沿用150年的元素周期表,现在可能需要更新换代

神译局 · 2019-10-08
在万象更新的今天,传统的元素周期表也已踏入了过时的行列……

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编者按:门捷列夫的元素周期表伴随了我们已整整150年,但在这期间内,化学家们却仍然致力于根据最新的发现来修改和完善它,随着越来越多的元素被发现和合成,元素周期表的形式也变得五花八门。本文译自《纽约时报》中原标题为“Is It Time to Upend the Periodic Table”的文章,本文作者Siobhan Roberts。 

沿用150年的元素周期表,现在可能需要更新换代

Alex Eben Meyer

英国诺丁汉大学的化学家Martyn Poliakoff,知道了一个叫作元素周期表战舰的游戏后,忍不住便开始想象其元素的反向舰队,也就是对手玩家的观点。

没想到,Poliakoff的这个念头催生了一个疯狂的想法。5月,恰逢联合国教科文组织庆祝国际周期表诞生150周年,Martyn及其合作者,包括他的女儿——曼彻斯特大学实验心理学家Ellen Poliakoff共同发表了一篇论文,其中提出了一项建议,那就是大刀阔斧地改革元素周期表。

“自1869年以来,几代化学家提出了多种针对元素周期表形式的变化方法,为的就是让它变得更加清晰,或者说更加有趣。”他们这样写道。

由俄罗斯化学家门捷列夫初步设计的标志性元素周期表已经发展成按照原子序数排列的化学元素的二维排列,通常为18列。它展示了一种模式化的方法和趋势,让科学家能够预测元素属性,反应性,甚至是新元素。它被称为“大自然的罗塞塔石碑”、“化学家的地图”和“可能是迄今为止设计最紧凑和最有意义的知识汇编”。

Gregory Girolami在和妻子Vera Mainz的联合采访中说:“这就好比看一张美国地图,如果我在缅因州,就可以看出那儿的气温会低于我在佛罗里达的温度。”他们二位都是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的无机化学家,并在今年和雪城Le Moyne学院的化学家Carmen Giunta共同组织了一个150周年的学术研讨会,这个研讨会在圣地亚哥召开的美国化学学会全国会议召开期间期间举行。

“如果你告诉我一个元素在某个地方,”Girolami博士说,“我可以告诉你很多关于它的事情,比如它是否是金属,在地球上储量是否丰富,只需要注意它在元素周期表中的位置就可以了。”

Mainz博士补充说:“如果你想和一个外星种族交流,那就建一个元素周期表,因为它的排布是通用的,不管你身在何处。”

互联网数据库中的元素周期表有1000多个版本,包括元素稀缺表,有形似蛋糕、钟表、乐高和三行诗的周期表,还有一些更多的技术改编。数学家、音乐家Tom Lehrer将其加入到音乐里(吉尔伯特和沙利文),还有意大利化学家、作家和奥斯威辛集中营幸存者Primo Levi还把它当作特殊的回忆录(即“元素周期表”)的基础。

“许多人似乎相信只有一个真正的元素周期表,无论是已经存在的还是正在等着被发现的,他们都会不遗余力地讨论着不同类型元素周期表的有效性,”Poliakoff博士这么说,他是个在Brady Haran制作的元素周期表系列视频里的YouTube名人。(在A.C.S.会议上,Poliakoff博士获得了一份殊荣,为表彰他为普罗大众清楚解释了什么是化学。)“我的感觉是,大多数类型的化学元素周期表都同样有效,只取决于你想要的内容。”

反转(the upside down)的版本旨在展示一个全新视角的价值观。作者们写道:“我们并没有声称我们的版本比传统的更“正确”,“但从一个新的观点看问题往往会催生出新的想法。”

为什么不按照字母顺序排列呢?

元素周期表给长期以来一直比较弱的调查领域带来了稳固性。牛顿先生,在他1717年的著作《光学》里第31个疑问中,根据反应性列出了化合物,并对其进行排序。1718年,第一个“亲和表”是由法国化学家Étienne François Geoffroy制作的,它以图形的形式对材料的反应性进行了排序,亲近大自然的观察家指出,某些化学元素如锂,钠和钾——如今被称为碱金属——都是软的,可以漂浮在水面上。但是这种定性分类仅仅提供了一个不稳定的基础。

突破始于1860年,当时的意大利化学家Stanislao Cannizzaro为原子量的讨论奠定了基础。在当时,有一些相互冲突的原子量循环列表,以及关于是什么构成了原子与分子的不同假设。Cannizzaro列出了已知元素的原子量列表,以及价值观的基本原理,并在德国卡尔斯鲁厄的一次会议上作为小册子发布了。

加州大学洛杉矶分校的历史学家和科学哲学家Eric Scerri说:“在大约7年的时间里,最初由我所谓的六个人同时发现的成果,在门捷列夫的时代达到了高潮。”Eric Scerri在元素周期表发展史方面也是个专家。(他的书《元素周期表:关于它的故事和意义》,将于10月被牛津大学出版社更新再版)。

1862年,法国的地质学家Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois制作了一个三维桌子,在它的金属圆柱周围刻着元素。根据“八行周期律”,伦敦的糖化学家John Newlands按照原子量来排列元素,八个一组。

“它会被嘲笑和摒弃的,“Scerri 博士说道。(当一个评论家问他,为什么不按字幕顺序排列元素?)

