元素周期表进化史

斐夷所非

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分类专栏： Chemistry 文章标签：元素周期表

于 2025-07-12 09:10:35 首次发布

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注：本文为 “元素周期表” 相关合辑。
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元素周期表进化史

2021/10/19
化学部落～～格格
元素周期表，原子构造
Author: CS editor

译自 Chem-Station 网站日本版原文链接：周期表の歴史を振り返る

翻译：炸鸡校对：Jiao Jiao

1869 年门捷列夫提出元素周期表，元素周期表至今已经有 156 年的历史了。本篇内容就来带大家回顾一下门捷列夫对化学做出的贡献以及元素周期表的演变历史。

元素周期表是性质相似的元素有序排列而成的表

1869 年，俄国化学家门捷列夫将当时已经发现的 63 种元素根据原子量大小排列，性质相似的元素排列在一起制成一张表，这张表就是元素周期表的雏形。

来看下门捷列夫最早提出的元素周期表吧。

基于原子量和化学性质的排列表，等号后面的数字表示原子量（图片来自维基百科）

这个最早期的元素周期表里元素竟然是纵向排列的？！
从表中我们可以看到原子量小的元素在左上位置，越往下原子量逐渐增加，再起一列是一个新周期，因此，在这个早期元素周期表中我们现在说的主族元素是横向排列的而非纵向。

元素周期表作为理解元素性质的工具而产生

在门捷列夫早期的元素周期表中，铝 Al 和硅 Si 右边是 “？”（上图中间附近）。那里的位置属于现在发现的镓 Ga 和锗 Ge。当时尚未发现镓 Ga 和锗 Ge，所以门捷列夫当时预计那里应该会有未发现的元素并给这两种当时尚未发现的元素取名为镓 Ga 和锗 Ge，还预测了这两种元素的性质。

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门捷列夫对镓 Ga 的的性质预测和镓 Ga 的实际性质。（表中内容来自 Chemistry LibreText）。门捷列夫预测其单质熔点很低，实际上也确实如此：镓 30 摄氏度左右就会变成液体。一般的金属都是固体，所以金属熔点普遍很高。门捷列夫对镓 Ga 做出 “熔点低” 这一预测听起来很不可思议，但却是准确的。

在门捷列夫提出这张早期元素周期表之前并非没有元素一览表。门捷列夫的优秀之处在于他在制作周期表时注意到了有些位置应是空白的，认为那里应该有当时尚未发现的元素并准确预测了空白位置元素的存在和性质。周期表可以说是作为科学家理解元素性质的强有力的武器而 C 位出道的吧。

门捷列夫对元素周期表的改善

当然了，门捷列夫最早提出的元素周期表还是有几处地方需要完善。在这张早期元素周期表中没有稀有气体元素一行（现行的元素周期表里稀有气体元素是排成一列），因为当时稀有气体元素尚未被发现。还有，为了保证性质相似的元素排列在一起，有些元素并没有遵守按原子量大小顺序排列的规则，比如碲 Te 和碘 I，尽管碲的原子量更大，但碲排在碘的前面。原因是碘 I 具有明显的卤素元素（溴，氯）的特征。出现这样不遵守原子量大小顺序的排列方式是因为元素本就应该按照核质子数排列而非原子量大小。鉴于当时原子的结构还不清楚，所以出现这种排列上的特殊情况并不是门捷列夫的失误。后来随着原子结构逐渐明了，元素排列顺序改成按核质子数排列了，碲 Te 和碘 I 的特殊排列现象也得到了解释。可以说从此元素周期表的排列顺序得到了物理学上的支持。

随着时代发展的元素周期表

随着新元素的发现和原子结构的阐明，周期表的形式也在不断地发展。让我们来看看它的发展情况。下图是门捷列耶夫发布的第二版元素周期表。在这张表中元素的排列变成了横向。注意到在表格顶部的说明栏中有 RH 和 RO 的符号。这些对应着所谓的族号，族是用属于该列的元素的氢化物 RH 和氧化物 RO 的组成式来命名的。

