《台灣的翻譯機；耶魯大學的基礎》 - 元素週期表（下）。宇宙能量科學

元素週期表（下）

其他種類的元素週期表

長式週期表（32列週期表）

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族→ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 電子層 0族電子數

週期↓ I A VIII A

（0）

1 1

氫

1.008 II A III A IV A V A VI A VII A 2

氦

4.003

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2 3

鋰

6.941 4

鈹

9.012 5

硼

10.81 6

碳

12.01 7

氮

14.01 8

氧

16.00 9

氟

19.00 10

氖

20.18

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3 11

鈉

22.99 12

鎂

24.30 III B IV B V B VI B VII B VIII B

（VIII）

⏞

I B II B 13

鋁

26.98 14

矽

28.09 15

磷

30.97 16

硫

32.04 17

氯

35.45 18

氬

39.95

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4 19

鉀

39.10 20

鈣

40.08 21

鈧

44.96 22

鈦

47.87 23

釩

50.94 24

鉻

52.00 25

錳

54.94 26

鐵

55.84 27

鈷

58.93 28

鎳

58.69 29

銅

63.55 30

鋅

65.38 31

鎵

69.72 32

鍺

72.63 33

砷

74.92 34

硒

78.97 35

溴

79.90 36

氪

83.80

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5 37

銣

85.47 38

鍶

87.62 39

釔

88.91 40

鋯

91.22 41

鈮

92.91 42

鉬

95.95 43

鎝

[97] 44

釕

101.1 45

銠

102.9 46

鈀

106.4 47

銀

107.9 48

鎘

112.4 49

銦

114.8 50

錫

118.7 51

銻

121.8 52

碲

127.6 53

碘

126.9 54

氙

131.3

6 55

銫

132.9 56

鋇

137.3 57

鑭

138.9 58

鈰

140.1 59

鐠

140.9 60

釹

144.2 61

鉕

[145] 62

釤

150.4 63

銪

152.0 64

釓

157.2 65

鋱

158.9 66

鏑

162.5 67

鈥

164.9 68

鉺

167.3 69

銩

168.9 70

鐿

173.0 71

鎦

175.0 72

鉿

178.5 73

鉭

180.9 74

鎢

183.8 75

錸

186.2 76

鋨

190.2 77

銥

192.2 78

鉑

195.1 79

金

197.0 80

汞

200.6 81

鉈

204.4 82

鉛

207.2 83

鉍

209.0 84

釙

[209] 85

砈

[210] 86

氡

[222] P

K 8

7 87

鍅

[223] 88

鐳

[226] 89

錒

[227] 90

釷

232.0 91

鏷

231.0 92

鈾

238.0 93

錼

[237] 94

鈽

[244] 95

鋂

[243] 96

鋦

[247] 97

鉳

[247] 98

鉲

[251] 99

鑀

[252] 100

鐨

[257] 101

鍆

[258] 102

鍩

[259] 103

鐒

[266] 104

鑪

[267] 105

𨧀

[268] 106

𨭎

[269] 107

𨨏

[270] 108

𨭆

[269] 109

䥑

[278] 110

鐽

[281] 111

錀

[282] 112

鎶

[285] 113

鉨

[286] 114

鈇

[289] 115

鏌

[290] 116

鉝

[293] 117

鿬

[294] 118

鿫

[294] Q

K 8

圖解：

鹼金屬

鹼土金屬

鑭系元素

錒系元素

過渡金屬

主族金屬

類金屬

非金屬

鹵素

惰性氣體

待確認化學特性

在標準狀況下，序號綠色者為氣體；序號藍色者為液體；序號黑色者為固體；序號灰色者為未知相態。

現代週期表有時會將f區元素恢復到其自然位置（在s和d區元素之間），拓展為長式週期表（32列週期表）。與18列週期表不同的是，這樣的排列使得「遞增的原子序列不會間斷」，[112]f區元素和其他區元素的關係也會更加容易看出。[113]學者威廉·B·詹森擔心，學生們在使用現有的18列週期表時可能會將鑭系和錒系忽略掉，誤認為它們是不重要的元素，因此提倡使用32列週期表。[114]儘管有這些優點，長式週期表仍因其形狀過寬，[115]加之及化學家對（由西博格引入的）現有形式更熟悉[116]而未被廣泛使用。

