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中学学过的元素周期表,原来还能变成这些怪模样
发布时间: 2015-03-26

 龙草

对于现在的学生和大部分化学研究人员来说,标准矩形周期表有自己的优越性啊,主要的优点是:

1)直观易查;

2)易于印刷;

3)便于比较基本的化学性质。

现代元素分类的基本属性就是:

1)周期数(核外电子层数);2)族(价电子构型)

所以在传统的矩形周期表上,得知一个元素的周期数和价电子构型,能够很轻松的找到他的位置:

而在矩形周期表上,每个族或者周期的元素的性质都有一定的递变性,所以我们知道一个元素的位置之后,就能分析出这个元素的一些性质来。比如我们一看到 F 的位置,就知道这货的非金属性肯定很强;一看到 Rb 的位置,就能联想到 Rb 元素单质和水反应很剧烈。

但是这种周期表也不是就完全能够反映元素的所有性质的变化。对于一些在常规周期表上不是很明确直观的东西,也有一些别的周期表存在,即所谓 Alternative Periodic Table。

一、非常规的矩形周期表

下面这两个也是“方形”的,列出来是为了解释“方形”的优越性。

1)左排周期表

对于研究理论物理学的科学家来说,一个元素的化学方面的经验性质可能没有太大的意义。最早,他们可能需要很直观的就看出核外电子构型,传统的矩形周期表可能在这方面就不是很方便。1928 年法国工程师 Charles Janet 提出来一种左排元素周期表:

这个周期表的每一横列从左至右是(n-3)f,(n-2)d,(n-1)p,ns 轨道的填充情况:

按照这个周期表的排列,能够直接找出一个元素的价层电子构型。

比如我举个栗子:

B 元素,位于 2p3s 周期 p 区的第 1 个,相当于在 2p3s 轨道上填上 1 个电子,而 2s 轨道上的电子在上一周期(2s 周期)就填满了,所以 B 元素的外层电子构型是:2s2 2p1;

另一个复杂一点的,铊 Tl 元素,在图上看到位于 4f5d6p7s 周期 p 区第 1 个,所以其 4f5d 轨道都是填满的,6p 轨道上有 1 个电子,7s 轨道上没有电子,所以 Tl 元素的外层电子构型是:4f14 5d10 6s2 6p1;

再来一个过度元素,钴 Co 元素,图上位置是 3d4p5s 周期 d 区的第七个,所以其 3d 轨道上有 7 个电子,4p5s 上都没有电子,其外层电子结构为:3d7 4s2。

Janet 左排周期表对于查找外层电子构型是非常有帮助的,但是对于元素化学工作者来说并不比传统矩形周期表优越很多,有的细节还不是很好,比如稀有气体元素 He 放在了和碱土金属一列,但实际上 He 的化学性质和碱土金属差距巨大。

2)ADOMAH

量子力学发展起来之后,物理学家和化学家用“量子数”来描述原子核外电子运动的状况。但是传统的矩形周期表对量子数方面的表示就不是很明确,所以就有 ADOMAH 这种东西出现。

上图就是一个 ADOMAH 周期表,实际上是 Janet 左排周期表做了一些小改动的产物。

其中横排是最大主量子数 n,整个周期表分成了很多区,分别对应角量子数 l 等于 1,2,3,4 的情况,每个分区的纵列就是最大磁量子数 m 的绝对值。

查询一个原子核外价电子的量子数,只需要知道其处于第几行,第几区的第几列就可以。比如随便来一个,镧系元素的钷 Pm 的价层电子,从图中就可以看到 n=7,l=3,m=0,±1,±2,±3,±4,±5。

当然,用分区的这种方法表示数值的递增也不是非常直观,毕竟 n,l,m 是三个自变量,于是 ADOMAH 就有了下面的一种模式:

对于 ADOMAH 的相关知识,可以参阅这个网站:

http://www.perfectperiodictable.com/default.html

实际上对上面两个“方形”周期表的介绍之后,再联系传统的矩形周期表就能看出这样的形状的优势来了。

当然也并不是所有周期表都是方形的,但是方形周期表因为直观易查,元素位置清晰,基本一看就能明了,所以是最为流行的模式。

二、螺旋形周期表

周期表的另一种比较有名的形式就是螺旋形,例子有很多:

螺旋形试图解决的问题其实是在矩形周期表上有些原子序数相邻的元素距离很远的问题。比如 Ne(10)和 Na(11),明明一个是 10,一个是 11,但在矩形周期表上却一个在最右边,一个在最左边。因为本身元素的原子序数就是不断增大的,于是我们把元素按照原子序数的增大就能串在一条螺旋线上,于是就有了螺旋形周期表。

但是螺旋形周期表在描述一个元素的具体情况时并不是特别直观,因为你很难表述他的位置。不像矩形表上,直接可以说第几行第几列,而且看的人一眼就能看出来是第几行第几列。

螺旋形周期表对于高周期元素增多其实有不同的处理,比如写得密一点,或者把外圈的螺旋折叠起来。但这两种选择都会影响周期表的直观度,比如上图的周期表,就已经很难精确描述一个元素的具体位置了。

三、3D 周期表

把周期表 3D 化其实一直是很多人爱干的事情。最经典的 3D 化是“门捷列夫之花”:

这个其实是左排周期表的一种模式,分别把 s,p,d,f 区折叠起来,图中可以看到 He 和碱土金属是在同一列的。

这个周期表的组织方式是把每周期的主族元素按照螺旋式写下来,然后把副族元素绕在上一周期主族元素的外圈,形成一个层:

然后每个层堆叠起来:

这样形成一个八面体,中轴为碱金属、碱土金属和 H/He,往外依次是非金属&半导体,过渡金属,镧系&锕系元素。

3D 化的周期表还有很多种,但是也有和螺旋周期表同样的问题,即直观性欠佳,另外 3D 周期表在印刷教材上很难表示出来,所以使用仍没有矩形周期表广泛。

四、其他类型

宝塔形周期表实际上是矩形表的变种,在族的表达上并不如矩形表。

塔式周期表也有一个 3D 的变种。

上面这个其实也是层叠式周期表的一个类型。

其他的类型也还有很多,也就不一一列出了。

五、总结

所以综上所述,其实人类历史上对周期表的排版做出了非常多的尝试。而且随着对元素认识的进步,这样的排版研究也会更加的完善。

上面是门捷列夫 1869 年版的元素周期表,因为当时对原子结构认识并不深刻,所以这大致是按照原子量进行的排列。

引自http://www.zhihuke.com/story/3Ff1bU7Y4h

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