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(2009-09-30 06:20:36)
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国庆元素周期表预测144元素8周期杂谈 |
分类： 杂谈 |
元素周期表推算探讨（上）
山东
该文的独创性成果在于：
1.
2.
3.
4.
5.
摘 要： 目的
关键词：化学元素；周期表；人体；骨；编组数据；计算机制
中图分类号：0612
1 引 言
1869年，门捷列夫在他人研究成果基础上，通过深入研究最后发现了元素周期律制成元素周期表，并预测了部分元素的存在。但并未对元素周期律的形成机制给出解释，也没对元素总数做出预测。随着化学的发展，后人不仅揭示了原子序数是周期表排序的基本原则，还逐步发现了多种天然元素，而且合成多种人造元素。中国原子能科学研究院蔡善钰教授著《人造元素》中新世纪元素周期表（推测）的元素总数已经填充至116号即将占满第7周期，并称面对周期表存在着的不少未解之谜，人们再次提出还有多少新元素未被发现？周期表有无尽头？该书已将元素周期表扩展到8周期168号元素，认为李中圣的元素立体周期表这种排列是可行的，但是未能表明镧系和锕系的排列位置，还称有人将周期表的化学元素扩展到了218号。这种推测是否正确，尚待今后科学实践的检验[1]。笔者认为，依据古希腊著名数学家毕达哥拉斯“万物皆数也”和王鹏等人[2]元素周期表的规律可以用数学公式来表示的观点，元素总数及其周期律的形成理应取决于数学计算机制，并就此进行了探讨，现将情况报告于下，冀望专家学者批评指正！
2 现有元素周期表存在的瑕疵与疑惑
2.1
元素为何包括天然元素与人造元素2部分？为何呈现非金属性与金属性2类？为何呈现流体与固体2类进而分为气体、液体、固体3类？非金属元素为何呈沿对角线规律排列？1、2、3周期为何有空缺？6、7周期为何会出现镧系、锕系元素？它们怎样排列才更为合理？究竟什么机制决定元素呈现周期性规律？
2.2 各类元素的比例关系如何 完整周期表究竟什么样子
天然元素与人造元素、非金属元素与金属元素等种数之间究竟是什么比例？究竟人工还能合成多少种元素？完整的元素周期表究竟有多少周期？是否还有类似镧系、锕系的元素存在？总共有多少种元素？这些能否进行推算？
2.3 氢元素和系元素的排列值得探讨
氢排在1周期ⅠA族，居锂的上方，两者原子序数相差“2”，同1～3周期之内其它元素与下一个周期相应元素原子序数相差“8”不同；长式周期表将系元素按序数缩排在ⅢB族一个格子内，外设附表的形式，难以明确体现各元素与上、下周期各族元素的对应关系等。
3 现有元素周期表及资料中呈现出的编组数据
3.1 族与周期分类
为了便于讨论元素周期表中的相关编组数据，本文把族分为：横向编组与纵向编组；把周期按认识程度分为：已有周期与推算周期2类，按所含元素数多少分为减元（元素）周期、标准周期与增元（元素）周期3类。目前短周期与长周期分法缺少标准尺度，似乎欠妥。若在本文标准周期基础上，把减元周期视为短周期，把增元周期视为长周期，则更为妥当。
3.2 族横向分类与编组
横向按每个周期所含元素数，分为3列族与单列族。3列族1族，为ⅧB[1]族。单列族15族，包括除ⅧB族以外的其它族。还可把3列族分成含1列的3个亚族，依次编为ⅧB1、ⅧB2、ⅧB3族。整体族数包括2种编组：含3列族数16、含亚族族数18。可分别视为：3×5+1和3×（5+1）=3×6。
3.3 族纵向分类与编组
纵向按所含周期数分为：4周期族，包括ⅢB～ⅦB、ⅧB或ⅧB1、ⅧB2、ⅧB3、ⅠB、ⅡB计8族或10族；6周期族，包括ⅠA、ⅡA、ⅢA～ⅦA计7族；7周期族，包括ⅧA[1]族1族。
3.4 已有周期 推算周期 标准周期 减元周期与增元周期
