化学精彩问答--中国数字科技馆

精彩问答

化学元素周期表中，后面的很多元素都是合成了几秒或零点几秒就分开，为什么还要在元素周期表中出现，那些合成几秒或零点几秒的元素对生活有什么样的帮助？

　　尽管这些元素半衰期很短而难以直接稳定存在，但是仍然具有重要的实际应用意义。以镧系和锕系元素为例，相比较于研究较为广泛的主族元素和过渡金属元素，镧系和锕系金属在f轨道具有特殊的电子构型，在新材料领域，这些元素具有丰富的光学、电学及磁学特性。探索这些特殊性可以使得这些元素更好地为国防和人民生活服务。例如锎-252作为一种强中子射源，可以被作为核反应堆的中子启动源，在对于癌症的放射治疗无效时，锎所产生的中子也可以用于治疗癌症。由于中子能够有效地穿透物质，因此也可以用于探测器中（中子射线照相机），用来检测飞机等的腐蚀，问题焊接点等。

　　新的合成元素虽然性质不稳定，无法直接应用于人们的生活之中，但是通过对合成元素的制备与研究，可以在一定程度上推动基础科学领域的蓬勃发展，从而促使相关的技术应用得到发展，间接地改变人们的生活。

　　（胡憾石清华大学/张如范清华大学）

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第八周期的元素已经出现了几个？自然界，或者说宇宙中是否可能存在人工合成出来的超重元素呢？

　　目前，最新的元素周期表只包含到第七周期118号元素Og，还未发现确证的第八周期元素。不过，寻找第八周期元素的工作已经开始。日本和美国科学家在2017宣布将共同寻找和合成第119号元素以及其它更重的元素。通常来说，自然界或者宇宙中很难存在人工合成出来的超重元素。因为对于超重元素而言，原子的不稳定性很强，超重原子核存在极大的衰变倾向。际上，人类已知的有稳定同位素存在的最重原子核是82号元素铅，之后的各种重原子核都具有或多或少的衰变倾向。即使能够形成，也会在短时间内转变为其它更轻的原子核，直至能够稳定。因此很难说在自然界或者宇宙中，可以稳定存在类似于人工合成的超重元素。

　　（胡憾石清华大学/徐超清华大学/张如范清华大学）

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过渡金属电子的排布遵循半满和全满规则，可是为什么只有第四周期吻合的较好，第五六周期很多排布并没有按这个规则，为什么？还有击穿效应和屏蔽效应怎么解释，对元素性质有什么影响？

　　半满和全满规则（即洪特规则）为核外电子按能级填充时的经验规律，但这仅限于过渡金属等元素的基态原子在各亚层轨道能级较接近时才有可能出现，况且其前提也为当有空能级轨道时电子的优先填充倾向，实质仍为能量最低效应，因为洪特规则的排布法使总体系趋于更稳定。主族元素各能级高低差异较大，像氟的2s和2p轨道有较高的能级差，2s上的电子受激发跃迁至2p形成的结构总能量效应高于正常的填充构型，故基态氟原子不可能采取该核外电子构型来排布。目前周期表中已知适用洪特规则解释的有如下：铬，钼，钯，铜，银，金这六种过渡金属；不规则构型的则有：铌，钌，铑，铂这四种过渡金属；另外镧系和锕系元素的电子排布有更多不规则构型，其原因也是f亚层和d亚层轨道能量接近，产生了更复杂的能级交错和多电子间的交互作用所致，主族元素因各亚层能级差明显，电子填充时所受影响很小，故没有特殊构型，均严格按照顺序排布。

　　击穿效应（也叫钻穿效应）是指在原子核附近出现的概率较大的电子，可更多地避免其余电子的排斥，受到核的较强的吸引而更靠近核，这种进入原子内部空间的作用叫做钻穿效应。

　　屏蔽效应是指由于其他电子对某一电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷对该电子的吸引力，从而引起有效核电荷的降低，削弱了核电荷对该电子的吸引，这种作用称为屏蔽作用或屏蔽效应。

　　由于钻穿效应和屏蔽效应的存在，使得元素的不同层数的电子在产生能级分裂的同时，还产生了一定的能级交错。

　　（张如范清华大学）

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元素周期表除了在主族、副族和元素最外层电子数揭示了元素的规律之外，还在哪些方面揭示了元素的规律？

　　元素周期律揭示了元素原子核电荷数递增引起元素性质发生周期性变化的事实，有力地论证了事物的量变引起质变的规律性。元素周期表是周期律的具体表现形式，它把元素纳入一个系统内，反映了元素间的内在联系，打破了曾经认为元素是互相孤立的形而上学观点。元素周期表为发展物质结构理论提供了客观依据。原子的电子层结构与元素周期表有密切关系，周期表为发展过渡元素结构、镧系和锕系结构理论、甚至为指导新元素的合成、预测新元素的结构和性质都提供了线索。元素周期律和周期表在自然科学的许多部门，首先是化学、物理学、生物学、地球化学等方面，都是重要的工具。由于在周期表中位置靠近的元素性质相似，这就启发人们在周期表中一定的区域内寻找新的物质。这里举几个例子。①农药多数是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物；②半导体材料都是周期表里金属与非金属接界处的元素，如Ge、Si、Ga、Se等；③催化剂的选择：人们在长期的生产实践中，已发现过渡元素对许多化学反应有良好的催化性能。进一步研究发现，这些元素的催化性能跟它们原子的d轨道没有充满有密切关系。于是，人们努力在过渡元素（包括稀土元素）中寻找各种优良催化剂；④耐高温、耐腐蚀的特种合金材料的制取：在周期表里从ⅢB到ⅥB的过渡元素，如钛、钽、钼、钨、铬，具有耐高温、耐腐蚀等特点。它们是制作特种合金的优良材料，是制造火箭、导弹、宇宙飞船、飞机、坦克等的不可缺少的金属；⑤矿物的寻找：地球上化学元素的分布跟它们在元素周期表里的位置有密切的联系。科学实验发现如下规律：相对原子质量较小的元素在地壳中含量较多，相对原子质量较大的元素在地壳中含量较少；偶数原子序的元素较多，奇数原子序的元素较少。处于地球表面的元素多数呈现高价，处于岩石深处的元素多数呈现低价；碱金属一般是强烈的亲石元素，主要富集于岩石圈的最上部；熔点、离子半径、电负性大小相近的元素往往共生在一起，同处于一种矿石中。在岩浆演化过程中，电负性小的、离子半径较小的、熔点较高的元素和化合物往往首先析出，进入晶格，分布在地壳的外表面。

　　（张如范清华大学）

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为什么第七周期后半元素有些不遵循元素周期律？

　　在元素周期表的第七周期后半元素中，随着原子核越来越大和原子核中的质子数增多，导致吸引电子的库仑力越大，所以围绕着原子核运动的电子的速度会越来越快，达到接近光速。在如此高的速度下，元素对应的性质会不同于元素周期表中所对应的位置所预测的一样，从而不遵循元素周期律（相对论效应的影响）。元素周期律对于超重元素预测能力的丧失不会影响表中其他部分的有用性，但是所伴随着的相对论效应所带来的问题，却非常值得思考。

　　（胡憾石清华大学张如范清华大学）

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