明天的元素周期表何去何从？

——《元素周期表及应用》拓展讲座

陈凯（南京晓庄学院教师教育学院）

门捷列夫发现周期律以来，时至今日，已百年有余。通过众多科学工作者的不断努力，无论在深度或广度上，元素周期表所显示的内容及其变化规律，已为愈来愈多的人所熟悉和掌握，成为人们进行社会生产、科学研究的重要工具。随着118号元素的发现，“明天的元素周期表何去何从？”这个问题又摆在我们面前等待探讨。周期表究竟是发散的，还是收敛的?若有终点，终点究竟在何处?

一、元素周期表是否收敛？

在这个问题上，国内外皆存在争论。有人认为，周期性是否定之否定规律的客观表现，按照逻辑上的推理，周期性即是周期表第一位的、最典型的特征，而任何一个具有周期性发展的事物，必然会有它的起点和终点。“一切产生出来的东西，都一定要死亡”。因此，作为显示质子演化全过程的周期表，是会有终点的。而且在整个周期求的终点，会出现一个死亡点元素，而且在该元素内，只有全部失去质子(包括电子、中子、电子中微子)，才能进入真正的“死亡”阶段，才能丧失元素的一切个性。因此，周期表的终点元素，是一个已全部丧失核外电子及核内质子、中子的元素。

虽然有了“稳定岛”理论，核物理学家、化学家们便积极地在自然界中寻找可能存在的“稳定岛”元素。假如“稳定岛”确实存在的话，那么按照这一理论，应该还可能出现“稳定洲”，则铀后面的元素将延伸得很远很远。但是，仍然有很多科学家认为超铀元素是有界的，其界限离铀元素不会太远。

但也有人认为，虽然人工方法合成更新的超重元素显然存在技术问题，但科学和技术的发展日新月异，放射化学家的努力也是永无止境的，困难将逐个被解决，从这个意义上讲，元素周期表必将继续延长下去。从哲学的观点来看，物质世界是无限的，但又是无限和有限的组合。一方面，物质运动是永恒的、不可消灭、不可创生的，作为物质运动存在的形式的空间和时间也是永恒的、不可消灭、不可创生。另一方面，物质不灭定律、能量守恒和转化定律表明：物质运动没有开端和结尾，在时间上是无限的。所以，物质层次结构是不可穷尽的，物质运动形式的转化是永无终止。如果我们从这个规律来看待“元素周期表是否收敛？”这个问题，答案也许是“周期表没有终点”。

二、元素周期表的终点在何方？

在承认周期表是收敛的观点中，对于终点元素的位置，国内外有关学者，众说纷纭，莫衷一是。有人根据对元素周期表的重新编排，并通过对周期表的结构分析，找到终点元素所在位置。比如：

1、周期性变化过程的起点和终点皆有两重性。譬如一个过程的终点，一定是下一个过程的起点。反之亦然。否则就会中断，失去周期重复的可能性。所以，周期表的起点与终点，都是两性点，它们一定会出现在表“两性线”（Al-Ge-Sb-Po）的延伸线上。另外值得注意的，当“两性线”延伸到168号元素时，已抵达周期表的边界，不能再向下、向外延伸了，因此终点元素，不可能超越168号元素。

2、“周期终点线”是周期表内各个周期终点的连接线（He-Ne-Ar-Xe-Rn）。很显然，整个周期表的终点元素，只能位于“周期终点线”的延伸线上。

3、168号元素正好位于“两性线”与“周期终点线”的交点部位，它是表中唯一能满足上述要求的点，把它作为周期表的终点，最理想不过了。

4、也有科学家认为，第二周期和第三周期、第四周期和第五周期、第六周期和第七周期一样，均含有相同数目的元素数目，那么是不是会出现第八周期和第九周期元素数目相等的情况？这样，元素的数目最多可达218种

图1、包括218种元素的未来周期表

三、元素周期表如何改进和扩展

“化学没有周期表如同航行没有罗盘一样不可想象，但是这并没有制止某些化学家正试图改进它”。

1、氢元素的位置

现在的元素周期表也不是完善无缺的，如氢元素在周期表中的位置等。根据现有的对氢化学性质的研究，氢固然可以失去一个电子，与碱金属一样成为带一个正电荷的离子；但它也可以得到一个电子达到2电子稳定结构，体现与卤素离子类似的结构；正因为第一电子层最多填充2个电子的特殊性，氢原子恰好半充满结构，这不正和IVA族元素相似吗？所以氢的位置并不一定在IA族啊！