已有周期是指现有元素周期表中已经确切地证实并确认的周期，包括第1～7（至118号元素）周期。推算周期是指《人造元素》[1]及本文推算存在且有待证实的周期，包括第8周期1个（见后）。标准周期包括辖18种元素和16族元素2种。通常情况下，前者称标准周期包括第4、5周期，后者称准标周期即第4、5周期按族数统计。元素数少于16的称减元周期，包括第1～3周期。元素数多于18的称增元周期，包括第6～8周期（详见后面）。
3.4.1 已有各周期内元素数（或族数）呈现的编组
1） 1周期为减元周期
2） 2、3周期为减元周期
3） 4、5周期为标准周期
4） 6、7周期为增元周期
3.4.2 同周期内数族拼合成的编组
1） ⅢB～ⅦB计5族，ⅧB、ⅠB、ⅡB计3族，二者是5与3编组，二者之和为“5+3=8”编组。按ⅧB1、ⅧB2、ⅧB3统计，加上ⅠB、ⅡB为5族。这样，ⅢB～ⅦB计5族与ⅧB1～ⅡB计5族为5与5编组，二者之和为“5+5=10”编组。ⅢB～ⅧB为6族，ⅢB～ⅧB3为8族，二者为6与8编组。
2） ⅢA～ⅦA计5族，ⅧA为1族，二者之比为5∶1，二者之和为“6=5+1”。把总数视为“1”，则有：“6/6=5/6+1/6”。ⅠA、ⅡA计2族，与ⅧA族，是2∶1关系。对第1周期而言，ⅦA族与ⅧA族是1∶1关系。
3.4.3 数个周期所含元素组合呈现的编组
1） 1～3周期18元素相当于1个标准周期；2、3周期16元素相当于1个准标周期。
2） 4、5周期各18元素，都等于1～3周期之和，则1～5周期元素之和为“3×18=54”。可见，1～5计5个周期，又相当于3个标准周期。这是5与3编组转换关系。
3.4.4 前5周期元素数呈现出金子塔
1～5周期自上而下元素数呈现出数字金子塔，即：2、8、18。
3.5 自然界中稳定原子核与天然放射性原子核编组
3.6 现有元素周期表及资料中呈现出的基本编组数据
主要有：1、2、3、4、5、16、18、5+3=8、5+6=11、1+5=6、3×5+1、3×6、6/6=5/6+1/6。这些编组数据及其彼此间计算关系的存在，正是元素周期律形成的数学计算机制基础。
3 完整元素周期表与元素总数推算
根据现有元素周期表呈现出的编组数据，我们推算完整周期表为8周期144元素，周期数与新世纪元素周期表[1]中的周期数相等。具体推算如下。
4.1 完整周期表周期数及元素总数推算
现有周期表1～3周期为减元周期，4、5周期为标准周期，6、7周期为增元周期。1～3周期18种元素折合1个标准周期，1～5周期54种元素折合3个标准周期。根据上述编组数据，笔者认为元素周期表
形式上是由数学计算机制形成的“减增式”表格中的元素排列，本质上是由数学计算机制形成的环形轨道中的电子排列，根据“增加量等于减少量”规则推断，上为3个减元周期，中间为2个标准周期，下为3个增元周期，即完整元素周期表共有8个周期，且第8周期是增元周期。研究认为，元素周期表的排列与元素总数相当于第144号元素的原子结构及电子排列，即8个电子层，1～3层轨道短电子少，4、5层为标准层每层18个电子，6～8层轨道长电子多，与1～3层均值等于标准层18个电子，故8层共有8×18=144个电子，元素总数等于144号元素的电子数。8层电子轨道，与太阳系8大行星运行于8个轨道相应。
显而易见，1～3减元周期共减“2×18=36”种元素，则6～8计3个增元周期中共有元素3×18+36=90种。现有周期表已清楚地显示，6周期含“镧系”元素、7周期含“锕系”元素，分别较标准周期增加14种至32种，推知第8周期系元素为8种，总数至26种。36种增加元素称为三系元素。前5周期元素数折合3个标准周期，后3周期元素数折合5个标准周期。可见，其计算机制是“5+3”与“3+5”编组等量转换。第8周期元素少于第7周期，乃电子先占满内层轨道，与人的上、下肢第8节4列（大指、大趾皆为2节）少于第7节5列类同，都是由数学计算机制决定，26/32与4/5近似相等。
第8周期系元素的原子序数为121～128，整个元素周期表的终元素的原子序数为144。
4.2 根据族数16同周期数8等推算元素总数
