元素週期表的歷史The History of the Periodic Table

化學原理啟迪317

1.   現代元素週期表上列舉大量有用的資訊。這一節我們先討論元素週期表的起源，下一節我們將研究如何用原子的量子理論模型解釋元素的週期性質（解釋為什麼同一族的元素有類似的化學性質）。

Mozart: 12 Variations "Ah, vous dirai-je, maman" KV 265

2.   元素週期表一開始的目的，是為了建立元素性質的模式。十八、十九世紀化學產生長足的進步，許多證據顯示地球由許多性質不同的元素組成。地球並不是像古代哲學家所提的是由土、空氣、火與水組成，地球的組成元素複雜多了。

3.   科學家把觀察到的元素與性質排列出來後，剛開始覺得很困惑，但是漸漸地，科學家發現其中的模式規則了。

4.   第一位發現各個元素模式的化學家是Johann Dobereiner，他把三個性質類似的元素歸為一組，例如，氯、溴、碘，用這個方法找到好幾組性質類似的三種元素。

5.   可是，當Dobereiner試著用這三類一組的元素triads去解釋其他未知的元素時，就顯示出這個觀念沒有辦法解釋所有的元素，三類一組的元素觀念顯然有界限、不夠完整。

6.   下一個重大的進展由英國化學家John Newlands啟動，他在1864年建議元素符號表應該用八行octaves為基礎，一排一排往下排列。他注意到某些性質每個八個元素就重複一次，就像音樂的八度音階。雖然這個模型確實成功地把好幾種性質類似的元素分門別類，但是還不算完全成功。

7.   現代元素週期表是在1896年由二位化學家共同發現的，一位是德國化學家Julius Lothar Meyer，另一位是俄羅斯化學家門格列夫Dmitri Ivanovich Mendeleev。

8.   一般公認門格列夫是最大功臣，因為是他指出元素符號表可以預測某些未知的元素確實存在，並且應該具有什麼樣的性質。

9.   舉例來說，1872年門格列夫第一次發表他的元素符號表，當時還不知道元素鎵Ga、鈧Sc和鍺Ge。而門格列夫透過他的元素表中缺漏的位置，準確地預測這些元素的存在與性質。

10. 門格列夫所預測的鍺的數據包括：原子量72，屬於第Ⅳ族。門格列夫的預測值與實際鍺的數值—原子量72.59，屬於ⅣA族—非常吻合，門格列夫就是利用同一族群的其他元素的性質與鍺的相似性來預測的。

11. 門格列夫也利用他的元素符號表修正元素的原子量。舉例來說，銦In的原子量原本被認為是76，76的原子量是來自於銦In的氧化物化學式InO。這個原子量讓銦In雖然具有金屬性質，卻被放置在非金屬區域。

12. 門格列夫認為銦In的這個原子量可能是錯的，提出銦In的氧化物的化學式實際上是In2O3；依據這個化學式，銦In的原子量大約是113，因此銦應該放在金屬元素之間。門格列夫也修正了鈹與鈾的原子量。

13. 門格列夫的元素週期表顯然有用，因此世界各國的科學家都接受他的看法，即使化學界後來因為有更好的版本，而摒棄不用他的版本，門格列夫的元素符號表列方式仍舊十分有價值。舉例來說，現在大家仍舊用門格列夫的元素表列方式來預測預備要尋找的元素。

14. 現代元素週期表與門得列夫的元素週期表的差異是，現代元素週期表依據元素的原子序（質子的數量）排列，門格列夫週期表依據原子量的大小排列。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源：Chem.tamu.edu 

徐弘毅：

1.      科學家相信世界是依據「法則」所建立的，因此組成物質世界的元素也應該有「法則」，因此我們可以從這個世界已經確定的法則去推論元素的週期性。

2.      Johann Dobereiner把三個性質類似的元素歸為一組，這個靈感來源很可能來自於基督教「三位一體」的神學概念。John Newlands從音樂的八度音階得到靈感，推測元素很可能是「八個為一組」重複循環類似的性質。

3.      依據八度音階的概念，德國化學家Julius Lothar Meyer和俄羅斯化學家門格列夫Dmitri Ivanovich Mendeleev，依據元素的原子量由小而大，並參考這些元素的化學性質排出週期表，類似性質的元素在同一列。

4.      門格列夫週期表跟現代週期表有什麼不同？門格列夫週期表依據原子的原子量（質量）由小而大排列，現代週期表依據原子序（質子數量）由小而大排列。

5.      現代週期表修正排列方式的原因，是發現元素的化學性質跟它的最外層電子有關，而最外層電子的數量與質子的數量一致，因此用「原子序」來區隔。

6.      隨著原子核的質量增加，圍繞原子核的最外層電子軌域也變得複雜，因此，最外層電子軌域也從8顆電子就可填滿，變為10顆電子填滿，因此現代元素週期表將元素分為最外層軌域有8顆電子空位可填滿的A族，和最外層軌域有10顆電子空位可填滿的B族。

7.      因為門格列夫是依據原子量由小而大逐步增加排列，因此現代週期表中被區隔為兩類的A族元素與B族元素，在門格列夫週期表中會混在一起，例如第四排由左而右依序是：ⅠA族－鉀K=39，ⅡA族－鈣Ca＝40，ⅢB族？（鈧Sc）＝44，ⅣB族－鈦Ti＝48，ⅤB族－釩V＝51，ⅥB族－鉻Cr＝52.00，ⅦB錳Mn＝54.94。