元素周期表需要重新设计吗？3大“怪异”使科学家对重设趋之若鹜

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几乎每个化学实验室的墙上，都有一张元素周期表。通常，我们将元素周期表的创造归功于俄国化学家迪米特里·门捷列夫。1869年，他将当时已知的63种元素写在卡片上，并根据化学和物理性质对它们进行排列，这就是我们现在耳熟能详的元素周期表的雏形。

为庆祝元素周期表诞生150周年，联合国宣布将2019年定为国际化学元素周期表年。150年风雨变迁，物是人非，元素周期表能安然度过下一个150年吗？

随着我们对元素的认知日益深刻，科学家发现了元素周期表不少“怪异”之处，有人怀疑现在的元素周期表是否是最佳排列方式，并提出要对其进行重新设计。英国《新科学家》杂志在近日的报道中，对现有元素周期表的“怪异”之处以及科学家提出的替代方案进行了介绍。

氢应“身居”何处？

让我们先从打头阵的氢开始。氢的最外层电子数为1，排在现在的位置或许也无可厚非——在第1族内，排在最外层同样只有一个电子的锂和钠之后。

然而，氢是气体，不是金属，因此，从属性上来说，有点“德不配位”。

由于氢的外壳只能容纳两个电子，而氢实际上只有一个电子，这使其处于不圆满状态，导致化学活性非常活跃。在这个意义上，氢类似于第17组中的元素——氯等卤族元素。它们的外壳只需要获得一个电子就可完整，这就使氢和卤族元素具有相似的反应活性。因此，就性质而言，氢比锂更接近氯。

汞和金为何如此“怪异”？

此外，在元素周期表下方的汞也很“怪异”。

汞在室温下呈液态。从这个意义上来说，它与第12族的其他成员（包括锌和镉）完全不同，因为后两者都是固体金属。

科学家解释说，在元素周期表中，越往后的元素，其原子核中质子所带正电荷数就越多，对核外电子产生的吸力更大，这意味着它们必须以越来越快的速度运行。根据爱因斯坦的相对论，这会导致它们的实际质量远远大于电子的正常质量，从而增加内向拉力。

而汞电子的运行速度高达光速的58%，这使它们的电子轨道非常紧密，无法与别的原子发生联系，因此无法成为固体。

同样的道理也解释了为什么金是金色——金属中一种独特的颜色：相对论效应改变了电子吸收光的方式。

F区难题

第3族有2个可能属于其他地方的元素。

电子在不同的轨道内，填满整个原子核的外壳，电子每填满一个轨道便进入下一层轨道。当我们沿着周期表往下看，到了第57号元素（镧），电子便开始进入新轨道，即F轨道。为了反映这一点，元素周期表将组成F区的元素单独放在周期表的下方，从而在第3族留下一个缺口。

这容易理解，但科学家对F区中哪个元素应排在最前面仍有争议。一些化学家坚持认为，应按电子的排序来确定顺序，即维持现在的顺序，把镧和锕排在F区最左侧。还有人认为，按化学性质（如原子半径和熔点）来看，把目前排在最右的镥和铹排在最前面更好。

2016年，国际纯化学与应用化学联合会组建了一个工作小组来解决这一争论，但可能很难在短期内给出结论。

替代方案层出不穷

所有这些问题都让一些化学家相信，我们需要重新设计元素周期表的布局，以突出在传统表格中并不明显的元素之间的相关性。

目前并不乏这方面的想法，科学家们已提出了数百个版本的元素周期表（英国曼彻斯特城市大学的马克·里奇保留了这些版本的周期表的互联网数据库），其中西奥多·本菲提出的螺旋状和退休的加拿大化学家费尔南多·杜富尔发明的看似圣诞树的3D版本尤为流行。

其中，螺旋式元素周期表以氢元素为中心，元素随着原子质量增加呈螺旋式上升。每个轮辐（从中心到外围的直线）上的元素具有相同的属性，就像今天元素周期表中同一族的元素一样。

西奥多·本菲提出的螺旋周期表（1964），强调了元素之间的连续性。图片来源：英国《新科学家》网站

美国加州大学洛杉矶分校的埃里克·谢里则支持一种更彻底的修改方法：通过把F区的全部30种元素放进现在的第2和第3族之间，使竖列从18列变为32列。如此一来，周期表中的原子序号就可以连续排列。

但德国马克斯·普朗克数学研究所的吉勒莫·雷斯特雷波倾向于另一种方式。鉴于我们对元素化学反应性的了解不断增加，他研究了同一周期中元素的化学相似性是否与150年前相同。他得出结论称，镧应属于第3族——也就是说，不符合当前顺序。

重新设计元素周期表或许看起来像是唐吉柯德式的探索，但也许很快会成为一项紧迫工作。我们已经开始寻找第119号元素。它在何处？把它安排在元素周期表的什么位置合适？我们只能拭目以待。