寻找完美的元素周期表

任何上过高中科学课的人大概都能勾勒出元素周期表的图像：一排排色彩斑斓的行和列，将所有已知的化学元素进行分类。这种展示宇宙基本构件的熟悉方式是迄今为止最普遍的，但它只是无数种可能的排列方式之一。为了追求理想的排列，化学家们已经提出了 1000 多种其他方案。

我们都熟悉的版本通常可以追溯到俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫，他被认为是周期律的发现者。对我们理解化学至关重要的是，当沿着元素线行进时，某些化学性质会定期或周期性地重复出现。每种元素都因其原子序数而与其他元素区分开来：即其原子中质子的数量。现代周期表中同一列（或“族”）的元素通常在外观和性质上相似。

1869 年，门捷列夫发表了他的第一张表格，他以一种能够突出元素之间关系的方式进行了组织。这种递进类似于在钢琴上向上移动音阶，其中每个音符都与固定间隔处的其他音符相似。“当然，这些音符并不完全相同，”加州大学洛杉矶分校的化学家和化学哲学教授埃里克·斯克里说。“但任何有一点音乐耳朵的人都能听出它们是同一个音符。”

门捷列夫比他同时代的任何人都更有“耳朵”来感知元素。尽管 19 世纪的科学家只知道几十种元素（如今科学家已识别出惊人的 118 种），但他基于模式的见解使他能够准确预测尚未发现的元素。斯克里说，一个半世纪后，源自他创新的现代周期表仍然是“分类的终极对象”。

令人困惑的周期

但门捷列夫并不是表示周期性的第一个，也不是最后一个。就在几年前，法国地质学家亚历山大-埃米尔·贝吉耶·德·尚库尔图瓦（Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois）也发表了他自己的解释：一个复杂的模型，其中元素沿着围绕圆柱盘旋的螺旋线排列。同样在 19 世纪 60 年代，英国化学家约翰·纽兰兹（John Newlands）首次根据原子量对元素进行排序——门捷列夫和其他人一直沿用这种策略，直到 20 世纪初，原子序数的发现提供了一个更精确的度量。而在门捷列夫辛勤绘制表格时，德国化学家洛塔尔·迈耶（Lothar Meyer）也在开发一个非常相似的表格。

这些表格通常有八列，因为行为模式似乎每八个元素重复一次。例如，氟（原子序数 9）和它正下方的氯（原子序数 17）都是高活性的气体。但仔细观察会发现，较重的元素根本不遵循这种趋势——在两组八个元素之后，间隔变成了 18 个元素；在两组 18 个元素之后，又变成了 32 个元素。门捷列夫时代的表格与我们现在的表格截然不同，因为它们的发明者根本无法理解这种周期性背后的根本机制。

多亏了丹麦物理学家尼尔斯·玻尔，我们现在知道这些序列实际上是由每种元素单个原子的电子数量决定的。这些电子在其原子最外层（价层）内的排布，解释了当它们与其他元素的原子混合时可能发生的令人惊叹的化学反应多样性。（氟和氯的价层都有七个电子。）周期表中更靠下的行更长，因为它们包含具有更大价层、因此有更多电子的元素。

随着 20 世纪初现代物理学的出现，人们普遍接受了 18 列的表格。这容纳了长长的第四和第五周期，并将更长的第六和第七周期重新安置，以便整个显示屏可以放在一页上。斯克里说：“有很多社会和历史原因解释了为什么它会流行起来。”它似乎能满足几乎所有人……尽管一些国家，包括门捷列夫的祖国，仍然坚持使用八列版本。

尽管如此，尽管现状有其优点，但也存在一些缺点。最明显的是，它是不对称的；它捕捉了元素的周期性，但你几乎无法一目了然地看出来。“无论怎么想象，这都是一个尴尬的形状，”斯克里说，他特别指出了列表开头那对不规矩的元素。“通常的周期表中有氢和氦这两个元素，像塔楼上的棱堡一样突出，这一点一直有些神秘。”与此同时，所谓的 f 区被安排在底部以保持表格的长度合理，看起来像一个突兀的脚注。

