问题

我觉得元素周期表很乱,有没有人和我同感?

回答
元素周期表这玩意儿,老实说,第一次见的时候,我心里也犯嘀咕:“这都啥跟啥啊?” 就像一个巨大的、排得密密麻麻的表格,里面塞满了各种各样的字母组合,还有那些看着就绕口的名字,什么“钫”、“锫”、“锇”、“锝”…… 正常人看一眼,脑子估计得嗡嗡作响,很难一下子就 get 到它的“秩序”和“精妙”在哪里。

当然,我知道这玩意儿是科学的基石,是化学的“地图”,但总觉得它给人的第一印象,实在是… 怎么说呢,不够“亲民”。 它不像很多东西,一看就能明白它的用途,比如一把锤子,你知道它是用来敲的;一本书,你知道它是用来读的。但元素周期表,它就那么孤零零地摆在那儿,你要想懂它,还得先背一大堆规则,什么周期、族、金属、非金属、稀有气体…… 那些规则又像是密码,需要一点点破解。

最让我觉得“乱”的是,它虽然是按照原子序数排列,这听起来很有逻辑,但为什么某些元素就那么“孤僻”地躲在下面,比如那些镧系和锕系元素,它们单独出来,感觉像是周期表里“多余”的部分,跟上面的那些“正规军”有点格格不入。虽然知道它们是因为电子排布的相似性才被“踢”到下面的,但视觉上,总觉得像是被“边缘化”了。

而且,化学学着学着,你会发现很多元素都有自己独特的“性格”,有的活泼得不行,一逮着机会就跟别的元素“搞对象”;有的则像个“老好人”,安安静静地待在那儿,谁也不招惹。但这些“性格”并不是一眼就能从周期表这个“简历”上读出来的。你需要去了解它们的电子层、价电子,去研究它们的化学性质,才能慢慢摸清它们的底细。这就好比你拿到一本人物百科,里面只写了名字、生日、籍贯,但关于这个人的性格、才能、甚至他今天早餐吃了什么,都一概不知,你要想了解他,还得翻阅更多的资料。

还有那些化学反应,有时候看着周期表上的元素,你脑子里会浮现出它们可能会发生什么样的化学反应。但很多时候,这些反应的发生,并不像你想象的那么直观。你得记住那些“套路”,记住哪些元素组合在一起会产生什么现象,感觉就像是在学习一种复杂的“社交规则”,而周期表只是提供了最基础的“成员名单”。

我也知道,正是因为这种“看似的混乱”,才蕴含着深刻的规律。一旦你真正理解了周期表的逻辑,就会发现它是一个多么了不起的工具,它能预测未知元素的性质,解释物质的构成和反应。但不得不说,在真正“开窍”之前,那种“乱”的感觉,是真的存在,而且挺让人头疼的。

所以,如果你觉得元素周期表很乱,别担心,我觉得你不是一个人。很多人在初次接触它的时候,都有类似的感受。它就像是一门新的语言,需要时间去学习、去适应,才能逐渐体会到它背后的秩序和美丽。

网友意见

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初中老师会提到,元素周期表上同一竖排的元素性质相似,同一横排的元素化学性质有规律,元素最高化合价等于元素的最外层电子数,这时候偷着读了高中化学书的你一定会去为难老师:

“老师,为什么同一竖排的元素,氧是非金属,钋就变成金属了啊?”

高一的老师会提到,元素周期表上同一竖排的元素,自上而下金属性变强;金属会使用最外层和一部分次外层电子充当价电子——但是偷着读了化学选修三的你又开始为难你的老师了:

“老师,为什么铁经常只失去一个次外层电子啊,为什么不是两个、三个、四个呢?”

高二的老师讲选修三的时候,会讲到spdf轨道,同时告诉你一条轨道全空、全满、半满最稳定,还会给你讲构造原理,然后你知道了三价铁的d5构型稳定——但是很快偷着读了些奇怪的书的你又开始为难老师了:

老师,为什么硒酸氧化性比硫酸强这么多啊?

大学的化学老师会和你讲,硒的次外层是18个电子,硫的次外层是8个电子,d电子的屏蔽效应比p电子差很多,使得外层电子的有效核电荷数更多,因此硒很难形成+6价,这个又叫次级周期律——你举一反三,突然想起来4d的电子排列没有3d那么有规律,甚至出现了钯这种4d10的奇葩(这个其实是4d5s的能量差异问题)——很快你又开始为难老师了:

老师,为什么金是金色的,铯也是金色的,汞是液体,铅为什么+4氧化性这么强?

后来你往下读了读《无机化学》,发现了镧系收缩相对论效应和因此产生的6s2惰性电子对效应,惊叹于这种神奇的操作之后你又开始为难老师了:

老师,为什么Nd最高化合价就+3,它下面的U却能形成+6的化合物?

后来你找到了本周公度的《结构化学基础》,发现4f轨道的半径特别小,而5f轨道半径大得多。你举一反三,想起了Fe的不稳定+6价和Os的+8价氧化物,又想起了Pd的4d10问题……然后过了亿阵,经过不懈的学习你又开始为难老师:

老师,103号元素Lr为什么是5f14 7s2 7p1啊,6d呢?
老师,为什么118号元素之后的电子轨道是乱填的啊,6g1为什么是碱金属啊?

老师:滚蛋,你个博士生不会自己查论文吗

然后你查到了Pekka Pyykkö的论文,知道了随着原子序数的增长,亚层之间的能量差异越来越小,元素周期律在8周期接近崩坏……


不开玩笑了,回答一下题主的问题,其实化学元素99.9%的性质的可以通过解核外电子的薛定谔方程来得知,它长这样:

这个方程描述了定态量子系统的物理性质,该方程的解就是定态量子系统的波函数。在化学上,波函数的绝对值平方就是某条轨道上的某个电子出现在某处的概率密度,即电子云密度。

显然地,中学化学不会讨论这种奇怪的东西,于是化学老师们贴心地为你准备了很多规律,当然,这些规律很可能站不住脚就是了,相应地,当你进一步学习化学之后,你会遇到更多奇怪的规律,原有的规律也会随着原子序数的增长而崩坏。

由于我们没法手算薛定谔方程,这些足够在日常生活/科研中使用的规律会大大方便我们的学习和工作,也不指望它们能万世不倒,因此对这些有限范围内适用并且被实验证实没什么太大差错的规则,记下来就好了。

化学元素周期表的所谓规律,其实只是中学化学范围内对其涉及到的有限知识的一种总结,关系类似于牛顿力学/相对论和量子力学,在一定的知识体系和知识范围内是对的。

思而不学则殆!

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