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Answer 1

元素周期律的发现及元素周期表的建立和完善 元素周期律是指元素的性质随着原子序数的递增而呈周期性变化的规律。元素周期律是自然科学特别是化学学科中的重要基础理论之一。它的发现是自然科学中的一个重大成就，对化学以致整个自然科学的发展都起了很大的推动作用。元素周期律及元素周期表的建立和发展，使之具有如今的面貌，不是一帆风顺的，经历了辩证法和形而上学⑴之间的激烈斗争过程。自1661年英国化学家波义尔发表《怀疑的化学家》一书。提出元素概念，“把化学确立为科学”⑵以来，在整整一个半世纪中，由于形而上学在人们的思想中占了统治地位，再加上当时所提供的实践资料也不充分。直到1800年，人们总共才发现了28种元素，因而元素间相互联系的辨证性质还不可能被揭露出来，化学工作者只好把多种多样的化学元素看作是彼此独立，互不相关的，对元素进行孤立，割裂的研究，从事着对化学元素的简单堆积。后来，随着生产的发展，科学也大踏步地前进了。形而上学的自然观被自然科学的一系列重大发现，打开了一个又一个缺口，弄得百孔千疮。几十种元素间孤立无关的传统观念，也开始引起人们的怀疑。1815年，普劳特提出“氢原子构成一切元素”的假说，说明元素间不是绝对毫无联系的。由于当时认为氢元素的原子量为1，无法解释像Cl（相对原子质量为35.5）等这样一些带小数的原子量，因而普劳特的看法未能被同时代的人所接受。但是，他认为元素间有联系的思想是可贵的，对以后的工作具有积极影响。普劳特以后的几十年间随着生产实践的发展，特别是人们把电力应用于化学，发现了电解的方法，以及人们利用光谱分析仪器观察了各种元素的光谱之后，不断发现了一些新的化学元素，认识了它们的基本化学性质，揭露元素间具有相互联系的感性材料愈来愈丰富。到1869年，人类已知63种元素，并积累了不少关于这些元素的物理、化学性质的资料。因此，人们产生了整理和概括这些感性资料的迫切要求。在寻找元素性质间的内在联系的同时，提出了将元素进行分类的各种学说。 1829年，德柏莱纳⑶把当时54种元素中的15种，按元素间的类似性分成五组，提出了“三素组”的假设⑷。认为一组中的三个元素不仅性质相似，而且原子量的大小也是有规律的，中间元素的原子量，等于前后两个元素的原子量的算术平均值。这是第一次明确地提出了元素的原子量和性质之间的关系问题。 1826年，尚古都在圆柱上制成了一个螺旋图。将元素按原子量递增的顺序排在螺旋线上，结果性质相似的元素都在同一垂线上。第一次暗示了周期的概念。 1864年，德国人迈耶尔⑸发表了《六元素表》。在表中，他跟据相对原子量递增的顺序把性质相私的元素六种、六种进行分族。但《六元素表》包括的元素并不多，还不及当时已经知道的元素的一半。 1865年，英国人纽兰兹⑹把当时已经知道的元素按相对原子质量由小到大的顺序排列，发现从任意一种元素算起，每到第八种元素就和第一种元素的性质相似，犹如八度音节一样，他把这个规律叫做“八音律”，但是，由于他没有充分估计到当时的相对原子质量测定可能有错误，而是机械地按照相对原子质量有小到大的顺序排列，他也没考虑到还未被发现的元素，没有为这些元素留下空位。因此，他按“八音律”排的元素在很多地方是混乱的，没有能正确地揭示出元素间的内在联系的规律。 至1869年，总共已有63种化学元素被人们发现，其中金属48种，非金属15种占天然元素的三分之二，俄国化学家门捷列夫⑺在前人的工作基础上，仔细研究了各种元素的颜色、沸点、比重、硬度、导电性、磁性、导热性、原子量等各种性质，分析总结了很多试验数据，对大量的感性材料，经过一番去粗存精，去伪存真，由此及彼，由表及里地改造和处理。他把当时已知的63种元素的名称，原子量，氧化物以及各种物理与化学性质，分别写在各元素的卡片上。他在排列这些卡片时，不仅根据元素的原子量，而且很重视元素的性质及其与其它元素的联系。1869年2月，门捷列夫按原子量递增的顺序把63种元素排列成几行，同时把各行中性质相似的元素左右对齐，当按原子量顺序安排的位置与元素的顺序发生冲突时，他遵从元素的性质而换掉位置，或者留下空位，这样使每一横排化学元素的性质相近，每一纵行化学元素变化也呈现出周期性的变化。1869年在俄国物理化学会议上提出了“元素性质对于原子量依赖关系”的论文，发现了元素周期律，制定了元素周期表⑻。论文中包括下列几个要素：⑴元素如果按原子量的大小排列起来，其性质呈现着明显的周期性。⑵原子量的大小决定元素的特征，正像质点的大小决定复杂物质的性质一样。因此，例如相似的S和Te的化合物、Cl和I的化合物等，也呈现着极明显的差别。⑶应该预料到许多未知的单质的发现，例如类铝和类硅的元素，其原子量在65～67之间。⑷知道了某元素的同类元素的原子量，有时可以修正该元素的原子量。