追求完美

几十年来，即使 18 列的表格在主要的化学书籍中普及开来，一些科学家仍在努力改进它。拉脱维亚化学家爱德华·马祖尔（Edward Mazurs）收集了数百种，但其中一些尤其值得注意。例如，1964 年，一位名叫西奥多·本菲（Theodor Benfey）的德国化学家制作了一个常被称为“周期蜗牛”的表格。他优美的螺旋式构思强调了元素的连续性，而不是标准表格中的生硬断裂，并为尚未发现的超锕系元素留出了空间。

为什么要将自己限制在二维空间呢？加拿大化学家费尔南多·杜福尔（Fernando Dufour）花费数十年时间完善他的ElemenTree，这是一个 3D 的松树状结构，其中每个周期都由一层新的“分支”标记。他曾说过，“三维（对于周期表而言）不是一个选项，而是必需品。”这种设计通过指示三个轴上的连接，比 18 列的版本更能突显元素之间的更多关系。

一个更近的回应来自美国工程师瓦莱里·齐默尔曼（Valery Tsimmerman），他在 2006 年创造了他大胆称之为“完美的元素排列”的表格。这个表格被称为 ADOMAH 表，它被设计成一个塔楼，并围绕四个量子数进行组织，这四个量子数共同描述了电子轨道的性质，并有助于预测电子构型。齐默尔曼甚至将这个标志织进了毛衣。

他的表格实际上源自所有替代方案中最受欢迎的一种：左移表。这个表格最初由法国工程师查尔斯·珍妮特（Charles Janet）于 1929 年提出，其灵感来自于对自然深刻秩序和对称性的信念。它只需要对 18 列表格进行微调——最重要的是将最左边的一列移到右侧边缘。这样重新排列后，杂乱的轮廓就变成了一个整齐的楼梯。

除了美学上的升级，这个表格也吸引了物理学家，因为它更符合电子壳层通常的填充顺序。但许多化学家抵制左移表，因为它将氦（通常独来独往）与一组高活性元素归为一类。从这个意义上说，它似乎与周期性所代表的一切背道而驰。加里·卡茨（Gary Kats），一位美国化学家和左移表的倡导者，在 2001 年写道，支持性的评论“早已被埋没在文献中了。今天的作者似乎要么不知道它们，要么不愿意承认它们。”

一些知名人士仍然支持它。斯克里就是其中之一，他认为氦的违反直觉的位置可能最终会被证明是正确的——2017 年，这种所谓的惰性气体在高压下被发现能与钠形成稳定的化合物。“这个表格的优点目前引起了极大的兴趣，”他说。然而，在可预见的未来，18 列版本仍然占主导地位。斯克里最近领导了一个负责向国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）提出修改建议的小组，他说左移表甚至没有被列入讨论。“我们还没有敢于推荐这个。”

元素周期表的未来

最终，我们如何呈现周期表真的有区别吗？斯克里可以从两个方面来看待这个问题。在他 3 月份的 Zoom 讲座的结束语中，他说，“无论我们将其表示为螺旋、时钟、平面表还是 3D 金字塔，或者其他什么，它都不会有区别，因为它传递的是相同的信息。”另一方面，他几周后补充说，“表示方式确实能带来新的见解。”

无论如何，表示方式上的艰难选择摆在眼前，因为周期表并非一成不变。自 2010 年科学家合成了十रासायनिक元素（tennessine）以来，在其悠久的历史中，所有空缺都已填补。但没有理由认为列表会就此结束，一旦新的元素加入，化学界将需要决定如何将它们纳入。尽管没有人确定存在多少种元素，但原子序数 119 将是新一行——一个新周期——的第一个元素，这个周期可以一直延伸到 172。祝教科书设计者好运。