科學人 發行日期:2013/07 刊號:137
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【化學】 重整你的元素週期表

撰文/塞利(Eric Scerri) 翻譯/王心瑩

填補完整,卻不完美

至今我們可以找到超過1000種的週期表形式,也許是元素排列方式不同,或者每一排所包含的元素不一樣,然而它們都有一項共同的基本特色。若以連續方式來排列元素,也就是根據其原子數(最早是以原子量來排列),則每每經過特定的一系列元素後,它們的化學性質就會反覆出現。舉例來說,如果從鋰(Li)開始,向前移動8個位置,就會到達鈉(Na),它與鋰擁有許多相似的性質:都是軟金屬,軟到可以用刀子切開,而且都會和水產生劇烈反應。如果繼續向前移動8個位置,到達的是鉀(K),鉀也很軟,並容易與水反應,依此類推。

在最早的週期表中,不論是門得列夫或其他人所設計,每一週期的長度(即每一橫排的長度)永遠是8個元素。然而大家很快就發現,第四和第五週期並非8個元素重複一次,而是18個;為了與之對應,週期表的第四和第五橫排會比原本表格寬得多,以便容納多出來的元素(即過渡元素,在常見的週期表中位於正中央)。結果第六週期又變得更長,包含32個元素,因為中間包含另一系列的14個元素,稱為鑭系元素。

1937年,核子物理學家開始以人工方法合成新元素,最早是鎝(Tc)。當時的週期表從1號氫(H)延續到92號鈾(U),而鎝填補了表中四個空白處之一。其他三個失落的元素也很快就補齊了,石厄(At)和金叵(Pm)這兩個是人工合成,第三個鍅(Fr)則是在自然界尋得。但即使這些空白處填補起來,新的發現又為週期表在鈾的後面增添元素,也產生新的空位。

美國的化學家西博格(Glenn Seaborg)意識到,錒(Ac)、釷(Th)、鏷(Pa)加上鈾,以及接續的10個元素,其實是一個新系列的部份元素,它們就像鑭系元素一樣,總共包含14個元素,此即後來所知的錒系元素。(這兩個系列多出來的元素,讓週期表變得更寬,因此標準週期表把這兩個包含14個元素的系列獨立出來,放在表格最底下。)

在20世紀前半葉,科學家意識到元素的週期性質來自於量子物理學,特別是電子如何環繞原子核運行的物理學。電子的軌道會形成各種形狀和大小的不連續階層。原子序較大的原子,會與原子序較小的原子擁有一些相同的軌道形式(稱為「軌域」),只是再多增加一些新的軌域。第一週期只有一種形式的軌域,稱為s軌域,可以容納一或兩個電子(氫有一個電子,氦有兩個)。第二和第三週期各會增加一個s軌域,也各外加三個稱為p的新軌域。同樣的,這四個軌域各自可以容納一到兩個電子,於是最多容納八個電子,也因此最早的週期表是每個週期包含八個元素。第四和第五週期除了有s和p軌域外,還有第三種軌域,稱為d軌域,可為電子增添10個位置,於是讓這兩個週期擴展到18個元素。最後兩個週期則擁有s、p、d外加f軌域,長度變成32個元素(18+14)。

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