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其它結構的週期表

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主條目：其它結構的週期表

元素週期律可以以多種方式呈現，其中經典的元素週期表只是其中一種。[117]在1869年門得列夫的週期表出現後的100年之中，人們出版了大約700種不同版本的週期表。[63][118]其中除了數種矩形的週期表外，也包含了不少種其他形狀結構的週期表，[j]如圓形、立方體、圓柱、建築物、螺旋形、雙扭線、[119]八角柱、金字塔錐形、球形、三角形等。這些替代版本的週期表常是為了彰顯或強調各種元素在傳統的元素週期表中不明顯的化學或物理性質而打造的。[117]

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西奧多·本菲的螺旋形元素週期表

西奧多·本菲在1960年製作的元素週期表是一個傳播較為廣泛的替代版本。[120]表中的元素被安排成連續的螺旋狀，氫元素位於中央，而過渡元素、鑭系及錒系元素則位於圖中突出的「半島」部分。[121]

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多數元素週期表是二維的，[3]而三維的元素週期表最早可追溯至1862年（較門得列夫的二維週期表的1869年更早）。後來陸續出現的三維週期表有庫爾蒂納「週期表分類」（Courtines' Periodic Classification，1925年）、[122]瑞格理「分層系統」（Wringley's Lamina System，1949年）、[123]保羅·安托萬-吉格爾的「螺旋型週期表」（Periodic helix，1965年）[124]及「杜福爾樹狀週期表」（Dufour's Periodic Tree，1996年）。[125]甚至有人曾建立出「四維」的週期表，如蒂莫西·斯托（Timothy Stowe）的「物理學家的週期表」（Physicist's Periodic Table，1989年），[126]當中包含了三個空間維度和一個色彩維度。[127]

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各式週期表可依照其更強調物理性質還是化學性質而進行歸類。[128]例如，雷那·崁漢（Rayner Canham）「不規矩」[129]的「無機化學家的元素週期表」（Inorganic Chemist's Periodic Table，2002年）著重元素的化學性質，[130]強調趨勢與規律，以及元素不尋常的化學關係與性質。強調物理性質的則有夏爾·讓內的「左階元素週期表」（Left-Step Periodic Table，1928年)，其結構清楚顯示了電子填入電子層的順序和量子力學性質的緊密關係。[131]阿爾珀曾提出類似的電子亞層週期表的想法，[132]但被埃里克·塞利批評為「忽視了週期表展示物理及化學週期性的需求」。[133]而目前最常被使用，且最廣為人知的標準週期表則介於以上兩者之間，人們認為它在表達各種物理性質（如電導率和熱導率）的趨勢時更清楚，在闡釋如氧化數等可以簡單地以實驗室內常用的傳統方法推得的化學性質也簡單明了。[134]此週期表融合了其他週期表的各種特點，大小和形狀易於建構，對原子序及週期性的描述淺顯易懂，因而最為廣泛接受。[78][135]

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閱論編

左階元素週期表（夏爾·雅內版）

f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6 s1 s2

1s H He

2s Li Be

2p 3s B C N O F Ne Na Mg

3p 4s Al Si P S Cl Ar K Ca

3d 4p 5s Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr

4d 5p 6s Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba

4f 5d 6p 7s La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra

5f 6d 7p 8s Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og Uue Ubn

f區 d區 p區 s區

這種形式的週期表與理想狀況下電子按遞建原理填充的順序更為相符，如表中左側所示。實際的電子填充順序中有多處不規律。

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現存爭議

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氫與氦的位置

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如果單是按照氫和氦兩者的電子組態來看，氫（電子組態為 1s1）和氦（1s2）應分別置於鋰（1s22s1）和鈹（1s22s2）兩者之上。[26]相對於氫會較常使用這種排列方式，氦的位置卻甚少以此方式排列。原因可以追溯至1900年代：當惰性氣體被首次發現時它們被稱為「第0族」，反映出當時並無發現這一族元素有任何化學反應。氦之所以會置於該族之上，是因為它確實具有此族元素的極端化學惰性。後來當這一族元素更名為「第18族」元素後，許多作者仍照舊把氦置於氖的上方，其中包括國際純化學和應用化學聯合會的週期表。[136]

