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門捷列夫時期的元素周期表和現在的版本有什麼不同？

03-25

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考慮到時代背景和科學發展的話……

N. ?zdin et al. the History of the Atom, the Periodic Table, and Radioactivity, Zembak

盜一張圖，Nuh ?zdin等人的書：N. ?zdin et al. the History of the Atom, the Periodic Table, and Radioactivity對此做了詳細講解。

這一張表的牛比之處不僅在於總結了當時已知的所有元素，還預言了不少尚未被發現的元素，更牛的是未知的元素很快被實驗證實了！要知道，理論指導實驗，可是研究理論的工作者的Holy Grail啊！

扯遠一點，這裡介紹一個我們中國理論化學的驕傲：

http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab38/info47714.htm?

www.nsfc.gov.cn

看上去，是一個理論聯繫實驗的工作。可是這背後的故事卻很長。當年是唐敖慶親自啟動了這個研究項目，還開發了第一代演算法，運用群論估算，預測可能存在的平面硼單質化合物，指導實驗製備。後來的研究從平面發展到了立體，取得了重大進展。

有人看了門捷列夫的「周期表」，可能會爭辯說，這種「理論」，有什麼好的？有了量子力學不都解決了？根本沒有涉及「深層次」的原理！一點也不高大上！但是任何科學進展都具有強烈的時代背景。需要認識到，當年可是連汽車都沒有普及的年代。科學研究的成果要傳播，還靠的是信紙和郵差。這個周期表背後的信息搜集和整理、分析工作，一點不比今天的「大數據」從業人員輕鬆。而且不僅僅需要描述已有的數據，還要具有深刻的洞察力，把握數據背後的規律，「再往前走一小步」。

再者說來，物理學的理想氣體狀態方程、郎道二級相變理論，也都是唯象的理論，但是卻能有大用、干大事。我本科畢業論文，用電弧法製備 { m{C}}_3{ m{N}}_4 ，也是用的理想氣體狀態方程來解釋預測了金屬反應釜內的壓強、溫度關係；用理想的低溫等離子體狀態方程，解釋預測了反應過程中的電壓、電流關係，都跟實驗符合得很好。又想起來，當時我做本科畢業論文，TEM電鏡照片需要自己去抽真空，開機、自己去照、自己洗照片、挑底片！當時做了240多張照片，現在孩子們用滑鼠點點就能照出來一大堆，也會覺得我的本科畢業論文沒什麼技術含量的。

這裡放幾個後來的其他樣式的周期表：

門捷列夫時期的元素周期表和我們現在見到的還是有一定區別的，元素周期表本身的出現與演變就是一件很有意思的事情。在元素周期錶的歷史上，有三個非常重要的里程碑事件，可以說元素周期表的出現與完善反應了在化學的嬰兒時期，人類對化學的認識。

里程碑1：原子論與定量化學

首先我們從對元素的認識開始。這在我們今天看來是很簡單的問題，可是對於當時的人來說，界定元素是一個非常困難的問題。讓我們來看看第一張元素表，由不幸被送上斷頭台的拉瓦錫同學貢獻。

從拉瓦錫的元素表我們可以看出，當時人類對於元素的看法是比較模糊的，其中大部分和我們現在觀念中的元素一致。但是非常不幸的是由於條件限制，導致相當一部分化合物與基團被當成元素。甚至還有諸如光，熱這類涉及能量的的過程也被當成了元素。

但是從拉瓦錫開始，化學工作者開始採用計量法研究化學過程。與拉瓦錫同時期的道爾頓提出和豐富了現代的原子論觀點，這可以說是元素周期表出現前的第二個里程碑。於此同時，化學家開始測定對原子量進行測定，在之後的研究中，陸陸續續地發現一些化合物實際上由更加基本的單元組成，而在此之前被認為是元素的化合物陸續被發現是一系列元素的組合。隨著原子量的測定以及各種新元素陸續發現，人類從大量實踐中發現元素之間似乎存在相似性。

以上為元素周期表，在這裡特別標註了每一種元素被發現的時間

當然現在我們用元素周期表的目的就是為了推測元素的化學性質，最早進行這個嘗試是在1829年。有個叫貝萊納的化學家發現一些元素之間化學性質相似，而且他們的分子量存在一定關係，這些元素三個一組，原子量剛好呈現等差數列，當時把這個規律叫做三素率。從現在觀點來看，他發現了部分同族元素化學性質相似的特點，非常可惜的是當時發現的元素太少了，還不足以讓他歸納出元素周期率。

