“化學(xué)天才”門捷列夫
元素周期表是近兩百年來最具變革性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。在19世紀(jì)60年代早期，人們信仰原子論，原子論認(rèn)為元素由原子構(gòu)成。為了探索和研究這些已知的元素，俄羅斯的天才化學(xué)家德米特里·門捷列夫（1834—1907）將這些已知的元素按照一定的規(guī)律，排列到一張簡單的圖表中。就這樣，在沒有借助任何科學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)的情況下，僅僅是用了一支筆、一張紙，元素周期表便誕生了。
當(dāng)時(shí)，人們已經(jīng)知道物質(zhì)是由元素組成的，并且有62種元素被確認(rèn)存在，構(gòu)成這些元素的原子有屬于自己的質(zhì)量數(shù)。所謂原子質(zhì)量數(shù)，是指中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之和。原子由原子核和核外電子組成，原子核又由質(zhì)子和中子組成，因?yàn)楹送怆娮淤|(zhì)量非常輕，所以當(dāng)時(shí)在計(jì)算原子質(zhì)量的時(shí)候，通常將核外電子質(zhì)量忽略不計(jì)。
門捷列夫把這62種元素按照原子質(zhì)量數(shù)排成了一行。然后他意識(shí)到，在這一行里，具有相似性質(zhì)的元素竟然呈現(xiàn)出一定的周期性。
于是，門捷列夫把這一長行里的化學(xué)元素拆分成較短的行，將相似的元素排在同一列的上下位，這就是他提出來的元素周期表的第一個(gè)版本。在這一版本中，左起第一列的元素包括鋰、鈉和鉀——這三種元素的共同點(diǎn)是在室溫（通常是指20℃左右）下呈固態(tài)，容易失去光澤，且和水混合時(shí)反應(yīng)劇烈。
后來，門捷列夫發(fā)現(xiàn)，元素的這些相似性質(zhì)總是間隔一段后再出現(xiàn)。他對(duì)元素相似性質(zhì)的周期性進(jìn)行總結(jié)歸納，提出了“周期定律”，這些相似性質(zhì)包括電負(fù)性、電離能、金屬特性和反應(yīng)活性。
1869年，門捷列夫首次發(fā)表了元素周期表。隨著研究不斷地深入，他偶爾會(huì)調(diào)整陣列，打破一些元素固有的排列順序，有時(shí)還會(huì)在周期表里留出一些空白的位置。比如在原始表格中，砷的位置在第4周期第13族，但門捷列夫認(rèn)為砷的性質(zhì)與第15族的元素更相似，就把砷移到了第15族，而把那一排第13族和第14族的位置空了出來。
元素鎵和鍺的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了元素周期表的偉大，因?yàn)檫@兩種元素的性質(zhì)與砷前面預(yù)留的空白位置完美契合。在接下來的150年里，氬、硼、氖、釙、氡等越來越多的元素被發(fā)現(xiàn)或者合成，每一種元素都在表格中有一個(gè)固定的位置。目前元素周期表中共包含118種元素。
盡管門捷列夫根據(jù)元素的性質(zhì)，對(duì)元素周期表進(jìn)行了簡單的重排，但是在他的有生之年，元素周期表仍然是按照相對(duì)原子質(zhì)量排序的。直到1913年，亨利·莫斯利才證明了元素排序的潛在依據(jù)不應(yīng)該是相對(duì)原子質(zhì)量，而是“原子序數(shù)”。原子序數(shù)等于原子中的質(zhì)子數(shù)，質(zhì)子帶正電荷，所以原子序數(shù)等于原子核所帶的正電荷數(shù)。后來，人們又發(fā)現(xiàn)原子核外的電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相同，這樣就使原子整體不帶電。莫斯利的研究結(jié)果顯示，還有更多的未知元素有待探索，因?yàn)橹匦戮幣诺谋砀裰谐霈F(xiàn)了更多的空白。
