷列夫（Dimitri Mendeleev）。1869年，他在卡片上写下当时已知的63种元素，然后根据化学和物理特性将它们按照行列排布。为庆祝这一科学时刻诞生150周年，联合国宣布2019年为周期表国际年。
但是实际上门捷列夫并不是第一个提出元素周期表的人。 许多人都有将元素排列成表格的想法。 几十年前，化学家约翰·道尔顿（John Dalton）试图为元素创建一个表格以及一些相当有趣的符号（可惜并没有流行起来）。 而在门捷列夫创建元素周期表的前几年，约翰·纽兰兹（John Newlands）还根据元素的性质对元素进行排序，创建了一张表格。
约翰·道尔顿的元素表。（图片来源：Wikimedia Commons）
门捷列夫的天才之处在于他为元素周期表留出了空白。他意识到表格上缺失了某些元素，尚未被人们发现。 因此，在道尔顿、纽兰兹和其他人都在排列当时人们已经发现的元素时，门捷列夫为未知的元素留下了空间。 更令人惊讶的是，他准确地预测了这些缺失元素的性质。
门捷列夫含有缺失元素的元素周期表。（图片来源：Wikimedia Commons）
注意到上面表格中的问号了吗？比如，在Al（铝）旁边有一个未知金属的位置。门捷列夫预言它的原子质量为68，密度为6g/cm3，熔点非常低。六年后，Paul Émile Lecoqde Boisbaudran分离出镓，它的原子质量为69.7，密度为5.9 g/cm3，熔点低到捧在手心就会变成液体，恰好填补Al旁边的空缺。门捷列夫对钪、锗和锝（直到1937年，即他去世30年后才被人们发现）也做了同样的预测。
乍一看，门捷列夫的元素周期表看起来并不像我们熟悉的周期表。 一方面，现代的元素周期表有一些门捷列夫忽略的元素（当时他并没有留下空间），其中最显著的是惰性气体（如氦气、氖气、氩气）。 并且该表的方向与我们的现代版本也不同，我们现在将（同族）元素排成列，再按行排布。
现代的元素周期表。（图片来源：Offnfopt/Wikipedia）
但是一旦你把门捷列夫的周期表转个90度，就会发现他的周期表和现代版本非常相似。 例如，卤素——氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）和碘（I）（门捷列夫表中用J表示）——都彼此相邻。今天它们排列在表格的第17列（化学家更喜欢称之为第17族）。
实验期
从门捷列夫的周期表到我们熟悉的周期表看起来似乎只是一个小小的飞跃，但在门捷列夫的周期表出版后的多年里，仍有很多人尝试对元素进行其他方式的排列。 甚至在对门捷列夫的周期表旋转90度后，还是有人提出了一些古怪而奇妙的排列形式。
Heinrich Baumhauer的螺旋周期表。（图片来源：American Chemical Society）
一个特别引人注目的例子是海因里希·鲍姆豪尔（Heinrich Baumhauer）于1870年发表的螺旋形周期表，氢元素位于中心，其他元素按原子质量递增而向外螺旋排布。落在每个类似车轮辐条上的元素具有相同属性，与今天元素周期表中的同一列（族）的元素一样。此外，还有亨利·巴塞特（Henry Basset）在1892年提出的颇为奇怪的“哑铃”形式周期表。
尽管如此，到了20世纪初，元素周期表采用1905年阿尔弗雷德·维也纳（Alfred Werner）设计的极为现代的样式，也就是今天我们所熟悉的横向布局。稀有气体第一次出现在我们现在熟悉的最右边的位置。维也纳还借鉴门捷列夫的做法，在表中留有空余位置，但他认为存在比氢更轻的元素，并且还有一个元素位于氢和氦之间的这些猜测都过头了（实际上这些元素都不存在）。
Alfred Werner的现代周期表。（图片来源：American Chemical Society）
尽管这个看上去是张相当现代的元素周期表，但仍然需要一些调整。特别有影响力的是查尔斯·詹内特（Charles Janet）的版本。 他采用了物理学家的方法，并利用新发现的量子理论创建了基于电子构型的布局方式， 由此产生的“左阶”（left step）周期表仍然是许多物理学家的首选。有趣的是，尽管当时只知道92个元素（我们现在只有118个），詹尼特将元素排到了120号。
Charles Janet的左步周期表。（图片来源：Wikipedia, CC BY-SA）
确定设计方案
现代元素周期表实际上是从詹尼特版本直接演变而来。碱金属（锂开头的一列元素）和碱土金属（铍开头的一列元素）从最右边移动到最左边，形成一个非常宽的（长形）周期表。这种布局的问题就在于它不能很好地适合页面或海报，因此很大程度上由于美学原因，f区元素通常被剪切下来，放在主表下方。 这就形成了我们今天所认识的元素周期表。
这并不是说人们没有修改布局，通常是为了突出传统表格中不明显的元素之间相关性。元素周期表有数百种变体（查看Mark Leach的数据库），其中螺旋和3D版本特别受欢迎，更别说还有其他很多搞笑的版本了。
3维门捷列夫花朵型元素周期表。（图片来源：Тимохова Ольга/Wikipedia, CC BY-SA）
我将门捷列夫的元素周期表和亨利·贝克（Henry Beck）设计的伦敦地铁图融合成下图，你们觉得如何？
本文作者设计的元素周期表地铁交通图。（图片来源：Mark Lorch）
还有其他令人头晕目眩的模仿，这些模仿旨在给人科学的感觉将各种各样的东西，从啤酒到迪士尼角色进行分类。我尤其喜欢“荒诞的想法”这一作品。所有的这些都表明了元素周期表已成为科学领域内的标志性符号。
作者：Mark Lorch
翻译：黄静
审校：王艺静
引进来源：the Conversation
本文来自：环球科学
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