元素原子序数构成的以“1”为公差的等差数列以及元素周期表中呈现出的元素数金子塔规律，表明元素的演化生成遵循质子数累加规律，元素的排列计算与阶加（从1到n的连续自然数相加的和，叫做阶加，用符号n￤表示[3]）、阶乘相关。经过研究（详见后面）认为，元素总数除由族数18和周期数8之积决定外，还与其它编组数据呈多种计算关系。主要包括；族数16￤与周期数8之和，4！与5！之和，等等。元素总数的计算式如下：
元素总数A=8×18=9×16=4×36=24×6=122=144。
元素总数A=4！+5！=8＋16￤=4×8￤=11￤+12￤=144。
4.3 144号元素理论上能够存在
对于周期表的尽头究竟在何处问题，《人造元素》一书认为，随着元素原子序数的增加，核内电荷数也随之增多，原子核对内层电子的吸引力也在增强。当核电荷数到达足够大时，最终会出现内层的K层电子被原子核俘获，原子核吸收了电子之后，引起了整个电子层结构的崩溃。这种灾难性的情景应当在原子序数等于170～180左右时开始发生，这样具有更大原子序数的原子就不复存在。另一方面，预言由114个质子和184个中子构成的第一“超重核稳定岛”已经证实，预言在Z=164附近可能还存在着“第二超重岛”[1]因为笔者推算的周期表终结元素的原子序数为144，远小于电子层临界崩溃的原子序数170～180和第2稳定岛原子序数164，故从理论上讲，144号元素是能够存在的。
4.4 电子层编组3与5和周期编组5与8
笔者认为，由多种计算机制共同决定的8周期144元素，由于各种编组数据之间（如周期与周期、族与族）具有相互依存、相互为用的计算关系，加之总数144能够被2、3、4整除，不能被5整除，还有当电子层n为1、2、3、4时，对应的周期依次是第1、第2与3、第4与5、第6与7，证明中间每2个周期相应1个电子层，形成“组合周期”与每个周期内的2种元素结合占1个“组合位”即相邻2族形成组合族（见后）相当。1个n值对应1个组合周期（2个周期）。第8周期与第1周期相当于1个组合周期，是上下呼应、首尾相接。所以第8周期元素数不能按公式2n2计算，即式中n的取值范围应≤4。但第8周期确实已经对应到n等于5的电子层。因此，电子层的编组相当于3与5，3对应2、3、4完整符合2n2计算值的组合周期，5则是包括对应第1与第8周期的非完整组合周期的2个n值。就周期编组而言，则是5与8编组，5是指1、2与3、4与5、6与7、8计5个非组合周期与组合周期编组，8即1～8计8个（非组合）周期。
4.5 元素周期表8周期与11周期编组关系
上述8周期编组是由“5+3”决定的1～5与6～8计8个周期。此外，还有“5+6”计算关系决定的11周期编组，即1～5周期不变，6～8周期各自第1、2族元素与系元素构成的6B或6、7B或8、8 B或10周期、普通（系外）其他元素构成的6A或7、7A或9、8A或11周期计6个周期。即B类与A类周期合为8周期编组的6～8周期，分为11周期编组的6～11周期，见表1，后面详述。11周期编组无增元周期可言。
4.6 对几种新元素中文名的命名建议
① 118号元素
5 元素三向序数 元素分类及排列计算
前面推算得知，元素周期表为8周期或11周期144元素，现在探讨这些元素的分类及排列计算。元素的演化、分类及排列计算涉及元素三向序数──横向序数、纵向序数和斜向序数，遵循老子“道生一，一生二，二生三，三生万物。”的论断，因此不论从什么角度分皆是先一分为二。
5.1 元素三向序数
5.1.1 元素三向序数演化
研究发现，决定元素位置、结构与性质的元素序数体系包括横向序数、纵向序数和斜向序数。元素序数体系为1；1分化成2时，第1种起始点在右上角，第2种起始点在左上角；由2分化成3时，第1种分化成2，分别形成斜向序数与纵向序数；第2种仍为1，形成横向序数。
5.1.2
5.1.3
5.2 元素分类
对8周期编组而言，按计算排列方式分为普通元素（除系元素以外的元素）与三系元素2部分。按生成型式分为天然元素与人造元素2部分；按元素性质分为非金属性与金属性2类，非放射性与放射性2类。按存在形态分为流体与固体2类，流体又分为气体、液体2类，最终呈现液体、气体与固体3类。