截至1829年被發現的元素，其中紅字部分標出的涉及三素率的15組元素

到了19世紀60年代，大部分元素已經被發現了。同時元素性質隨分子量增大產生的周期性變化也引起了化學家的注意。所以後來又有了所謂八音率，八音率表大概在1865年的時候由化學家紐蘭提出。

8音律元素周期表劃分

八音律元素周期表用今天的觀點來看是非常奇葩的，從這個圖中我們可以看出，這個元素表將元素分為七組，每組8個元素。如果用現在的元素周期表重現的話會發現非常多的元素族的劃分都是有錯誤的。造成這個錯誤的原因就在於：首先，當時對化學反應的認識有限，有些區別很大的反應被認為是一類反應，這要導致了紐蘭牽強附會地將某些元素強塞進錯誤的族。其次，有一些元素沒有被發現，在製作8音表的過程中沒有認識到這一點，為這些元素留出空間。最後，相當一部分元素的原子量測定有問題。

8音律元素周期表，可以說離成功就差一步，歸根到底還是紐蘭不夠仔細，當然在那個時代做出這樣的工作也是難能可貴了。紐蘭在當時可以算人才了，但是在同一時期的門捷列夫就是天才了。門捷列夫提出元素周期表的時間在1867年，此後又在1871年修正了一版。可以說只比紐蘭晚了幾年，在這幾年中新元素與新化學反應的發現實際上並不多。但是門捷列夫對前人工作的總結能力明顯強於紐蘭。同時他還認識到關鍵的兩點，那就是元素周期表中有一些空位要留給沒有發現的元素，同時他還預言了很多元素的分子量的測定存在錯誤。

我們現在來看看門捷列夫的元素周期表，第一幅圖為原版元素周期表，第二幅圖為原版與現在版本的對比。

門捷列夫的元素周期表將元素分為8個族，5個周期，每一個族由典型元素和5個周期組成，每個周期還專門列出了I類與II類元素，相當於我們現在概念中的主族與副族。同時對於未發現的元素，門捷列夫專門留出了空間，同時還質疑了一些已有元素的分子量。在門捷列夫元素周期表的指導下，人類相繼發現了一系列新元素，進一步驗證了元素周期表的可靠性。實際上門捷列夫編製元素周期表的時候除了參考元素化學性質之外，還充分考慮了元素的氧化物與氫化物分子式的關係，使得元素周期表能夠正確的與元素化合價進行關聯。對比今天的元素周期表，可以說門捷列夫元素周期表元素的族劃分基本正確，這在當時人類還沒有建立原子結構模型的條件下是非常難能可貴的。

門捷列夫時代的元素周期表已經和我們現在的非常類似了。比較大的區別在以下幾點，首先少了稀有氣體，畢竟當時稀有氣體並沒有被發現，因此這一點情有可源。其次在周期較高的情況下對於部分鑭系與錒系元素的排列尚有錯誤，這是由於鑭系與錒系元素周期大，發現晚而且元素性質過於相似，難以分離，對其化學上的研究並不充分。最後，部分元素的主族與副族的劃分存在問題，這在第一族與第二族的元素中比較普遍。

里程碑3：原子結構的認識與現代元素周期表

在19世紀，人類認識元素周期最大的困難還是在於對原子結構不了解，所以對周期的認識是非常局限的，可以說門捷列夫的元素周期表在這個背景下是人類對元素化學性質歸納總結的極致。而到了20世紀隨著原子結構認識進一步的深化，以及量子化學的發展，元素周期律迎來了第三個里程碑，我們現在的元素周期表基本上是按照電子的排布來排列了，因此能更加精確地反映元素的化學性質。

簡短的講一講元素周期錶的歷史。

事實上，門捷列夫（Dmitri Mendeleev）並不是第一個嘗試給各種化學元素排序的人，在他之前幾十年，約翰·道爾頓（John Dalton）曾試圖為這些元素創造一張表格和一些很有趣的符號，但它們沒能流傳開來。

