关于元素周期律近现代发展的思考

关于元素周期律近现代发展的思考

1、韩子悦

（1、河北师范大学马克思主义学院 河北石家庄 050024）

摘要

门捷列夫的思想之所以成为了化学的历史长河中闪亮的一笔，是因为其原理蕴含着具有现代性意义的科学思想。比如他认为在研究中不应该只单纯的收集事实，重点应该是将这些事实提高到理论的高度；科学研究不应该只停留在单纯的图纸上，而是应该形成一种理性的思维。门捷列夫虽然是一名化学家，但在科学研究中他的思维更具有一种唯物论和辩证法的态度，他紧紧把握住了物质世界中事物的相互联系以及质与量的辩证关系才正式我们应该吸收的科学思想。

他的元素周期律揭示了自然界物理现象背后的客观规律，为当时的化学家们提供了一种事物内部以及事物之间相联系的思想，概括已有的化学知识并使无机化学进入到系统化研究的阶段，同时也激发了人们探索自然界新元素的热情。元素周期表和元素周期律构成了近代化学研究的基础，进一步，推动了人们对于原子核、核外电子以及物质结构的深入研究，为链接量子力学、核物理等现代物理学和现代化学提供了重要纽带。

文章第一部分说明本文的研究背景以及意义；

第二部分说明元素周期律的发展历史；

第三部分说明现代元素周期律的科学思想。

关键词：元素 现代元素周期表 元素周期律 

一、研究背景及意义

随着化学元素的发现日益增多，原子量的测定更加准确，元素及其化合物的性质的研究逐渐全面，元素周期律就逐步被推导出来。元素周期律揭示了各种元素之间的关系以及自然界中各种事物变化的内部规律，这对于探究事物的本原、各种变量间的关系具有重要意义。不仅如此，元素周期表的三种预言元素的发现体现出了严密的逻辑性，将科学家们从以往盲目的寻找单个化学元素的困境中解放出来，提高了探索自然界的现象和物质的目的性和自觉性。进一步，人们就可以依据元素周期表上的空位来有目标的寻找元素，同时也可以根据元素的性质来合成自然界中没有的人造元素。

元素周期律发现的另一个重要的意义是使无机化学的研究进入系统化阶段。在之前的化学发展中，人们只是单独、孤立的发现各种化学元素，元素周期律将各种元素的性质与其在元素周期表中的位置一一对应，这样也可以判断出未知元素的化学性质，进而将先前发现的各种元素纳入一个完整的体系当中。比如：对氧化物、氰化物，以及各种酸、碱、盐等化合物纳入了统一的理论体系，也可以按照规律为这些化合物的性质提供统一的说明，至此之后，元素周期表成为了研究无机化学的一条必经之路。

二、元素周期律

（一） 元素周期律发现前的准备工作

1.元素方面

化学家们虽然已经发现了63种元素，但大部分都是根据理性直观的方式得到的，也就是人们凭借经验，通过肉眼观测物质世界的化学变化进行发现的，比如，通过燃烧认识硫、碳；通过金属冶炼认识金、银、铜、铁、锡、铅等；通过系统分析的方法认识氮、氢、氧、氯等。之后，使得元素周期律得以发现的最为重要的前提是本生和基尔霍夫制成了光谱分析仪并发现了铯、铷和一大批元素，他们开启了光谱分析元素的新时代，同时他们还是历史上第一次在没有得到纯单质的条件下，就能够直接证明发现新元素的科学家。

