精彩问答

Q

为什么第七周期后半元素有些不遵循元素周期律?

A

  在元素周期表的第七周期后半元素中,随着原子核越来越大和原子核中的质子数增多,导致吸引电子的库仑力越大,所以围绕着原子核运动的电子的速度会越来越快,达到接近光速。在如此高的速度下,元素对应的性质会不同于元素周期表中所对应的位置所预测的一样,从而不遵循元素周期律(相对论效应的影响)。元素周期律对于超重元素预测能力的丧失不会影响表中其他部分的有用性,但是所伴随着的相对论效应所带来的问题,却非常值得思考。

  胡憾石 清华大学 张如范 清华大学

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Q

元素周期表发展历程?

A

  元素周期律的发现是许多科学家共同努力的结果。1789年,安托万·拉瓦锡发布了包括33种化学元素的列表。拉瓦锡将元素归类为气体、金属、非金属和土质;1829年,约翰·德贝莱纳观察到许多元素能根据化学特性三个成组,例如锂、钠和钾便能归为软而活性的金属,且发现每组的三个元素按原子量排列时,第二个元素往往大约是第一和第三个元素的平均(三耦律,law of triads);1850年,德国人培顿科弗宣布,性质相似的元素并不一定只有三个;性质相似的元素的原子量之差往往为8或8的倍数。1862年,法国化学家尚古多创建了《螺旋图》,他创造性地将当时的62种元素,按各元素原子量的大小为序,标志着绕着圆柱一升的螺旋线上。他意外地发现,化学性质相似的元素,都出现在同一条母线上。1863年,英国化学家欧德林发表了《原子量和元素符号表》,共列出49个元素,并留有9个空位。1858年,凯库勒观察到碳通常和其他元素以1比4的比例结合,如拥有1个碳原子和4个氢原子的甲烷,这一概念后被称为化合价;1865年,英国化学家约翰纽兰兹(John Newlands)将56中元素按照性质区分为11族,发现当元素按原子量递增的顺序排列时,每隔8个元素,物理和化学性质会重复出现(接近元素周期律);1869年,门捷列夫提出元素周期表,以原子量横向或竖向排列元素,并在元素特性重复时另开行列;1913年,亨利ž莫塞莱利用实验决定了原子和核子电量,发现元素周期表应该按照原子序排列;门捷列夫创造元素周期表后,化学家不断在自然界中发现新的元素,填补当初的空格,一般认为最后一个发现的自然元素是钫,发现于1939年;通过制造超铀元素,周期表经过极大的扩充,从1939年合成的镎开始。由于许多的超铀元素都高度不稳定并很快经历核衰变,因此这些元素在产生后的探测十分困难。最新命名的元素为Nh、Mc、Ts和Og,于2016年11月28日正式获得认可。

  (胡憾石 清华大学/张如范 清华大学)

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Q

为何说亨利·莫塞莱才是化学元素理论的开创者?他与门捷列夫对比是怎样的一种关系?如何理解?这种关系在今天留给了我们怎样的思考?

A

  在亨利·莫塞莱之前,包括门捷列夫在内的化学界普遍认为化学元素的序数由原子量所决定。但是亨利·莫塞莱发现实验中测得的X射线波长与X射线管靶中的金属元素原子数之间有系统性的数学关系。这被物理学界称为莫塞莱定律,并且根据这一定律,依据元素特征谱线的频率得出原子序数。莫塞莱以令人信服的方式证明,化学元素的原子序数并非由原子量决定,更非门捷列夫主观推测的那样,而是依据科学实验的客观结果所获得的。另外,通过更多的实验和计算,莫塞莱预测了元素周期表中有若干暂未被发现的空缺位置(锝、钷、铪、铼)。莫塞莱的工作虽然并没有对门捷列夫的周期表作重大的改动,但却可以使各种元素在周期表中应处的位置完全固定下来。亨利·莫塞莱在化学元素理论上的发展,告诉了我们在科学研究上,不能简单地以主观直觉来描述问题,而是应该通过严谨地分析和寻找可量化的科学指标来开展科学研究。

  (胡憾石 清华大学)

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Q

对于氢在周期表中的位置现在有定论吗,它应该属于哪一主族或副族呢?

A

  对于氢在元素周期表中的位置,目前是有争议的。例如,有人把氢在周期表的位置从第ⅠA移至第ⅦA,从电子排布上,氢的最外电子层上有一个电子,还差一个就可以形成稳定结构,而ⅦA族的元素最外电子层上有7个电子,还差1个形成稳定结构。从化合价上,氢元素有-1价,而ⅦA族得大部分元素都有-1价。综合以上两点,把氢在周期表的位置从第ⅠA移至第ⅦA有一定道理。氢的这些独特性质是由氢的独特的原子结构、氢原子特别小的半径和低的电负性决定的。因为它的性质与碱金属和卤素的性质都不相同,使得很难把它放在周期表中的一个合适位置上。

  胡憾石 清华大学/ /张如范 清华大学

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Q

第一个被发现的元素是哪个?

A

  1669年德国化学家Henning Brand发现的磷是已知的第一个被发现的元素。当时通过隔绝空气来加热浓缩的尿液(urine),在蒸馏瓶的底部发现了白色的物质,该物质能够迅速燃烧且产生呛人的烟雾。但布-兰德却并未发表这一发现。1680年,英国化学家罗伯特-波义耳也发现了磷。

  胡憾石 清华大学/张如范 清华大学

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