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氫的化學性質與第1族的鹼金屬並不相似，因此有時會把氫置於其他位置。其中一種常見的排列方式是將氫放在第17族之上[133] ，這個做法考量到了氫和其他的鹵素都傾向於處於1價的狀態，並且都具備強烈的非金屬性。有時候，氫會同時被放在第1族及第17族之上，以表示其性質分別與鹼金屬及鹵素相似之處。[137]另一個方案是將氫放在第14族之上，也就是碳的正上方，這麼做可以保持週期表中的游離能及電子親合能的遞增性，並且與電負度的趨勢也不致相差太遠，但是此方案的主要問題在於氫無法如其他第14族元素一般存在穩定的4價態。[138]最後，有些週期表將氫從各族中分開來獨立放置，因為氫與其他各族的常見性質都不完全相同。

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而現時，除了依傳統把第1週期的另一個元素氦置於第18族之上以外，（如前文所指，因其的極端惰性與氖及氬十分相似[139]），有時候氦也會被獨立放置，[140]因為氦的表層軌域只有2個電子而其他惰性氣體則有8個。此外依照現在的推測，氦會比氖更為活潑，這會打破第18族當中，越重的元素越活潑的趨勢（氖的電子組態是[He]2s22p6，而氬的是[Ne]3s23p6，依此類推）。

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IIIB族與第6、7週期上的元素

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因為歷史上鑭系元素在表中的位置一直無法確定，加上f區元素的範圍一向存在爭議。儘管鈧和釔一直都是第三族元素的前兩個，但接下來的兩個所屬元素仍有待商榷。一般認為它們是鑭和錒，但有時被認為是鎦和鐒。[141][k][l]有人聲稱這樣的爭議證明，「將週期系統分拆為明確劃分的區塊是錯誤的」。[143]第三種排列方式則將整組鑭系元素和錒系元素全部放入IIIB族。 [144]

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已經有化學和物理論據提出來支持鎦和鐒要置於這兩個位置，[145][146]但大多數元素週期表製作者對此則抑或不置信，抑或不了解，[147]絕大部分活躍的化學家對此爭議毫不知情。[148]2015年12月，國際純化學和應用化學聯合會成立了一個項目，並建議那個位置要麼是鑭和錒，要麼是鎦和鐒。[149]

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鑭與錒

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鑭和錒在釔下面

鑭和錒通常被描述為剩餘的第3族元素。[150][m]研究指出這種布局起源於20世紀40年代，其排列依據是元素的電子構型和區分電子的概念。銫、鋇和鑭的構型是[Xe]6s1、[Xe]6s2和[Xe]5d16s2。因此，鑭具有5d分化電子，這使其「在第3族中作為第6週期的d區的第一個成員」。[151]然後在第3族中可以看到一組一致的電子構型：鈧 [Ar]3d14s2、釔 [Kr]4d15s2和鑭[Xe]5d16s2。還是在第六週期中，鐿的電子組態是[Xe]4f135d16s2，而鎦為[Xe]4f145d16s2，「導致4f的電子分化，並且將鎦牢固地確定為第6週期的f-區塊的最後一個成員」。[151] 後來的電子能譜研究發現，鐿的電子構型實際上是[Xe]4f146s2。這意味著鐿和鎦——後者為[Xe]4f145d16s2——都有14個f電子，對於鎦來說「導致d-而不是f-分化電子」，使其成為釔下第3族週期表位的鑭（[Xe]5d16s2）的「同等有效候選者」。[151]鑭更適合劃分在這個位置，因為5d1電子首次在鑭中出現，而後才在鎦中第三次出現，也在釓中短暫地第二次出現。[152]

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在化學行為方面，[153]以及第3族關於熔點，電負度和離子半徑等性質的趨勢，[154][155]鈧、釔、鑭和錒類似於它們的1-2族對應物。在該變體中，f區塊元素的最常見（三價）離子中的f電子的數量始終與它們在f區塊中的位置匹配。[156]例如，前三個f-區元素的三價離子的f-電子計數是Ce為1，Pr為2和Nd為3。[157]