门捷列夫发布的第二版元素周期表。(图片来自维基百科 )

加了亚族的短周期型的元素周期表

以门捷列夫的第二版元素周期表为基础，添加了稀有气体元素、镧系元素、锕系元素的短周期型元素周期表诞生了。这个短周期型元素周期表中有 1 族（I 族）到 8 族（VIII 族），每个族再用 A，B 亚族划分。现在的周期表中的 1，2，13……17 族在短周期型元素周期表中对应 IA，IIA，IIIA，……，VII 族，现在的 3，4，……，11，12 族在短周期型元素周期表中对应 IIIB，IVB，……，IB，IIB 族。虽然这样看有点复杂，但是这个元素周期表里纵向的元素还是性质相似的。

1990 年代使用的元素周期表。I 到 VIII 的族被进一步划分为 A 和 B 亚族。

Bayley 和 Bohr 的金字塔型元素周期表反映了原子结构

在下图这张金字塔元素周期表的第三周期到第四周期过渡的时候（图中表现为 II 到 III 过渡），出现了分裂，裂分为典型元素区和过渡金属元素区。当 Bayley（贝利）提出这个金字塔型元素周期表时，人们尚不清楚原子的结构，因此我们不知道 Bayley 是否有划分元素区块的意图。但后来，以设计出原子模型而闻名的 Bohr（玻尔）也提出了金字塔型元素周期表。为了在周期表中反映原子的结构，玻尔可能意识到需要将短周期型元素周期表的亚族分离出来。周期表作为一种不仅帮助了解元素性质，还帮助了解原子结构的工具正在逐步发展。

Bayley 提出的元素周期表。图片来自文献 [5]

但是这份金字塔型元素周期表初看很难看出族与族之间的联系。比如通过从钠 Na 延伸的线，可以导出钾 K，K 和 Na 一样都是碱金属元素。钠在金字塔的边缘，所以不用太费劲就能追踪到钾，但是从里面的磷 P 等寻找下一个周期的元素，就像追踪错综复杂的电线一样难找。沿着 Na 延伸的线，我们还可以找到和 Na 八竿子也打不着的 Cu。在门捷列夫的元素周期表中，Na 和 Cu 是以亚属的形式区分的，但在金字塔型元素周期表中，给人的印象是族之间的联系反而变弱了。

在金字塔型元素周期表里找寻族与族之间的联系简直太难了

长周期型周期表解决了亚族问题的同时还区分了元素区

随着金字塔型元素周期表被提出，后续也有多种元素周期表被陆陆续续提出，1950 年代，短周期型元素周期表是最常被使用的。那么我们现在熟知的并且在教科书里广泛出现的那张中间有凹槽的元素周期表是什么时候诞生的呢？令人颇感惊讶的是它其实早在 1923 年就诞生了9。下图为我们现在熟悉的元素周期表的前身。除了稀有气体元素位于左端，硼 B 和铝 Al 位于凹槽左侧外，形状与现在的元素周期表基本一致。元素族的名称也继承了短周期型元素周期表的名称，1-8 族（I–VIII）分为 A 和 B 亚族。

Deming 的周期表图片来自 meta-synthesis9

那么问题来了，这个长周期型元素周期表是怎么由它之前的元素周期表演变而来的呢？从金字塔型元素周期表出发，将 2 族和 3 族切断，然后将 2 族和 3 族的元素横向排列就得到了长周期型元素周期表；从短周期型元素周期表出发，把 IB, IIB, IIIA–VIIA 族全部迁移到 VIII 族的右边。短周期和长周期虽然很相像，但是完成转变工程量还是很大的。长周期型元素周期表没有削弱元素横向纵向的联系，并且还表现出了金字塔型元素周期表里的元素区。

