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門捷列夫對化學元素的預測

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基於元素從輕到重體現出的一些規律，德米特里·門捷列夫於1869年公佈了一張元素周期表。[1]在提出他的周期表時，門捷列夫發現表格中有幾個空缺，他預測了這些尚未發現元素的存在，它們將具有符合規律的性質。門捷列夫將這些元素命名為類硼 (eka-boron)、類鋁 (eka-aluminium)、類錳 (eka-manganese) 和類矽 (eka-silicon)，它們的質量數分別是44，68，72和100。

前綴

為了給預測的元素起一個臨時的名字，門捷列夫使用了來自梵語數字1、2、3[2]的前綴 eka-，[note 1]dvi- 或 dwi- 和 tri- ，使用哪個前綴取決於這個元素位於其表中的已知的同族元素下方第一個，第二個，或是第三個。例如，鍺在其 1886 年被發現前曾被命名為類矽 (eka-silicon)，錸在 1926 年被發現前曾被命名為二類錳（dvi-manganese）。

eka- 前綴也被其他理論化學家使用，而非僅僅在門捷列夫一人的預測中。在被發現之前，鈁曾被命名為類銫 (eka-caesium)，砹曾被命名為類碘 (eka-iodine)。即使是現在，eka- 也有時被用於代替某些超鈾元素，例如將120號元素 Ubn 稱為類鐳 (eka-radium)。但目前 IUPAC 的正式方法是使用基於元素原子序數的系統元素名稱作為臨時名稱，而不是像這些前綴所追求的那樣基於該元素在元素周期表中的位置。

原始預測

門捷列夫預測的元素
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
（在現代元素周期表中標出）

門捷列夫預言的四個輕於稀土元素的元素，類硼（eka-boron, Eb，位於5號元素硼的下方）、類鋁（eka-aluminium, Ea 或 El [3]，位於13號元素鋁的下方）、類錳（eka-manganese, Em，位於25號元素錳的下方）和類矽（eka-silicon, Es，位於14號元素矽的下方），很好地給出了21號元素鈧、31號元素鎵、43號元素鍀和32號元素鍺的性質，其中每一種都填補了門捷列夫在周期表中指定的空位。

門捷列夫給出的這四種元素的名稱分別是 экаборъ (ekaborʺ)、экаалюминій (ekaaljuminij)、экамарганецъ (ekamarganecʺ)，以及有代表性的 экасилицій (ekasilicij)，都採用了1917年改革之前的俄語正寫法。

最初版本的元素周期表沒有將稀土元素從過渡金屬中析分出來，這解釋了門捷列夫對重的未知元素預測不如輕元素準確以及稀土元素沒有那麼為人所知或有據可查的原因。

拉爾斯·弗雷德里克·尼爾松於1879年分離出了氧化鈧；裴爾·克利夫於同年年底識別出這一對應關係，並將其通知了門捷列夫。門捷列夫於1871年預測了類硼，認為其原子量為44，而鈧元素的質量數為44.955908。

1871年，門捷列夫預測了一種尚未發現的元素存在，他將其稱為類鋁（eka-aluminium，因為它在周期表中的位置與鋁接近）。下表比較了類鋁和實際的鎵的性質，後者由保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭於1875年發現，僅在門捷列夫做出預測後不久。

性質 類鋁 鎵
原子量 68 69.723
密度 (g/cm3) 6.0 5.91
熔點 (°C) 低 29.76
氧化物 化學式 Ea2O3 Ga2O3
密度 5.5 g/cm3 5.88 g/cm3
溶解度 在酸和鹼中均可溶
氯化物 化學式 Ea2Cl6 Ga2Cl6
揮發性 易揮發 易揮發

鍀於1937年由卡洛·佩里爾（英語：Carlo Perrier）和埃米利奧·塞格雷分離，在門捷列夫逝世之後。他們從歐內斯特·勞倫斯在回旋加速器中用氘核轟擊過的鉬樣品中分離出鍀。門捷列夫於1871年預測類錳的原子量是100，而鍀最穩定的同位素是98
Tc
。[4]

鍺在 1886 年被分離出來，並為當時的理論提供了最好的例證，因為它與鄰近元素比門捷列夫之前證實的兩個預言與其臨近元素的差別更加顯著。

性質 類矽 鎵
原子量 72 72.630
密度 (g/cm3) 5.5 5.323
熔點 (°C) 高 938
顏色 灰色 灰色
氧化物 類型 耐火二氧化物
密度 (g/cm3) 4.7 4.228
酸鹼性 弱鹼性 弱鹼性
氯化物 沸點 100 °C 以下 86.5 °C (GeCl4)
密度 (g/cm3) 1.9 1.879

其他預測

門捷列夫於1871年預測了釷（90號元素）和鈾（92號元素）之間存在另一個元素。1900年，威廉·克魯克斯從鈾中分離出一種他無法識別的放射性物質——鏷。在1913年和1918年，不同的鏷被分離的消息在德國得到證實，[5]但其直到1948年才被命名為 protactinium。自1945年格倫·西奧多·西博格關於錒系元素的觀點被接受，釷、鏷和鈾被歸類為錒系元素，因此，鏷沒有佔據73號元素之下的第五周期元素類鉭的位置。實際上的類鉭是人工合成的105號超重元素𨧀。