2.原子量方面

首先是道尔顿的原子论，他认为原子的特征是具有一定的质量且不同元素的原子量是不同的，由于他的理论包含了一些主观色彩，因此导致他未能准确的测定原子量，但同时也成为了后来的化学家们研究原子量的开端。后来的贝采里乌斯在早期原子量的测定工作上作出了卓越的贡献，他继承了道尔顿的原子论又舍去了其中过于武断的因素，他认为一种元素的一个原子可以与其他元素的不同数目的原子进行化合，用简比的方法准确的测定了许多元素的原子量。1819年，杜隆和培蒂在研究了大量的金属单质后，提出了原子热容定律，更加准确的计算了金属的原子量并对贝采里乌斯计算的原子量进行了修正。1820年，米希尔里希在研究酸式磷酸钾和酸式砷酸钾中发现二者具有相同的晶形，并提出了同晶定律，进一步修订了贝采里乌斯计算的铬、铁、铝的原子量。最后康尼查罗不仅继承了道尔顿的原子论，同时也接受阿伏伽德罗的分子说，由此巩固了原子-分子学说，这就为元素周期律的发现提供了坚实的基础。

3.元素符号、化学式和原子价的演变方面

由于特殊的语言符号系统是化学家们进行理论交流和思维表述中十分重要的环节，因此需要对元素符号和化学式进行规范的表达。拉瓦锡十分重视这一方面，他认为随着物质的发现越来越多，化学领域的系统化和条理化规范刻不容缓。于是，他提出元素和化学式的表达应尽最大可能与其特性相符，拉瓦锡也因此成为第一位对元素进行分类的化学家。后来，贝采里乌斯进一步简化了元素和化学式的表达，将代号以每种元素的拉丁文首字母命名，这就为元素周期表的形成提供了重要依据。

（二）元素周期律的发展历程

1.原子量未被准确测量时期

有些化学家试图把一些元素的性质和原子量放在一起进行研究，试图找到各种元素之间的联系，这就是元素周期律的雏形。1819年，德贝莱纳发现性质相似的三种元素的氧化物的原子量有一定的数量关系，如：锂、钠、钾；氯、溴、碘等，但这种“三元素”的分类方法并不具有系统化的意义。1854年，库克将元素分为四系；1857年，欧德林将元素分为13类；1857年，杜马将性质相同的元素称为“同系元素”。直到康尼查罗建立的原子-分子学说出现后，统一的原子量被确认，人们才更近一步探索元素之间的内部联系。

2.原子量可被准确测定时期

1862年，尚古多提出“元素的性质就是数目的变化”的观点并制作了十六等分的元素螺旋图，他发现性质相似的元素都出现在同一条垂线上，并且元素的性质具有周期性重复的特点；1864年欧德林以“元素和原子量”重新修改了此图表，进一步发现元素的性质随原子量的递增出现周期性的变化规律，并且也为未发现的元素预留了空位，以此来表明仍有未知元素与该列元素的性质相似；在十九世纪七十年代，迈尔与门捷列夫几乎同时独立的发现了元素周期律。

3.迈尔的元素周期表

迈尔根据原子量的递增顺序说明各元素的物理性质并列出了六元素表，把具有相同原子价的元素归为一类，指明了原子量与元素特性之间的关系。不足之处是没有为未知元素留下空位，表中只包含了当时已知元素总数的一半，没有从整体上对元素之间的关系进行考察研究。1868年，迈尔重新修改了先前的元素体系，从原子量和原子体积入手，进一步检验了元素的物理性质，即硬度、沸点等。随着原子量的增大，原子体积的变化呈现为五个波峰，波段的峰值都是碱金属元素，反映出了明显的周期规律性，明确指出元素的性质是关于原子量的函数。相较于门捷列夫的元素周期表而言，迈尔则更加注重元素的物理性质；也更加注重对于族的划分，也就是今天的“过渡元素”。

4.门捷列夫的元素周期表

门捷列夫将当时已知元素的名称、符号、原子量、物理性质和化学性质组成为一个系统，认为元素除了特性外仍具有共性。发现元素的化合价也是随着原子质量的增大而变化，也就是原子的性质随着相对原子质量的增大而呈现周期性的变化。1871年，他的第二张元素周期表相较于第一张而言更加系统全面，包括预留了许多空位、能够正确预测未知元素的性质（类铝、类硅），可以根据此表修正先前的原子量等。另外，他还将化学性质不明显的元素集中于表格的右边，形成了各族元素的副族。1875年，布瓦博特朗在分析闪锌矿时，用光谱分析法成功的发现了门捷列夫所预测的镓元素，这也是历史上第一次成功是元素的预测。紧接着，1879年钪和1886年锗的发现进一步证明了门捷列夫元素周期表的正确性，使人们在化学元素的认识方面更近一步。