5.3 普通元素与三系元素的计算和排列
三系元素包括镧系（57～70号）、锕系（89～102号）和铧系（121～128号）36种，普通元素108种。普通元素与三系元素的相关计算如下。
5.3.1 元素周期表“空位”数计算
根据元素化生演化逐步增多，即元素数金子塔自上而下逐渐增大的规律，1周期因普通元素少而出现许多空位，随周期数的增大普通元素增多，空位越来越少。普通元素的“占位”与“空位”之间的计算关系如下：
1周期：氢与氦各占1位，共2位。第1电子层只有s亚层1个轨道，容纳2个自旋方向相反的电子，第1周期有金属性氢与非金属性氦（就这两种元素而言）2种性质不同的元素相应，构成1个组合位，这是1个周期最小的占位数。不论是1个轨道上的2个自旋方向相反的电子，还是一个组合位上的2种性质不同的元素，都是中国传统文化中所称的1个“阴阳”组合体。因为1个轨道不能断开，1个组合位不能分开，1个阴阳不能拆开，结合1与2、2与3周期元素序数相差8的规律，氢修正为居氟的上方。整个周期共18位，普通元素占2位，空位16个。
2、3周期：元素占位数较1周期增加3个组合位计6位，合计占位8个，空位10个。
4、5周期：元素占位数较2、3周期增加5个组合位计10位，合计占位18个，空位0。
5个周期构成3级台阶（含1周期与“0”周期比较），每级增加1、3、5个组合位，遵循奇数律。1～5周期共有元素54种占54位，空36位18个组合位。3个周期平均每周期有“5+1”个组合空位，为满足5周期与3周期的编组转换，故1周期占用2、3周期各1个组合空位变成“5+3=8”个，2、3周期各为5个组合空位。
5.3.2
6周期镧系：2×（7.2－0.2）=2×7=14；6周期元素数=普通元素18+镧系元素14=32。
7周期锕系：2×（7.2－0.2）=2×7=14；7周期元素数=普通元素18+锕系元素14=32。
8周期铧系：1×（7.2＋4×0.2）=1×8=8；8周期元素数=普通元素18+铧系元素8=26。
主、副周期的分割排列，还取决于后面“非金属性与金属性分割计算”中的阶加与元素对应机制。
6～8周期普通元素54种占54位，形成6A、7A、8A3个主周期。即3个周期内的所有位子全部占用，所以由“5+6”编组机制决定将36种三系元素按序号依次形成位于3个主周期之上的3个副周期即6B、7B、8B，合在一起即为8周期编组中的6、7、8周期，分则为11周期编组中的6～11周期。因为3个副周期中的三系元素分别占用7个或4个组合位，不符合“5与3”或“5+3=8”编组机制，属于不稳定状态，故与3个主周期中的元素整合为5个16元素（8个组合位）准标周期和1个10元素（5个组合位）周期。这样，B类周期的元素居1～16族（前齐）为1种类型，居1～10族（前齐）为1种类型，A类周期的元素位于3～18族（后齐）属1种类型，共3种类型。同序数周期中的B类与A类合并后，占18族，搭接重叠的14或8种元素即是系元素，也是3种编组类型。以8周期编组中的6周期为例，6B周期（11周期编组中的6周期）1～16族排列55、56与57～70号元素，6A周期（11周期编组中的7周期）3～18族排列71～86号元素。7、8周期类同，见表1。
需要说明的是，镧系57～70号是从镧系14种元素计算关系论，镧最外层的电子结构是5d1 6s2，是56号与58号的衔接元素，在镧后面的元素电子陆续占据4f层，而71号含5d1电子[1]则是70与72号元素的过渡，这样恰好既形成6B与6A2个副、主周期，又贯穿成1个32元素周期，这就是通常镧系包括到71号元素的缘故。表中6B与6A2个副、主周期叠加为6周期后，则57～71号元素即被压缩在6周期ⅢB族内。锕系、铧系类似。
5.4 天然元素与人工元素的计算和排列
天然元素与人造元素的排列次序是由元素生成先后决定的。总体上看，天然元素原子序数相对较小，演化生成在先排列居前，人造元素制成在后，原子序数相对较大，排列居后。根据43与61号为2种人造元素，以及铀后元素必定是采用人工方法才能生产[1]，推知从93～144号皆为人造元素，即人造元素总数为54种，等于1～5周期元素数，天然元素90种与6～8（11）周期元素数相等。