Dalton所著《A New System of Chemical Philosophy (1808)》一書中的原子符號

（補一張清楚一點的圖，非常有趣而形象的原子符號）

而且就在門捷列夫創建周期表的幾年前（1864年），約翰·紐蘭茲（John Newlands）也創建了一張根據元素物理性質對其進行分類的表格，他同時也創造了化學中的周期性（Periodic）一詞。

Newlands的元素分類表格

同年，與門捷列夫一同在羅伯特·本生（Robert Bunsen）手下工作的德國化學家羅塔爾·邁耶爾（Julius Lothar Meyer）比紐蘭茲更進一步發現了隱藏在各種元素里奧秘，並指出如果按照原子量給元素排序分類的話，每組元素之間的物理、化學性質會非常相似。

Julius Lothar Meyer在其著作《Die modernen Theorien der Chemie (1864)》中的元素周期表

但是，門捷列夫的天才之處體現在他為元素周期表留出的空白之中。他意識到某些元素是缺失的，還有待被發現。道爾頓、紐蘭茲和其他人只是將已知的元素進行排列，只有門捷列夫為未知元素留出了空間。更令人驚訝的是，他準確地預測了缺失元素的性質。

Mendeleev在其元素周期表上為未知元素提供了空位（圖中的？）

例如，在鋁（Al）的右側有留給某種未知金屬的位置（"？=68"），門捷列夫預言它的相對原子質量為 68，密度為 6 g/mL，熔點很低。六年後，保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭（Paul émile Lecoq de Boisbaudran）分離出了鎵（Ga），完美填補了這一空缺——它的相對原子質量為 69.7，密度為 5.9 g/mL，熔點很低，甚至能在人的手裡熔化成液體。門捷列夫也對鈧（Sc）、鍺（Ge）和鍀（Tc）作出了同樣的猜測，但直到 1937 年人們才發現了鍀，那時他已經去世 30 年了。

1871年Mendeleev的一張更系統化的元素周期表

要說門捷列夫的元素周期表和現代元素周期表有什麼區別，最明顯的就是現代元素周期表不僅補充門捷列夫空缺的元素，也補充了許多當時不為人知的元素（主要是稀有氣體元素和大部分放射性與人工合成元素），另外二者的排列方式有一定差異，現代元素周期表排布要更為合理。

現代元素周期表（圖源見水印）

另外，歷史上還有許多的奇形怪狀的元素周期表，這裡就不一一贅述了（不過還是補幾張圖，哈哈）。

Theodor Benfey的螺旋周期表（1964）

另一種螺旋周期表（作者見水印）

3D版的元素周期表

參考資料與引用來源

  1. https://www.sciencehistory.org/historical-profile/john-dalton
  2. https://en.m.wikipedia.org/wiki/History_of_the_periodic_table
  3. https://en.m.wikipedia.org/wiki/John_Newlands_(chemist)
  4. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Julius_Lothar_Meyer

現在的有稀有氣體，還有人造元素。

2019-03-15

整理了Demitri Mendeleev 在 1869 年的周期表，首先，發現此表格的行列與現代元素周期表正好相反：周期為行，族為列。其次，從現在的眼光來看，準確率還是很高，他所列出的 67 個元素中，有 4 個不確定（?部分，綠色）、2 個不在新元素周期表（紅色），及 6 個則估算錯誤（藍色）。

門得列夫1869年的周期表。注意此表格的行列與現代元素周期表正好相反：周期為行，族為列。

其中，標示？分別是 _{21}^{45}Sc 、 _{31}^{69}Ga 、 _{32}^{73}Ge 及 _{72}^{179}Hf ，在新元素周期表以黃色框顯示。而 2 個未在新元素周期表出現的是 YI 及 DI。至於 6 個在元素表有該元素，但原子量明顯不符的有 _{49}^{115}In 、 _{76}^{190}Os 、 _{57}^{139}La 、 _{58}^{140}Ce 、 _{68}^{167}Er 及 _{90}^{232}Th，以紅色框顯示。

元素周期表

把這些問題修正後，就可以看出除了第 3、18 族元素沒列出外，就剩下 _{39}^{89}Y 、 _{43}^{98}Tc 、 _{44}^{101}Ru 、 _{46}^{106}Pd 及 _{75}^{186}Re 這幾個沒放進去。但那個年代放射性元素本來就還沒發現，這裡就可以看出前人的智慧之高了。

Ref.:

元素周期表為什麼有「周期」？?

www.zhihu.com圖標

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