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元素週期的推測探究

相信有很多人仍記得國中自然課：「親你那假如色髮（氫鋰鈉鉀銣銫鉣）……」有著上百個元素的週期表，表上提供了從元素的重量與電子組態，到元素參與反應的特性，顯現出元素間各種性質的脈絡，是所有化學家們必備的重要工具。想想看，在一百多年前，不知道分子、原子、電子的存在，更不知道還有中子、質子及電子組態，俄國科學家門得列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834~1907） 從當時科學界對於元素的有限知識，再以他對化學元素性質的瞭解，以原子量排序，推測排列出各族元素的週期表（圖一）。例如，排好鋰、鈹、硼、碳、氮、氧與氟之後，下一個已知元素是鈉，與鋰性質類似，就落在鋰的下方被歸在同一族；排到氯的時候，就位落在性質相近的氟下方。於是最活潑的幾個金屬鋰、鈉、鉀、銣、銫被排為起頭的一族，而最活潑的非金屬氟、氯、溴、碘被排在「最後」的一族，門得烈夫不止排出週期表，更發現了元素的週期定律，同時他也成功的預測了數個當時還未發現的元素，是一個非常驚人的成就。不過，他並不知道這個週期表上還隱藏了一族極為低調的氣體，是在「最後」一族之後，因為有非常安定，不參加反應的化學性質，還沒有被人發現。

圖一：門得列夫的化學元素週期表。

氦氣氬氣的意外發現

門得列夫依據原子量的排列，預測在氫和鋰之間可能有一個元素存在，卻沒想到是藏了一整族的元素。1868年8月18日，揚森（Pierre Janssen）和洛克伊爾（Joseph Norman Lockyer）在觀測太陽的色球層時，發現了一種發射光譜中有黃色譜線的新物質，為地球所無，他們把該物質命名為「氦」（helium），該詞源自希臘語，意為「太陽」。

1882年，瑞立（John Strutt, 3rd Baron Rayleigh, 1842~1919）用一架非常精密的天秤測量各種氣體的密度，精確的量測到了萬分之一克，氫氣、氧氣、氯氣的密度都量完了，但他在量測氮氣的時候碰到了大麻煩。他用兩種方法製造的氮氣，一是把空氣通過高熱的銅網，氧氣反應生成氧化銅，剩下的就是氮氣，另一是讓氧氣通過濃氨水，生成物除了水之外也是氮氣，後者的氮氣卻比前者重。這個謎題困惑了當時的科學家們好幾年，直到拉姆賽（Sir William Ramsay, 1852~1916；1904 年諾貝爾化學獎得主）對這個氣體施以高電壓分析光譜，終於找到一個新的氣體元素，由於這個元素和已知的元素都不發生反應，加熱加壓通電催化都無動於衷，因此依據希臘字「惰性」將這個氣體命名為氬（argon）。氬的原子量為39.9，應該排在鉀或氯的附近，但當時的週期表上已經沒有空間再擠一個空位給這個新元素，因此拉姆賽大膽的推斷，氬只是一整族新元素的其中一員。

在尋找氬氣期間，拉姆賽重複了美國地質學家希爾布蘭德的實驗，成功的分離出了氦氣。1902 年，門得列夫接受了氦和氬元素的發現，並這些稀有氣體納入他的元素排列，今日的元素週期表即從該排列演變而來。瑞典科學院長說：在沒有任何表徵性的物種存在下，卻發現了一整族的新元素，是化學研究上的唯一，也在科學推展上深具意義。……【更多內容請閱讀科學月刊第526期】