由于2演化为3时，90种天然元素分为2个45元素组，为了与2组天然元素适应，54种人造元素也分为2个27元素编组，即93～118号与43号构成1个“26+1”编组，119～144号与61号构成1个“26+1”编组。其中，43与61号夹在90种天然元素之间，系由计算机制决定自然形成的起交互连接作用的“交叉”人造元素，使90种天然元素与54种人造元素构成1个整体编组。表1可见，54种人造元素中52种不仅位于元素周期表的下部成片排列，而且呈5个族组4级周期台阶，即1、2族1周期，3～8计6族3周期，9、10计2族4周期，11～16计6族3周期，17、18计2族2周期。其中，18～9计10族构成2、3、4共3级周期台阶。表1还可见，93～144计52种人造元素自左至右编组，1、2计2族为1个组合位，3～8计6族3个组合位，9～18计10族5个组合位，组合位数与1～5周期元素3级台阶每级增加组合位1、3、5个类同。只是顺序相反，后者是自右至左，正好互补。
5.5 非金属性与金属性的计算及阶加与周期和族的关系
研究认为，非金属元素数24等于4！，金属元素数120等于5！，其和144即为元素总数。前者占总数的1/6，后者占总数的5/6。根据“6=1+5”编组和非金属性元素沿左上右下斜线排列的规律，推知非金属性元素与金属性元素的演化分割计算，取决于元素数量n￤和16￤+8与1/6和5/6的乘积这一计算机制。即在整体中，非金属性占1/6，金属性占5/6。只有一种元素时，元素内部也存在非金属与金属两重性。随着元素数量的增多，原来显金属性的部分，相对而言又显非金属性。计算公式如下：
非金属性：1/6×n￤，金属性：5/6×n￤。
式中，n取1～16的连续自然数。依计算数据与元素斜向序数对应，这一对应关系还表明，阶加是形成周期与族的主要计算机制。具体情况如下：
1￤=1，非金属性为1/6×1=1/6，金属性为5/6×1=5/6。对应1号（斜向序数，以下类同。）元素，金属性与非金属性共体。居第1周期第18族，占1斜线1周期1族。
2￤=3，非金属性为1/6×3=0.5，金属性为5/6×3=2.5。非金属性对应1号1/2，金属性对应1号1/2、2、3号。居1、2周期17、18族，占2斜线2周期2族。
3￤=6，非金属性为1/6×6=1，金属性为5/6×6=5。非金属性对应1号，金属性对应2～6号。居1～3周期、16～18族，占4斜线3周期3族。
4￤=10，非金属性为1/6×10=5/3，金属性为5/6×10=25/3。非金属性对应1号、2号2/3，金属性对应2号1/3、3～10号。居1～4周期、15～18族，占5斜线4周期4族。
5￤=15，非金属性为1/6×15=2.5，金属性为5/6×15=12.5。非金属性对应1、2号、3号1/2，金属性对应3号1/2、4～15号。居1～5周期、14～18族，占6斜线5周期5族。
6￤=21，非金属性为1/6×21=3.5，金属性为5/6×21=17.5。非金属性对应1～3号、4号1/2，金属性对应4号1/2、5～21号。居1～6周期、13～18族，占7斜线6周期6族。
7￤=28，非金属性为1/6×28=14/3，金属性为5/6×28=70/3。非金属性对应1～4号、5号2/3，金属性对应5号1/3、6～28号。居1～5、6B、6A、7A周期，2、13～18族，占8斜线7周期（含副周期为8周期）7族。
8￤=36，非金属性为1/6×36=6，金属性为5/6×36=30。非金属性对应1～6号，金属性对应7～36号。居1～5、6B、6A、7A、8A周期，1、2、13～18族，占9斜线8周期（含副周期为9周期）8族。
9￤=45，非金属性为1/6×45=7.5，金属性为5/6×45=37.5。非金属性对应1～7号、8号1/2，金属性对应8号1/2、9～45号。居1～9、11周期，1、2、11～18族，占11斜线10周期（按“5+3”编组则为8周期，下同。）10族。