元素周期表变形过程分析

长周期型元素周期表是怎么变宽的？

长周期型元素周期表并不是一下子变长的。前面提到长周期型元素周期表最早于 1923 年提出。那么提出后，它是怎么被世人接受并认可的呢？答案是药品公司的宣传册上大量印刷这个元素周期表，并大量发散，这样人们就接受了这个元素周期表的存在 4。如果某个元素周期表被教科书采用它的大众知名度就会极大地提升。经过一遍遍修改，终于在 1950 年，长周期型元素周期表被教科书正式采用，出现在了教科书上 4。

然而短周期型元素周期表直到上世纪 80 年代后期仍在使用。毕竟考虑到从短周期表过渡到长周期表，变化还是很巨大的，人们自然需要多花点时间接受。但是我们不得不思考一个问题：究竟是什么让科学家们抛弃了使用近 100 年的短周期元素周期表而转向使用周期元素周期表？

短周期元素周期表为什么退出了历史舞台？

笔者费尽周折调查一番，发现并没有一份明确的声明宣布废止短周期元素周期表。但是 IUPAC 在 1988 年公布了元素周期表综列的 1 至 18 族的名称6。正是这个决定把短周期元素周期表推向了废弃的边缘。如果元素族要凑满 18 个，就只有使用长周期型元素周期表来命名元素族了。但是这引出了一个新问题。

1988 年 IUPAC 对元素族名做出改革，自此元素亚族消失

为什么要废除亚族，为什么元素族的名称要变成 1-18 族？

上世纪后半叶，短周期元素周期表与长周期元素周期表并用，亚族（A 和 B 族）的命名方法因不同的元素周期表而异，十分混乱 4, 6。如下图所示，从 III 族到 VII 族，无论亚族如何分配，性质相似的元素都可以纵向对齐，周期律不会出现不妥。从 III 族到 VII 族，亚族 A 和 B 的取法是任意的。

混乱的亚族命名。试试看找找两个元素周期表的不同之处！

虽然族名的取法是任意的，但是对初学元素周期表的学生而言，不同参考书上会因为采用的元素周期表不同，族名取法也不一样，这会给初学者带来极大的困扰。在这样混乱的族名命名情况下，化学界开始审议变更族名，1988 年 IUPAC 正式规范了 1-18 族的名称。

2016 年元素周期表正式确定！

除了规范元素族名之外，科学家还花了很多努力来填补元素周期表上空缺的元素位置。直到 2016 年，IUPAC 才正式命名了鉨 Nihonium（Nh）和鿫 Oganeson（Og）等 118 号元素。门捷列夫提出元素周期表近 150 年后，元素周期表至第七周期的空白才全部填满。至此，元素周期表算是正式完成了。

2019 年现在使用的长周期型元素周期表

在这里插入图片描述

参考文献

井口洋夫，井口眞「新元素と周期律」, 裳華房，2013.
IYPT2019 の Web ページ https://www.iypt2019.org/ 5/4/19 閲覧.
Chemistry LibreText, https://chem.libretexts.org/Under_Construction/Purgatory/Textmaps_and_Wikitexts/Introductory_Chemistry/CK-12_Chemistry_(Version_I)/Chapter_3%3A_The_Organization_of_the_Elements/3.1%3A_Mendeleev’s_Periodic_Table, 5/4/19 閲覧.
Fernellus, W. C.; Powell, W.H. Chem. Educ.1982, 59, 504. DOI: 10.1021/ed059p504
G. N. Quam, M. B. Types of Graphic Classifications of the element. https://www.meta-synthesis.com/webbook/35_pt/JCE_PTs_1934_medium.pdf
浜田圭之助，化学教育，1983, 31，482, 1 20665/kagakukyouiku.31.6_482
PAC1988, 60, 431-436. DOI: 1351/pac198860030431
Poliakoff, M.; Markin, A. D. J.; Tang, S. L. Y.; Poliakoff, E. Nature Chemistry2019, 11, 391. DOI: 1038/s41557-019-0253-6
meta-synthesis https://www.meta-synthesis.com/index.html, 5/5/19 閲覧.