門捷列夫在其1869年版的表格中隱含地預測了一個22號元素鈦和40號元素鋯的較重的類似元素，但在1871年他將57號元素鑭放在了那個位置上。而1923年發現的鉿澤證明了門捷列夫1869年預言的正確性。

門捷列夫的預測[6] 現代名稱 原子量
類硼 鈧，Sc 21
類鋁 鎵，Ga 31
類錫 鍺，Ge 32
類錳 鍀，Tc 43
二類錳 錸，Re 75
二類碲 釙，Po 84
二類銫 鈁，Fr 87
類鉭 鏷，Pa 91

有些預測失敗了，因為他沒有意識到第六周期鑭系元素的存在。[6]

之後的預測

1902年，在接受了氦和氬存在的證據後，門捷列夫將這些稀有氣體放在他的周期表的第0族。[7]因為他懷疑原子理論是否能解釋定比定律，他沒有先驗的理由相信氫是最輕的元素，而是認為在這些惰性的0族元素中存在一個假想的較輕元素尚未被發現，這個元素可能是放射性產生的原因。現在一部分元素周期表將中子放在這一位置（見0號元素），但是人們從未觀測到這種元素。

門捷列夫還預測了一種較重的原氦元素——𰛂，名稱來自日冕的一條無法解釋的譜線。由於校準錯誤，得出的波長為 531.68 nm，校正後為最終為 530.3 nm。1939年，格羅特里安（英語：Walter Grotrian）和埃德倫（英語：Bengt Edlén）最終識別出其源自FeXIV。[8][9]

第0族中最輕的元素，也就是周期表中的第一個元素，被門捷列夫認為其原子質量介於 5.3×10−11 u 到 9.6×10−7 u。門捷列夫估計其動能速度大約為 2,500,000 m/s。門捷列夫認為這種氣體近乎沒有質量，可以滲透到所有物質中，而且其很少發生化學反應。這種超氫元素擁有高流動性和極小的質量，所以它會導致一種這樣的情況：即它們可能是稀薄的，但看起來又非常緻密。[10][11]

門捷列夫後來在一本名為《一種以太的化學概念》（A Chemical Conception of the Ether，1904年）的小冊子中發表了一種對以太的理論表述。他在1904年發表的內容再次提及了兩種比氫元素輕的元素。他將「以太氣體」視為一種由至少兩種比氫元素輕的元素組成的星際大氣。門捷列夫指出這些氣體起源於恆星內部的劇烈轟擊，而太陽是這種氣體的最主要來源。根據門捷列夫的小冊子，星際大氣可能是由這兩種元素和另外幾種元素一起組成的。

註釋

  1. ^ 引用錯誤：沒有為名為ekasanskrit的參考文獻提供內容

參考文獻

  1. ^ Kaji, Masanori. D. I. Mendeleev's concept of chemical elements and The Principles of Chemistry (PDF). Bulletin for the History of Chemistry. 2002, 27 (1): 4–16 [2006-11-09]. （原始內容 (PDF)存檔於2008-12-17）. 
  2. ^ Kak, Subhash. Mendeleev and the Periodic Table of Elements. Sandhan. 2004, 4 (2): 115–123. Bibcode:2004physics..11080K. arXiv:physics/0411080v2 可免費查閱. 
  3. ^ 引用錯誤：沒有為名為mendeleev1871的參考文獻提供內容
  4. ^ 這是質量數98，與原子質量的區別在於，它是對於一種同位素的原子核中核子數的計數，而不是相對於12
    C
    的平均樣本（具有天然同位素集合）的實際質量。98
    Tc
    的相對原子質量是97.902714。對於從地球誕生以來就不夠穩定的元素，通常的做法是使用最穩定的同位素的原子質量數，而不是天然存在的原子質量的平均值。 Technetium. [2006-11-11]. （原始內容存檔於2006-12-03）. .
  5. ^ Emsley, John. Nature's Building Blocks Hardcover, First. Oxford University Press. 2001: 347. ISBN 0-19-850340-7. 
  6. ^ 6.0 6.1 Philip J. Stewart. Mendeleev's predictions: success and failure. Foundations of Chemistry. 2019, 21: 3–9. S2CID 104132201. doi:10.1007/s10698-018-9312-0 可免費查閱. 
  7. ^ Mendeleev, D. Osnovy Khimii [The Principles of Chemistry] 7th. 1902-03-19 （俄語）. 
  8. ^ Swings, P. Edlén's Identification of the Coronal Lines with Forbidden Lines of Fe X, XI, XIII, XIV, XV; Ni XII, XIII, XV, XVI; Ca XII, XIII, XV; a X, XIV (PDF). Astrophysical Journal. July 1943, 98 (119): 116–124. Bibcode:1943ApJ....98..116S. doi:10.1086/144550. hdl:2268/71737. 
  9. ^ Identification of Spectral Lines – History of Coronium. laserstars.org. 
  10. ^ Mendeleev, D. Popytka khimicheskogo ponimaniia mirovogo efira. St. Petersburg. 1903 （俄語）.  An English translation appeared as Mendeléeff, D. An Attempt Towards A Chemical Conception Of The Ether. 由Kamensky, G.翻譯. Longmans, Green & Co. 1904. 
  11. ^ Bensaude-Vincent, Bernadette. L'éther, élément chimique: un essai malheureux de Mendéleev en 1904. British Journal for the History of Science. 1982, 15 (2): 183–188. JSTOR 4025966. S2CID 96809512. doi:10.1017/S0007087400019166. 

拓展閱讀

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