……
14￤=105，非金属性为1/6×105=17.5，金属性为5/6×105=87.5。非金属性对应1～17号、18号1/2，金属性对应18号1/2、19～105号。居1～11周期，1～18族，占19斜线11周期18族。92～105居4～10计7个周期，3～10计8族。14￤中的14，正好与镧系或锕系元素数相等。
15￤=120，非金属性为1/6×120=20，金属性为5/6×120=100。非金属性对应1～20号，金属性对应21～120号。居1～11周期，1～18族，占21斜线11周期18族。106～120居4～11计8个周期，1～10计10族。15￤占18族11周期，15与单列族数15相等。
16￤=136，非金属性为1/6×136=68/3，金属性为5/6×136=340/3。非金属性对应1～22号、23号2/3，金属性对应23号1/3、24～136号。居1～11周期，1～18族，占24斜线（不含副周期为23斜线）11周期18族。121～136居5～11计7个周期，1～8计8族。16￤中的16正是准标周期族数。
8+16￤=144，非金属性为1/6×144=24，金属性为5/6×144=120。非金属性对应1～23、25号，金属性对应24、26～144号。居1～11周期，1～18族，占28斜线（不含副周期占25斜线）11（8）周期18族。8+16￤占满18族8周期，8对应“5+3”编组，16对应准标周期。8+16￤=8×18=144，18对应标准周期。斜线数24与28均值为26，等于“5+3”编组8周期元素数“18+8”“16+10”。
斜向阶加机制决定周期与族的形成。经计算得知，当n≤6时，族数和周期数不仅与n同步相等，而且不涉及副周期与副族。当n=7时，“5+3”编组的周期数和族数与n同步相等，但已经出现6B周期，“5+6”编组的周期数为8，族数已跨越副族至ⅡA族。当n=8时，不计副周期则族数和周期数仍然与n同步相等；计入副周期数已为9。当n=9时，族数与周期数皆为10。当n≥10时，族数随n增大，但“5+3”编组的周期数恒等于8，含副周期数最终增至“5+6”编组的11。证明前6周期6族由1￤～6￤决定，8周期编组与8个主族的确定取决于1￤～8￤，副族主要取决于9￤～8+16￤，整体8或11周期18族编组则是取决于1￤～8+16￤。
上述计算表明，斜向序数越小，参与非金属性和金属性计算的频次越高，非金属性越强；斜向序数越大，参与非金属性与金属性计算的频次越低，金属性越强。
关于铍与铝的说明，通过计算得知非金属元素为24种，按与斜向序数一一对应关系，第24种应为铍。但是，⑴根据非金属元素种数24是小于6￤=21与7￤=28之中数24.5，第23种非金属元素与斜向序数对应，为居7A周期已经证实为惰性气体的“人气”，那么第24种非金属元素应是位于自右至左6族（3周期13族）的斜向序数25号铝。否则，如果为斜向序数24号即2周期2族的铍，则非金属元素占7周期7族，根据阶加与周期、族的关系，应该对应大于24.5的种数，则超过非金属元素数24，显然是不成立的；⑵根据天然元素中夹有43与61号2种“交叉”人造元素（居7族5周期与6周期），推断铍属于夹在非金属元素中间的“交叉”金属元素；⑶前23种非金属元素位于13～18族1～7A周期右上角部，铍与它们之间隔了3～12计10族，显然不及铝与它们连片性好。总之，认定第24种非金属元素为铝，而铍属于夹在非金属元素之间的金属“交叉”元素。这应该是铍与同族其它元素相比有诸多反常特性，铍、铝居同条斜线，都属两性元素，二者性质相似的本质。
非金属元素占6族形成5级周期台阶，即13、14族2周期、15族3周期、16族4周期、17族6周期、18族7周期。
[1] 蔡善钰. 人造元素[M]. 上海：上海科学普及出版社，2006：彩页、4、11、22、36、37、334、340-341、368
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