几乎和门捷列夫同时，迈耶尔也提出了类似的元素周期律，并把元素排成一个表。指出“元素的性质为原子量的函数”，并以元素的原子量为横坐标，原子体积为纵坐标，绘制了原子体积曲线。结果，类似的元素在这条曲线上都占有类似的元素在这条曲线上都占有类似的位置，显示出各元素的原子体积和原子量函数关系。元素周期律虽已被门捷列夫揭示出来，公布于世，但并没有完全被承认甚至连他的导师齐宁也笑他是不务正业。在人们的冷漠和嘲笑中，1871年，门捷列夫改进和充实了他1869年制定的元素周期表，今儿发表了⑼《化学元素的同周期性依赖关系》一文，将元素分成八族，同迈耶尔一样划分了主族和副族。同时他以元素周期表为基础，不顾当时公认的原子量，改排了某些元素（Os，Ir,Pt,Au;Te,I;Ni,CO）的位置，校正了一系列元素（Sn,La,Ce,T,V等）的原子量。最后，相应于周期表中的空位，门捷列夫预言新元素：类铝，类硼和类硅的存在及其性质。四年之后布阿博德朗发现了元素镓，证实了门捷列夫预言的类铝。再过四年，尼尔逊发现了元素钪，证实了门捷列夫预言的类硼，又过七年，温克莱尔发现了元素锗，证实了门捷列夫预言的类硅。在大量铁的事实面前，元素周期律才被举世公认。门捷列夫工作的成功，引起了科学界的震动。人们为了纪念他的功绩，就把元素周期律和元素周期表称为门捷列夫元素周期律和门捷列夫元素周期表。但是由于时代的局限，门捷列夫揭示的元素内在联系的规律不是初步的，他未能认识到形成元素性质周期性变化的基本原因。但应当指出，门捷列夫的元素周期律及在此基础上建立起来的元素周期表，也不是十全十美的，还存在不少问题。如：H与Li之间是否还有元素存在？碲（128）和碘（127）等为什么要颠倒排列？稀土元素的数目到底有多少？它们在表中的位置应如何排列？元素的性质随原子量的增加呈现周期性的原因何在？等等。在这些问题还没有解决的时候，周期律由遇到一个严重考验。雷姆赛在1894年发现了惰性气体氩。氩的原子量是39.9。应排在钾（39.1）和钙（40.1）之间，但这里没有留下空位。这一新发现与已经确定的东西发生了抵触，当时仍然有人主张把氩排在钾的前面，也有些人在这新的矛盾面前，竟然怀疑起事实的正确性来，认为氩和后来发现的氦不是化学元素，而是气体混合物，企图以此来解决氩和钾在原子量上的矛盾。1895年雷姆赛又在地球上发现了另一个惰性气体氦。由于氩和氦的性质很相似，又与周期表中以发现的其他元素的性质相差很大，因此使人们设想氦和氩可能是另一族元素，这就使周期表又增添了一个新的“O”族。新的空位有促进了其他惰性气体元素的发展。雷姆赛于1898年又发现了氪，氖和氙，道纳于1900年发现了氡，这些新的科学成果，使周期律逐步地更加完善了。周期律的又一次发展，是自1911年卢瑟福提出原子有核的模型后，莫斯莱于1913年应用X射线的试验方法，测定了元素的原子核所带的正电荷数目——原子序数的工作，发现了原子序数定律。指出：作为周期律的真正基础不是原子量，而是元素原子的核电荷数。这是周期律的一个重要进展，它把元素性质变化的周期性与元素原子的核电荷数联系起来了。解决了若干不按原子量排列的矛盾，如钴（39.1）和镍（58.7），碲（127.3）和碘（126.9），氩（39.9）和钾（39.1）的倒置等。也解决了氢与氦之间不可能再有其他元素的问题。原子量和原子序数增长次序的不一致，又被后来同位素的发现所解决。周期律的第三次大的发展，是波尔于1913年引用了量子理论，得到了电子在原子中的分布具有层状结构的结论。1916年索麦菲提出了轨道分层的理论，并引用了轨道在电磁场中量于化取向的概念。1925年泡利提出两个电子不能共处于同一量子状态上的不相容原理，规定了每个分层中的最高电子数⑽，确立了每个电子在原子中的状态被四个量子数描述，而在同一原子中不能有四个量子数相同的两个电子存在。量子力学的法展，进一步详细的阐明了原子中电子的层状结构。这就揭示了：元素性质呈周期性变化的原因是由于原子的电子层结构呈周期性的变化。一般讲周期律时，都是按周期方向指出元素性质变化的周期性。但是，早在1887年巴扎罗夫就指出：在元素周期表的族中，元素原子量的大小发生周期性的变化。1915年比隆在“第二周期性现象”和其他的一系列工作中，研究了在同周期表的族中元素某些性质非单调呈锯齿形的周期性变化。使我们对周期表，周期律的认识又加深了一步。近几十年来，大量超轴元素的成名⑾，又使周期表获得了新鲜的内容。总之，周期律和周期表自1869年诞生至今的一百多年来，绝对不是固定不变、原封不动的，而是随着实践的深入不断得到修改、充实和发展，有一个逐渐完善的过程。就是今天的周期表⑿也不是完美无缺的，更不能永远停止在一个水平上。随着社会，科技的进步，元素周期律必然会更加完善、充实。
参考资料： http://www.ouounews.cn/html/meinvtietu/shehuidiaocha/200902/04-2627.html