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鎦與鐒

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鎦和鐒在釔下面

在其他表格中，鎦與鐒是剩餘的第3族元素。[n]早期人們用化學方法分離鈧、釔和鎦，其理論依據是當時人們認為這些元素一起出現在所謂的「釔族」中，而鑭和錒一起出現在「鈰族」中。[151]因此，在20世紀20、30年代，一些化學家將鎦而不是鑭歸入第3族。[o]此外，20世紀50、60年代的一些物理學家將鎦的物理性質與鑭互相比較後，也認為這個位置應當屬於鎦。[151]由於鑭沒有f電子，因此一些學者反對將鑭定為f區的第一個元素。但是也有人認為，元素週期表其他的一些位置也有不合規律的排列方式，因此這個問題沒有意義——例如，釷儘管沒有f電子，但它還是f區的一部分。[158]至於鐒，其氣相原子電子構型在2015年被確認為[Rn]5f147s27p1。無論鐒是在位於f區還是d區中，都會造成週期表的元素異常排列問題。因為唯一可能適用的p區塊位置已被預留給了鉨，人們預測它的電子組態是[Rn]5f146d107s27p1。[159][p]

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在化學上，鈧，釔和鎦（可能也有鐒）表現得像1-2族金屬的三價形式。[161]另一方面，元素的熔點，電負度和離子半徑等性質下降的趨勢與4-8族相似。[151]在該變體中，f區原子的氣態形式中的f電子的數量通常與它們在f區中的位置相匹配。例如，前五個f區元素的f電子計數是La為0，Ce為1，Pr為3，Nd為4和Pm為5。[151]

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鑭系與錒系

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在釔下面的標記

一些學者將鑭系和錒系的所有30個元素都放在了釔下面的兩個位置（通常通過腳註標記）。這一排列方式強調了15種鑭系元素化學性質的相似性，規避了「具體把哪兩個元素放在釔下面」的問題，但會導致f區塊有15列寬（f區任意一行中只能有14個元素）。[q]

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過渡元素

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按照IUPAC的定義，過渡金屬（即過渡元素）是指其原子或陽離子含未充滿的d亞層的元素。 [162]此定義下，第3~11族的元素是過渡金屬，而第12族的鋅、鎘、汞和鎶不是。

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部分化學家認為「d區元素」和「過渡金屬」是同義詞。按此定義，過渡金屬包括3~12列的所有元素。這時12族的元素就成了過渡金屬中的特例——他們的d電子通常並不參與成鍵。2007年，有報告稱在四氟化汞（HgF4）中，汞使用其d電子成鍵，部分人因而認為汞可被視為過渡元素。 [163] 也有人，如詹森，認為像HgF4這樣的化合物只能在極端條件下存在——實際上其存在性尚有爭議——因此汞在通常狀況下不能被合理地視為過渡元素。 [164]

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還有部分化學家將第3族元素從過渡金屬的定義中排除出去，其理由是第3族元素所形成的陽離子的d亞層全是空的（而典型的過渡金屬則有部分填充），因此第3族沒有表現出過渡金屬特有的化學性質。[165]此時只有4~11族被視為過渡金屬。儘管3族元素的化學性質與典型的過渡金屬不盡相同，他們的物理性質卻較相似。（因其每個原子上有且僅有1個d電子）[54]

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化學性質未知的元素

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鿫（118號）及其之前的元素均已發現，然而目前為止，在𨭆（108號）之後的10個元素中，科學界只對鎶（112號）、鉨（113號）和鈇（114號）的化學性質略知一二，而鎶（112號）是唯一足夠了解、可以進行歸類的元素。其他元素可能因相對論效應而表現出與目前的預測（用外推法得到）不同的性質。例如，儘管鈇位於碳族，它被預測擁有與惰性氣體類似的性質。[166]但目前的觀測尚不能確定鈇的性質更接近金屬還是惰性氣體。[167]