图2、氢元素的特殊性

2、零号元素

虽然曾经认为在氢的前面是不可能有其它元素的，但法国里昂的科学家最近发现一种由四个中子组成的微粒，这种微粒被称为“四中子”，由于它没有质子，就无法在现有的元素周期表中占据一席之地，所以有人称之为“零号元素”，它与天体中的中子星构成类似。又有新问题产生了，是否在氢以后氦之前有其它元素呢？这还有待于科学研究的证实。

3、反方向的周期表

有趣的是，有些科学家还提出元素周期表还可以向负方向发展，这是由于科学上发现了正电子、负质子（反质子），在其它星球上是否存在由这此些反质子和正电子以及中子组成的反原子呢？这种观点若有一朝被实践证实，周期表当然可以出现核电荷数为负数的反元素，向负向发展也就顺理成章了。当然，存在了零号元素，就像数学中的整数一样，除了正整数，还有负整数。

4、分子周期表

分子周期表的主要设计者是美国南基督安息日学院物理学家Hefferlin，他研制了两种周期体系，一是“物理体系”，该体系中所有分子含有相同的原子；另一种是含有不同数目原子的分子的“化学体系”。早在70年代后期，Hefferlin提出了一个双原子分子的完整的周期体系，包含15个三维框架，框架中的一维是将周期表中组成原子的排数相加，而另外两维则是两个单个原子的行数。在他的框架中已经观察到的具有周期性的特性有：分子中两原子之间的间隔距离，分子吸收各种光的频率，从分子中激发一个电子所需能量等等。在后面几年，Hefferlin和中国科技大学的孔繁敖还分别提出了三原子分子体系和四原子分子体系，甚至有些科学家对某一类化合物提出特别的周期表，比如有机分子的周期表

5、“超级原子”的困扰

2005年1月，自从《Science》上发表文章阐述Al₁₃团簇显现了卤素的性质，国内媒体上就不断有“美科学家发现‘超级原子’，元素周期表要扩大”之类的报道出现。就此，中国化学会有关专家指出，“美国科学家的发现并没有改变元素的基本性质，即没有‘从一个变成另一个’，可以称为‘原子簇’，但不能称之为‘超级原子’，更谈不上会使元素周期表扩大。”美国科学家的研究确实产生了一种新的物质，但该物质并没有改变原有元素的原子核，而是将几个原子核聚集到了一起，因此不能说是产生了一种新的元素，更不会使门捷列夫元素周期表扩大。原子簇简单地说可以称之为一种特殊的分子，导致元素周期表扩大即代表着有新的元素被发现，这要求新元素具有新的原子序数，新的原子核、质子数必须不同于已经发现的原子。而美国科学家的发现显然并不具备这一特征，因此可以断定其没有发现新的元素，因而不会使元素周期表发生扩大。

门捷列夫也许会被一些 “企图”扩展和扩大他思想的做法迷住，但是他们没有人能达到像门捷列夫那样在预测化学元素性质上的先驱作用。

其实有人也注意到当前元素周期表已知的元素，只与第一世代的基本粒子有关，元素周期律是由于原子核外电子符合泡利原理、能量最低原理和洪特规则填充在原子轨道上，而引起元素的原子周期性重复出现相似电子层结构的结果，需要一组n、l、m、s四个量子数就可以描述出原子中某一个电子的运动状态。但是如果考虑第二、第三代基本粒子呢？元素周期表又将如何变化呢？

人们还发现，宇宙中的已知物质和天体，都是由表内已知的元素所组成。周期表内元素原子序数增长的方向，又与组成天体的物质演化趋势一致，这也为众人所共认。根据当前人类的估计，30%的宇宙是暗物质，65%的宇宙是暗能量。通过望远镜观察到的近2000亿个星系，每个星系中又有2000亿个星球，再加上弥漫太空中的氢、氦、中微子等，而这些总加起来，仅占宇宙的5%。我们原来认识的由电子、质子、中子构成的物质世界，仅占宇宙的5%，还有95%的宇宙是未知的。当前的元素周期表也只是适用于已知宇宙中的很小部分，那么在那么大未知的世界中，元素周期表又应该是什么样的面貌呢？太多的奥秘值得人类时代追寻……

参考文献：

1、人民教育出版社化学室组编．化学进展的启迪．北京：人民教育出版社，2001.2

2、李月寒．元素周期律发现过程中科学范畴的演化．安徽教育学院学报：1999.1

3、王雅珍．元素周期律的美学特征．齐齐哈尔大学学报(哲学社会科学版)：2004.11

4、何琳琳．元素周期律的辩证示意．黑龙江农垦师专学报：1999.3

5、宋皖英．微量元素的生理生化功能与元素周期律．安徽教育学院学报：2003.3（5）

6、陈凯，周志华．互联网上的化学教育外文资源．化学教学：2004.6

7、周志华．生活·社会·化学．南京：南京师范大学出版社，2000