俄科学家提出新的元素周期表方案:能够帮助化学家更好的寻找新型材料

元素周期表主要由俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫(Dmitry Mendeleev(1834-1907)创建的,去年(2019年)庆祝了元素周期表诞生了150周年。作为一个学过化学的人都知道的东西,很难形容它为化学事业做出的贡献。

考虑到元素周期表的重要性,对它的任何一点修改都会影响巨大。不过最近俄罗斯莫斯科的两位科学家最近发表了一份关于元素周期表新修改的提议。

俄科学家提出新的元素周期表方案:能够帮助化学家更好的寻找新型材料

首先让我们考虑一下元素周期表是如何开发的。到18世纪后期,化学家已经清楚了元素与化合物之间的区别:元素在化学上是不可分割的(例如氢元素,氧元素),而化合物则是由两种或更多种元素组合而成,其性质与组成元素完全不同。到19世纪初,已经有大量的间接证据证明了原子的存在。到1860年代,可以按相对原子质量的顺序列出已知元素——例如,氢为1,氧为16。

当然,原始的化学元素表格本质上是一维的。但是化学家知道某些元素具有相当相似的化学性质:例如锂、钠和钾或氯,溴和碘。似乎有些重复,并且通过将化学相似的元素彼此相邻放置,可以构建二维表。于是元素周期表诞生了。

重要的是,门捷列夫的元素周期表是根据观察到的某些元素的化学相似性凭经验得出的。直到20世纪初,原子的结构被确立之后,随着量子理论的发展,才出现了对其结构理论的理解。

现在,元素是按原子序数(原子核中被称为质子的带正电粒子的数量)排序的,而不是按原子质量排序的,但也按化学相似性排序。但是,后者现在是按照规则排列的在所谓的“壳”中重复的电子排列进行的。到1940年代,大多数教科书都具有类似于我们今天看到的元素周期表,如下图所示。

今天的周期表
今天常见的周期表

上面的这张元素周期表是大家见得最多的一个,但是如果大家善于使用搜索引擎的话,在网上还能搜索到其他一些版本的元素周期表,有短版本、长版本、圆形版本、螺旋版本,甚至是三维版本。可以肯定的是,其中许多只是传达相同信息的不同方式,但是某些元素的位置依然存在分歧。

某些元素的精确放置取决于我们希望突出显示它的某些特定属性。因此,优先考虑原子电子结构的元素周期表将与以某些化学或物理性质为主的元素周期表不同。

这些版本之间相差不大,但是其中某些元素(例如氢)可能会根据人们希望突出显示的特定属性而有很大不同。有些版本的元素周期表会将氢排在第1组中,而另一些表则排在第17组的顶部。甚至还有一些会将它独立分组。

但是,从根本上说,我们还可以考虑以一种非常不同的方式对元素进行排序,即不涉及原子序数或不反映电子结构的元素,也就是还原为一维元素周期表

新的元素周期表方案

科学家Zahed Allahyari和Artem Oganov最近在《物理化学杂志》上发表了以这种方式对元素进行排序的最新尝试。他们基于其他人的早期工作,采用的方法是为每个元素分配一个所谓的门捷列夫编号(MN)。有几种方法可以得出这样的数字,但是最新的研究使用了两个可以直接测量的基本量的组合:元素的原子半径和称为电负性的特性,该特性描述了原子在化合物中吸引电子的能力。

如果元素周期表按照门捷列夫编号(MN)来进行排序,那么这个元素周期表上相邻的元素之间也会拥有相近的MN,如果更进一步,可以将这些相似的MN组成一个二维网格,比如一些由两种元素组成的化合物,例如氯化钠,NaCl。

这种方法的好处是什么?它可以帮助预测尚未制成的二元化合物的性质。这对于寻找未来和现有技术可能需要的新材料很有用。毫无疑问,随着时间的流逝,它将扩展到具有两个以上元素成分的化合物。

大家参考下图所示的元素周期表,可以很好地说明寻找新材料的重要性。这个版本的元素周期表不仅说明了这些元素的相对丰度(每个元素的框越大,表示的元素就越多),还突出显示了与我们日常生活中无处不在且必不可少的技术相关的潜在供应问题。

新版元素周期表能够显示元素的相对丰度。图片来源:欧洲化学学会,CC BY-SA
新版元素周期表能够显示元素的相对丰度。图片来源:欧洲化学学会,CC BY-SA

以手机为例。其制造中使用的所有元素均通过电话图标标识,您可以看到一些必需元素正变得稀缺——它们的未来供应量无法得到保障。这些元素就是属于要被替代的元素,如果我们要开发避免使用这些元素的替代材料,那么从其MN中就能够获取其他可能化合物的关键信息。

150年后,我们可以看到元素周期表不仅是一种至关重要的教育工具,而且对于研究人员寻找基本的新材料仍然有用。但是,我们不应该将新版本视为较早版本的替代。根据用途而制作的各种不同版本的元素周期表才能帮助我们更深入的了解元素的性质。

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