【科普貼】為什么常見的化學元素周期表是方形的？

　　對于現在的學生和大部分化學研究人員來說，標準矩形周期表有自己的優越性啊，主要的優點是：

　　1）直觀易查；

　　2）易于印刷；

　　3）便于比較基本的化學性質。

　　現代元素分類的基本屬性就是：

　　1）周期數（核外電子層數）；2）族（價電子構型）

　　所以在傳統的矩形周期表上，得知一個元素的周期數和價電子構型，能夠很輕松的找到他的位置：

　　而在矩形周期表上，每個族或者周期的元素的性質都有一定的遞變性，所以我們知道一個元素的位置之后，就能分析出這個元素的一些性質來。比如我們一看到F的位置，就知道這貨的非金屬性肯定很強；一看到Rb的位置，就能聯想到Rb元素單質和水反應很劇烈。

　　但是這種周期表也不是就完全能夠反映元素的所有性質的變化。對于一些在常規周期表上不是很明確直觀的東西，也有一些別的周期表存在，即所謂Alternative Periodic Table。

　　一、非常規的矩形周期表

　　下面這兩個也是“方形”的，列出來是為了解釋“方形”的優越性。

　　1）左排周期表

　　對于研究理論物理學的科學家來說，一個元素的化學方面的經驗性質可能沒有太大的意義。最早，他們可能需要很直觀的就看出核外電子構型，傳統的矩形周期表可能在這方面就不是很方便。1928年法國工程師Charles Janet提出來一種左排元素周期表：

　　這個周期表的每一橫列從左至右是(n-3)f，(n-2)d，(n-1)p，ns軌道的填充情況：

　　按照這個周期表的排列，能夠直接找出一個元素的價層電子構型。

　　比如我舉個例子：

　　B元素，位于2p3s周期p區的第1個，相當于在2p3s軌道上填上1個電子，而2s軌道上的電子在上一周期（2s周期）就填滿了，所以B元素的外層電子構型是：2s2 2p1；

　　另一個復雜一點的，鉈Tl元素，在圖上看到位于4f5d6p7s周期p區第1個，所以其4f5d軌道都是填滿的，6p軌道上有1個電子，7s軌道上沒有電子，所以Tl元素的外層電子構型是：4f14 5d10 6s2 6p1；

　　再來一個過度元素，鈷Co元素，圖上位置是3d4p5s周期d區的第七個，所以其3d軌道上有7個電子，4p5s上都沒有電子，其外層電子結構為：3d7 4s2。

　　Janet左排周期表對于查找外層電子構型是非常有幫助的，但是對于元素化學工作者來說并不比傳統矩形周期表優越很多，有的細節還不是很好，比如稀有氣體元素He放在了和堿土金屬一列，但實際上He的化學性質和堿土金屬差距巨大。

　　2）ADOMAH

　　量子力學發展起來之后，物理學家和化學家用“量子數”來描述原子核外電子運動的狀況。但是傳統的矩形周期表對量子數方面的表示就不是很明確，所以就有ADOMAH這種東西出現。

　　上圖就是一個ADOMAH周期表，實際上是Janet左排周期表做了一些小改動的產物。

　　其中橫排是最大主量子數n，整個周期表分成了很多區，分別對應角量子數l等于1,2,3,4的情況，每個分區的縱列就是最大磁量子數m的絕對值。

　　查詢一個原子核外價電子的量子數，只需要知道其處于第幾行，第幾區的第幾列就可以。比如隨便來一個，鑭系元素的钷Pm的價層電子，從圖中就可以看到n=7，l=3，m=0，±1，±2，±3，±4，±5。

　　當然，用分區的這種方法表示數值的遞增也不是非常直觀，畢竟n，l，m是三個自變量，于是ADOMAH就有了下面的一種模式：

　　實際上對上面兩個“方形”周期表的介紹之后，再聯系傳統的矩形周期表就能看出這樣的形狀的優勢來了。

　　當然也并不是所有周期表都是方形的，但是方形周期表因為直觀易查，元素位置清晰，基本一看就能明了，所以是最為流行的模式。

　　二、螺旋形周期表

　　周期表的另一種比較有名的形式就是螺旋形，例子有很多：

　　螺旋形試圖解決的問題其實是在矩形周期表上有些原子序數相鄰的元素距離很遠的問題。比如Ne（10）和Na（11），明明一個是10，一個是11，但在矩形周期表上卻一個在最右邊，一個在最左邊。因為本身元素的原子序數就是不斷增大的，于是我們把元素按照原子序數的增大就能串在一條螺旋線上，于是就有了螺旋形周期表。

　　但是螺旋形周期表在描述一個元素的具體情況時并不是特別直觀，因為你很難表述他的位置。不像矩形表上，直接可以說第幾行第幾列，而且看的人一眼就能看出來是第幾行第幾列。

　　螺旋形周期表對于高周期元素增多其實有不同的處理，比如寫得密一點，或者把外圈的螺旋折疊起來。但這兩種選擇都會影響周期表的直觀度，比如上圖的周期表，就已經很難精確描述一個元素的具體位置了。

　　三、3D周期表

　　把周期表3D化其實一直是很多人愛干的事情。最經典的3D化是“門捷列夫之花”：

　　這個其實是左排周期表的一種模式，分別把s，p，d，f區折疊起來，圖中可以看到He和堿土金屬是在同一列的。

　　這個周期表的組織方式是把每周期的主族元素按照螺旋式寫下來，然后把副族元素繞在上一周期主族元素的外圈，形成一個層：

　　然后每個層堆疊起來：

　　這樣形成一個八面體，中軸為堿金屬、堿土金屬和H/He，往外依次是非金屬&半導體，過渡金屬，鑭系&錒系元素。

　　3D化的周期表還有很多種，但是也有和螺旋周期表同樣的問題，即直觀性欠佳，另外3D周期表在印刷教材上很難表示出來，所以使用仍沒有矩形周期表廣泛。

　　四、其他類型

　　寶塔形周期表實際上是矩形表的變種，在族的表達上并不如矩形表。

　　塔式周期表也有一個3D的變種。

　　上面這個其實也是層疊式周期表的一個類型。

　　其他的類型也還有很多，也就不一一列出了。

　　五、總結

　　所以綜上所述，其實人類歷史上對周期表的排版做出了非常多的嘗試。而且隨著對元素認識的進步，這樣的排版研究也會更加的完善。

　　上面是門捷列夫1869年版的元素周期表，因為當時對原子結構認識并不深刻，所以這大致是按照原子量進行的排列。