現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)，原子序數(shù)即質(zhì)子數(shù)決定了元素的種類，但是中子的數(shù)目也非常重要。因?yàn)橹凶訑?shù)的不同，使得同種元素又存在著同位素。舉個(gè)例子，只有一個(gè)質(zhì)子的原子統(tǒng)稱為氫原子，自然界的氫元素又以氕、氘、氚三種同位素的形式存在。最常見的是氕，氕原子中不含中子，氘原子中含有一個(gè)中子，氚原子含有兩個(gè)中子。它們還有可能合成更多的同位素，如果用氘核轟擊氚，就可以生成原子中含有一個(gè)質(zhì)子和三個(gè)中子的第四種同位素。這種同位素的性質(zhì)極不穩(wěn)定，會(huì)迅速衰變成一種天然同位素。
門捷列夫的元素周期表可以預(yù)測未被發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，這也讓化學(xué)家們對(duì)原子本身有了更深刻的理解。他們意識(shí)到，同周期或者同族元素的相似性取決于原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。原子中的電子分層排布，每一層能分布的電子數(shù)都是有限的，第一層最多只能排布兩個(gè)電子，第二層和第三層分別最多只能排八個(gè)電子。
隨著原子序數(shù)的增加，核外電子軌道逐漸被電子排滿，元素周期表中同一族的元素最外層電子數(shù)相同（價(jià)數(shù)相同）。核外電子的數(shù)量和排列決定了原子的化學(xué)性質(zhì)，在化學(xué)反應(yīng)中，原子得失電子并重組形成不同的分子。最外層電子數(shù)飽和的元素，如氦、氖和氬等，性質(zhì)穩(wěn)定，不太容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；最外層電子數(shù)不飽和的元素，化學(xué)性質(zhì)更
活潑。
另外需要注意的是，即使是相同數(shù)量的電子，如果排布方式不同，也會(huì)導(dǎo)致原子之間鍵合方式的差別。比如，金剛石、無煙煤和石墨，是碳的三種同素異形體，它們都由碳原子構(gòu)成，但因?yàn)樵娱g的鍵合方式不同，導(dǎo)致性質(zhì)截然不同。
目前為止，我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，都是以門捷列夫的元素周期表為基礎(chǔ)的。元素周期表如同一把重要的鑰匙，帶領(lǐng)我們解鎖奇妙的微觀世界。元素周期表的誕生與發(fā)展，都是基于原子論的發(fā)展和完善才得以實(shí)現(xiàn)的。
原子論在19世紀(jì)獲得了廣泛的認(rèn)可，它的提出者——約翰·道爾頓作為一名業(yè)余科學(xué)家，簡直就是個(gè)天才。他常常是一個(gè)反對(duì)者，所以被英國的大多數(shù)高校拒之門外，之后在盲人哲學(xué)家約翰·高夫那里接受了學(xué)習(xí)。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)原因，道爾頓不得不離開激進(jìn)的曼徹斯特“新學(xué)院”，但是他沒有放棄實(shí)驗(yàn)研究，并在天氣預(yù)報(bào)、氣體運(yùn)動(dòng)、色盲等領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。
道爾頓一生中最重要的貢獻(xiàn)無疑是原子論。在探索元素之間可預(yù)測和有規(guī)律的結(jié)合方式（例如，構(gòu)建化合物的各種元素的確定比例）的過程中，道爾頓首次提出了“原子量”的概念。1810年，他確定了氫、氧、氮、碳、硫和磷的原子量。
道爾頓的這一發(fā)現(xiàn)——每種特定的單個(gè)原子的質(zhì)量都是固定的，為隨后幾十年的化學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并衍生出了門捷列夫的元素周期表。
現(xiàn)在，我們已經(jīng)對(duì)原子論和元素周期表的發(fā)展及重要性有了一定的了解，接下來讓我們按照原子序數(shù)，跟隨已知的118種元素進(jìn)行一次不可思議的化學(xué)之旅吧。
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