英国化学家 William Odling发现了“周期律”——一个元素族的性质,这些元素大致以规律的间隔重复出现。丹麦移民美国的Gustavus Hinrichs提出了径向排序。“我把它叫作自行车轮周期表,”Scerri博士说。

德国化学家Lothar Meyer在1864年创建了一个部分周期表,接着在1869年给出了一个更完整的版本。凯斯西储大学的科学历史学家Alan Rocke认为:“在结构上,Meyer和门捷列夫的周期表非常相似”,他在A.C.S的周年研讨会上发表关于Meyer的言论时这么说。

Rocke博士说,最初,元素周期性及其卓越的预测能力似乎是一个“数学谜题”。在20世纪,元素周期性由量子物理学解释——特别是物理学中电子如何围绕原子核运动的部分。锂,钠和钾,很好地排列在表的第一个垂直柱里——即第一组,碱金属,铷,铯和钫——在它们的外电子壳中都有一个电子。

这两位化学家多年来制作了许多的周期表,并根据新发现和更好的数据不断进行调整。但最终门捷列夫的元素周期表胜出了。当不同形式的周期表出现差异时,他便对应该出现的元素做出预测。虽然有些预测是不对的,但他却准确地预言了三种元素的存在:镓,锗和钪。

“预测在心理上是富有戏剧性的,”Scerri博士说。“如果一位科学家预言某事并且变成事实,那么科学家就会知道自然的秘密,或者可以说是几乎了解了未来。”

但科学很少通过革命推进,Scerri博士说:“科学是由数十万研究人员开展的一项活动,而这些活动都有助于最终出现的大体情况。”

这也是这次周年纪念会的主题。费城科学历史研究所的化学历史学家Brigitte Van Tiggelen讨论了关于发现铼的德国化学家Ida Noddack和奥地利瑞典物理学家Lise Meitner的工作,其中,Lise Meitner曾与Otto Hahn一起发现了镤元素。Van Tiggelen博士是这本叫作《女性元素》的新书的编辑,这本书探讨了30多个类似的故事,当然包括发现了镭和钋的居里夫人,她因为这个赢得过两次诺贝尔奖。

“我们把展示传播这些故事当作了一个公共的事业,”Van Tiggelen博士说。 

再见,炼金术

在其众多成就中,元素周期表使化学最终摆脱了炼金术的污点。牛顿在这方面没什么建树:根据牛津英语词典描述,他沉迷于“Chymistry”——即炼金术的同义词,以及识别能把贱金属转化为金的魔法石。

多年来,印第安纳大学的科学历史学家William Newman一直在实验台上重复着牛顿的工作,而最近,他正试图找出牛顿的啤酒中所含的成分。

“牛顿所制造的一些化合物不在我们的数据库中,”Newman博士说,他最近出版了一本书,叫作《炼金术士牛顿:科学,谜团和寻求自然的“秘密之火”》,“他总结了在300年后仍未发现的新材料。”

即使已经在现代科学的光明照耀下,化学反应却依然深深吸引着人们的目光,Scerri博士说:“在物理混合中,当你将A物质与B物质混合时,你会得到一些他们的总和。”但在化学中,A与B结合后,你会得到一些具有新性质的东西。

比如,我们看看钠,这种银色的有毒金属,和氯,这种绿色的有毒气体产生的反应。“当他们一起发生反应后,会产生出与它们二者截然不同的东西,不仅无毒,”——而且是白色的结晶——“它就是对生命至关重要的,我们所说的盐,”Scerri博士说。“这简直是太神奇了”。

一种炼金术在元素周期表即将迎来光明之前还起着作用,核物理学家和放射化学家用新元素打破了界限。可以说,地球上自然存在的最重的元素是铀,其原子序数为92(原子核中有92个质子),虽然已经发现了微量的镎(原子序数为93)和钚(原子序数为94)。但是元素周期表包含的不仅只此,迄今为止最重的118号元素,oganesson,是个“超重”元素,它含有118个质子,半衰期为半毫秒。它最初于2002年由Yuri Oganessian和在莫斯科北部杜布纳联合核研究所的一个俄美跨洲研究小组研发而成的。

从2020年开始,科学家们将尝试着在一个新落成的超重元素工厂,用灵敏度高100倍的实验仪器合成119和120号元素。他们希望能达到“稳定岛”,这是一个元素周期表的假想区,由寿命更长的超重元素所组成。

就像潘多拉的盒子一样,超重元素的发现也产生了一些棘手的问题,Oganessian博士说。这些元素的表现方式是否与周期表预测的方式相同?但到目前为止,只有一些行为上的偏差是预料之中的。但随着原子序数的增加,偏差也将迅速增加,这就挑战了元素周期表系统的完整性。

元素周期表会继续走下去吗?抑或正如赫尔辛基大学的计算化学家PekkaPyykkö所说,他2016年论文的标题是:“周期表一切都是正确吗('PT OK')?”也许,通过修改后是可以这么说的,他总结道。Pyykkö博士制定了一个周期表,对元素进行化学分类,最大的原子序数能达到172。

然而,Pyykkö博士却指出,发现最重的超重元素的概率,可要比在东京打高尔夫,还能再在富士山顶一杆进洞的可能性都要低的。

如果科学家们比较幸运的话,所产生的超级超重元素甚至可能有奇形怪状的原子核,就像甜甜圈似的。

“没有人真的相信这些,”Pyykkö博士说。“但这却是一种理论上的可能性。”而另一种可能性是一种原子核,含有超乎寻常的数量的质子,或是中子,又或在理想的情况下,质子和中子都存在——也就是说,有足够多的数量就可以排列成完整的亚原子壳了。

“其中许多存在的双核神经核往往是具有最高的稳定性。”Pyykkö博士说。“如果你能找到双倍的超乎寻常的原子核,那么你就拥有了一个千载难逢的好机会。”

译者: Hailey

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