AL123 人文社科免费专区文学 2023-03-08

牛津通识读本：元素周期表（中文版）_AZW3_MOBI_EPUB_埃里克•塞利

内容节选

第二章现代周期表速览现代周期表元素在周期表行列中排列的方式，能反映出它们的许多关系。其中一些关系广为人知，另一些则依然有待发现。在20世纪80年代，科学家发现超导性（即电在零电阻下流动）出现的温度比之前观测到的超导温度高出许多，从不高于20K的典型温度值跃升到100K级别。研究者在将镧、铜、氧、钡结合成复杂化合物时，偶然发现它具有高温超导性。随后，全世界争先恐后展开行动，用尽办法提高能够维持超导效应的温度。最终的目的是做到常温超导，它可以带来许多技术突破，比如让磁悬浮列车在超导轨道上轻松滑行。元素周期表是这项探索用到的一条主要原理。它可以让研究者将化合物中的某些元素替换成行为类似的其他元素，再测试产物的超导性质。元素钇就是这么进入了一组新的超导化合物：化合物YBa2Cu3O7的超导温度为93K。这些知识，当然还有更多的知识，就潜藏在周期系统中，等待着被发现、被善用的那天。就在最近，研究者又发现了一类新的高温超导体。它们是氮磷族氧化物，一类包含氧元素、一种氮族（第15族）元素，以及一种或多种其他元素的材料。LaOFeP和LaOFeAs的超导性质（分别发现于2006年和2008年）发表后，研究者对这类化合物的兴趣暴增。他们再次想到了使用砷（As）（就像上文的后一种化合物那样），它在周期表里就位于磷的正下方。制药领域对同族元素的化学相似性也怀有很大的兴趣。例如，铍元素位于周期表第2族顶端，在镁之上。因为两种元素相似，铍能替代药物中的镁元素，而镁对人体必不可少。这种行为从一个方面解释了铍为什么对人体有毒，因为它们固然很相似，但终究是不同的。类似的还有镉元素，它在周期表中位于锌的正下方。于是，在许多重要的酶中，它能替换锌。周期表同一行位置相邻的元素也会具有相似的性质。例如，铂与金相邻，而我们很早就知道，一种名为顺铂的含铂无机化合物能够治疗多种类型的癌症。于是，很多药物在研制时就用金替换铂，人们用这种方法已经生产了一些很有效的新药物。最后再提一个根据元素在周期表中的位置来制药的例子。这种药使用了铷元素，铷在表中属于第1族、位于钾的正下方。像之前提过的一样，铷原子近似钾原子，因此像钾一样容易被人体吸收。研究者将这一行为用于监测技术，因为铷很容易受癌变组织，尤其是脑部癌变组织吸引。常规周期表按行和列排布。横向纵向都可以观察到元素性质的变化趋势。每一横排都是表上的一个周期。要横跨一个周期，首先会走过左边的钾、钙之类的金属，再穿越铁、钴和镍这类过渡金属，然后经过锗这样的半金属元素，再继续走到表右诸如砷、硒和溴等非金属那里。通常，在横跨整个周期时，元素的化学、物理性质都会连续变化，但这一通则也有例外，化学研究因而成为一个引人入胜又难以预料的复杂领域。金属多样，可以从柔软暗淡如钠、钾渐变到坚硬闪亮如铬、铂和铁。另一方面，非金属往往是固态和气态的，分别如碳和氧那样。就外观而言，固态金属和固态非金属常常很难分辨。在非专业人士看来，坚硬闪亮的非金属可能比钠这样的软金属更像金属。从金属到非金属的周期变化在每个周期循环出现，因此把每行摞起来之后，每列（或者说每族）就由相似的元素构成。每一族内部的元素往往共有很多重要的理化性质，尽管也有不少例外。 1990年，国际纯粹与应用化学联合会推荐用阿拉伯数字取代罗马数字，为各族元素从左到右依序编为第1到第18族（图4），并不再使用旧周期表中的字母A、B等。图4 中长式表周期表的形式毫不夸张地说，光是已出版的周期表就超过1 000种，近年来网上的就更多了。它们都有什么联系？是否存在最佳周期表？这些是本书即将探讨的问题，它们可以教给我们许多现代科学中的有趣事物。我们应当首先解决问题中的一点。对已出版的周期表进行分类的一种方法，是将它们分为三种基本形式。第一种是由纽兰兹、洛塔尔·迈耶尔和门捷列夫等周期表先驱最初提出、发表的短式表，我们会适时更细致地讨论它们（图5）。这类表本质上是将当时已知的所有元素堆为8列，或者说8族。粗略地说，如果元素按自然顺序（这是后面要讨论的另一个话题）排列，那么这种排列就反映了元素似乎会每8个重复一次的事实。随着有关元素性质的信息不断积累，加之又发现了更多元素，一种叫作中长式表（图4）的新型排列脱颖而出。现在，这种表型基本上算是独占鳌头。它有一个奇怪的特点，即表的主体没有包含所有的元素。看看图4，你就会发现第56和第71号元素之间断开了，后面第88和第103号元素之间也一样。“缺失”的元素都堆放到一处，像独立的脚注似的列于主表下方。将镧系与锕系元素分离出来的做法纯粹是为了方便。如果不拿出来，周期表就会宽很多，准确地说是32个元素宽度，而现在是18个元素宽度。32个元素宽的表不适合印在化学课本的内页，或是做成大幅挂图挂在教室和实验室里。不过，如果将元素用这种扩展的形式排列（......