三、现代元素周期律

（一） 现代元素周期律的科学思想

元素周期律建立后，探究元素的性质随着原子量的增加而呈现周期性变化的原因，很长一段时间内都没有找到十分合理的回答。直至玻尔才为元素周期律给出了合理的解释，说明了元素周期律的真正本质，原子是按照其原子序数来确定核外电子的结构，元素的性质是由最外层电子数所决定，化学性质的周期性也就是原子的核电荷数呈现出周期性变化。不同于门捷列夫以原子量的大小进行排列，现代元素周期表体现出的质的飞跃性在于以原子序数（也就是核电荷数）的递增进行排列，并且将电子层数相同的元素放在同一行（称为周期），将最外层电子数相同的元素放在同一列（称为族）。同一族中，自上而下，最外层电子数相同，核外电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大。

（二） 对近现代元素周期律变化的启发

纵观化学元素的发现史，近代是依靠纯粹的化学方法，再依靠电解的方法，后用光谱分析的方法；现代是通过对元素的放射性分析来发现新元素，再通过粒子加速器、核聚变、核裂变以及人工合成新元素。直至2017年5月9日，中国科学院、国家语言文字工作委员会正式向社会发布113号元素、115号元素、117号元素、118号元素中文名称，分别为“鿭”、“镆”、“鿬”、“鿫”。在对元素周期表的探索中表明，新元素的发现都依赖于科学发现和技术提高上的重大突破，科学的进步是一个循序渐进的过程，人类对知识所作出的每一步努力都是不断地向真理接近的过程。门捷列夫在对元素周期表的探索中强调的归纳演绎法，是通过创造性的形成假设，然后又通过演绎在假设中推出创造性的科学预见，再将实验的知识经过综合分析形成理论。此过程仍表明，人们不再将自然界的元素看作是孤立存在的，而是看做一个具有内在联系的统一整体。

从整体上看门捷列夫的方法论可以得出，在科学探索中坚定唯物主义立场并将辩证法作为研究方法，使门捷列夫在化学史中作出了不可磨灭历史成就。而在探索元素周期表的本质问题上，门捷列夫认为原子并不是不可分割的，但是在后来放射性现象和电子的发现中，却坚持了元素使不可转变的观点。很可惜的未能将辩证法思想贯彻到底，没有在新的科学研究基础上继续革新自己的理论，可见，因循守旧的观点会导致思维上的保守性。同时，现代化学最明显的特征是由经验科学转向理论科学，需要将化学研究进行从静态向动态的转变，这就要求我们在更高的水平层次上把握宏观和微观物质，并把定性和定量的方法相结合。因为现代科学已不再是单纯的对单一事物进行分类与分析，而是着眼于整体、综合地研究事物发展的过程，从而研究事物内部和事物之间的关系。所以，只有自觉地运用辩证的思维，保持敏锐的洞察力和创造精神才能把握时代的脉搏，跟上时代的步伐。

参考文献

一、著作

[1] 凌永乐．化学元素周期律的形成和发展 [M]．北京：科学出版社 1979．38．

[2] 李醒民．科学巨星 [M]．西安：陕西人民教育出版社 1995．52－99．

[3] 林德宏．科学思想史 [M]．南京：江苏科学技术出版社 1985．262．

[4] 袁振东，朱敬． 在科学的入口处: 30位化学家的贡献 ［M］． 武汉: 湖北少儿出版社，2007: 33－37．

二、期刊

[1] 任定成 周宝珠．化学元素发现史的初步分析［J］．自然辩证法通讯 1980（2）：53－57．