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週期表的後續擴展

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主條目：擴展元素週期表

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）

Uue（預測為鹼金屬） Ubn（預測為鹼土金屬） 143 Uqt（化學性質未知） 144 Uqq（化學性質未知） 145 Uqp（化學性質未知） 146 Uqh（化學性質未知） 147 Uqs（化學性質未知） 148 Uqo（化學性質未知） 149 Uqe（化學性質未知） 150 Upn（化學性質未知） 151 Upu（化學性質未知） 152 Upb（化學性質未知） 153 Upt（化學性質未知） 154 Upq（化學性質未知） 155 Upp（化學性質未知） 156 Uph（化學性質未知） 157 Ups（化學性質未知） 158 Upo（化學性質未知） 159 Upe（化學性質未知） 160 Uhn（化學性質未知） 161 Uhu（化學性質未知） 162 Uhb（化學性質未知） 163 Uht（化學性質未知） 164 Uhq（化學性質未知） 165 Uhp（化學性質未知） 166 Uhh（化學性質未知） 167 Uhs（化學性質未知） 168 Uho（化學性質未知） 169 Uhe（化學性質未知） 170 Usn（化學性質未知） 171 Usu（化學性質未知） 172 Usb（化學性質未知）

121 Ubu（化學性質未知） 122 Ubb（化學性質未知） 123 Ubt（化學性質未知） 124 Ubq（化學性質未知） 125 Ubp（化學性質未知） 126 Ubh（化學性質未知） 127 Ubs（化學性質未知） 128 Ubo（化學性質未知） 129 Ube（化學性質未知） 130 Utn（化學性質未知） 131 Utu（化學性質未知） 132 Utb（化學性質未知） 133 Utt（化學性質未知） 134 Utq（化學性質未知） 135 Utp（化學性質未知） 136 Uth（化學性質未知） 137 Uts（化學性質未知） 138 Uto（化學性質未知） 139 Ute（化學性質未知） 140 Uqn（化學性質未知） 141 Uqu（化學性質未知） 142 Uqb（化學性質未知）

※註：119號及以後的元素並無公認的排位，上表

之排位是從理論計算的電子組態推論而得的一種

。[168]黑框標記的為172號元素的位置。

目前並不確定第八週期的元素是否會延續現有的週期律。西博格預計第八週期的元素會按現有規律，119號和120號兩個元素填充s區，接下來的18個元素填充g區，後面的30個元素填充現有的f區、d區和p區，第八週期在下一個惰性氣體168

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原子序數最大的元素

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現時人們還尚未確定元素數量的上限在哪裡。早在1911年，美國化學家艾略特·亞當斯就基於每個週期中元素的組態給出了一個估計：原子質量在256以上（約相當於原子序數99~100）的元素無法存在。[171]後來有新的推測認為，元素週期表可能在穩定島後不久結束[172]（所謂穩定島是指以126號元素Ubh為中心、被質子和中子滴線所限制的週期表和核種表擴展）。[173]其他關於週期表結束的預測包括： 128號（約翰·埃姆斯利）[3]；137號（理察·費曼）[174]； 146號（約根德拉·甘比爾，Yogendra Gambhir）；[175]155號（艾伯特·卡贊，Albert Khazan）。[3][r]

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玻爾模型

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非相對論性的玻爾模型對137號以上的元素失效，因為此處1s電子的速率超過了光速。[176]因此非相對論性的玻爾模型對這些元素並不準確。

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相對論性狄拉克方程

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相對論性的狄拉克方程在質子數多於137的元素上會出現病態的解。這些元素的基態波函數為波動的擴展態而非定域束縛態，且其正負能譜之間沒有能隙，與克萊因悖論的情況相同。[177]考慮到了原子核尺寸的更精確的計算顯示，結合能在原子序數為173的元素中將達到一個閾值。若比這更重的原子的最內層軌域（即1s軌域）沒有充滿，原子核的電場將強到能夠從真空中創造出電子，並因此產生自發的正電子發射。[178] 不過如果1s軌域被電子填充，這就不會發生，因此173號元素不一定是元素週期表的終點。[174]

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最優排列方式

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各種不同格式的週期表使人們不禁心生疑問，最理想或格式確定的週期表是否真的存在。[179]一般認為，這個問題的答案取決於元素的化學週期性是否基於某種紮根在宇宙運行法則中的真理，又或者說這些週期性都只是基於人類觀察者的環境、信仰和偏好所主觀解釋的產物。化學週期性的一個客觀標準將解決有關氫和氦的位置與第3族元素的組成的問題。即便真的存在這一「宇宙真理」，現時人類仍然未能發現該理論。這種情況下，各種不同格式的週期表可以看作是在解釋化學週期性的不同方面，每一種週期表都探究並強調了這些元素之間不同的特徵、性質、屬性和關係。[s]

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