2026-06-22 10:03:31

化學知識地圖

發布單位：綜合規劃組

文／楊朝源

說起元素週期表，大概是每位學生們念書時，最怕遇到的惡夢之一吧。從氫鋰鈉鉀銣銫鍅，一路背到氦氖氬氪氙氡，除了元素常常名字看不懂，整個元素週期表的形狀還非常奇怪，讓記憶難度提高。生吞活剝背完中文後，還有元素符號、原子序、等大魔王在後面摩拳擦掌，根本讓人背到懷疑人生。

雖然元素週期表很可怕，但你可知道今年，也就是西元 2019 年，正是元素週期表誕生的第 150 年，被聯合國設為國際化學元素週期表年！在這大喜之年，就讓我們放下以前的恩恩怨怨（？）瞭解一下元素週期表這 150 年來經歷的風風雨雨吧。

國際化學元素週期表年。圖：SIF

誕生於俄國科學家之手，北境永不遺忘

元素（elements），也就是組成物質的基本單位，自古以來每個文明都有各自的敘述與想像來說明，例如古代中國的五行說（金木水火土），古希臘的四大元素（水火氣土）等等。從這些學問中，不難想像古人對於物質的好奇。然而究竟是什麼東西構成了我們的世界？在近代科學中，法國科學家拉瓦節（Antoine-Laurent de Lavoisier）跨出了第一步。

十八世紀末，被後世譽為「現代化學之父」的拉瓦節發起了一場革命，給予世人對於元素的新理解，而後十九世紀初有了英國科學家道爾吞（John Dalton）的原子說，原子量成為分辨元素時的一大利器。在這之後，各個元素開始陸陸續續地被發現，但是面對越來越多的元素種類，學者們試過各式各樣的排列方式，卻沒有一個令大家都信服的結果，來為這些元素分類與排序。

門德列夫肖像。圖：By Historical and Public Figures Collection

– New York Public Library Archives, Public Domain, wikimedia commons

就在所有科學家都摸不著頭緒的時候，俄國科學家門德列夫 (Dmitri Ivanovich Mendeleev) 於 1869 年提出了他的元素週期表，他將化學相似的元素分為七個家族（當時尚未發現第八族元素），按照原子量的大小進行排列，並且預測了四個元素的存在。然而，門德列夫的元素週期表並沒有在發表時就一炮而紅，讓人們高喊元素週期表元年到來，而是成為眾多元素週期表中的其中一個，競爭正確答案的寶座。

之後過了六年，也就是 1875 年，法國科學家布瓦伯德朗（Paul Émile Lecoq de Boisbaudran）從鋅礦中提煉出了一種新的元素，被命名為鎵（Ga）。這個發現的驚人之處不僅僅是因為發現了新的元素，更因為鎵的原子量、化學性質以及比重等等特性，都與門德列夫的「類鋁」預測幾乎一致，這樣精準的預測結果讓世人開始注意到門德列夫的元素週期表。接著科學家陸陸續續在 1879 年發現了鈧（Sc），1886 年發現了鍺（Ge），更是讓世人對門德列夫的想法更加信服。

因為他的洞見，150 年後，我們仍然敬佩這位俄國的科學家，他的貢獻將不會被世界所遺忘。

鎵可以被人的體溫融化。圖：Newton desk

瞭解原子，揭開元素週期表的規則

剛剛說了元素週期表是為了讓科學家將元素排序所產生的，因此元素週期表的背後必然有一定規則存在，才能使各式各樣的元素按照規律排列。而這些背後的祕密，卻是在門德列夫的元素週期表問世以後，才一點點的被揭開。

西元 1897 年，英國化學家湯姆森（Joseph Thomson）透過陰極射線發現電子，這個發現打破長期以來科學界認為原子不可分割的理論。在 1913 與 1932 年，拉塞福（Ernest Rutherford）和查兌克（James Chadwick）分別發現了質子與中子，對於原子構造的認識終於有了初步的進展。而帶有負電的電子、帶正電的質子與不帶電的中子，正是瞭解元素週期表規則的起點。

元素週期表。圖： Life 生活化學，CC BY-NC-ND 3.0，禁止使用商業用途、修改

本圖為標準現代化學元素週期表，依族與週期分色顯示，各欄包含元素名稱、符號、序號：

週期與族群劃分

橫列為週期，從1到7週期。

直行為族，共18族（主族、副族），標註族號。

元素以顏色區分：主族元素、過渡金屬、鹼金屬、鹼土金屬、卤素、惰性氣體等。

表格內容

元素格內含：原子序、元素代號、中文名。

總計118格，包括周期表底部鋁系元素（57~71）、錒系元素（89~103）。

特殊元素如氫、氦分別置於週期表首末，以反映電子結構。

協助理解用途

適合作為化學科普、教育、報考及科學研究參照。

色塊分明，輔助視覺辨識化學族群規律性及組成特點。

電子、質子和中子組成了原子，其中質子的數量代表了原子序，也就是上圖中元素左上的數字，因此從只有一個質子的氫為首，開始由左向右讀，元素的順序便是一氫二氦三鋰四鈹……，直到目前編號最後一個元素，也就是編號 118 的 Og，擁有 118 個質子。（編按：編號 117 的元素 Ts（石田）以及編號 118 的元素 Og（气奧）為新造字，多數電腦系統尚無法顯示這兩個字元，所以後面提到這兩個元素時一律以英文元素符號表示。）

為了保持原子的電中性，帶負電的電子必須要和帶正電的質子是相同的數量。電子在原子核周圍環繞，其運動的位置被稱為軌域。當目前的軌域被填滿後，電子就會排到下一層的軌域，也就是新的週期。目前的元素週期表有七個週期，由上而下每個週期的元素數量分別是 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32。

在原子最外層的價電子，則大大決定了原子的化學性質。因為當電子的數量可以填滿軌域的時候，原子就會趨於穩定，也就是不容易產生化學反應，反之原子為了填滿軌域，會進行化學反應來得失電子，以達到安定的狀態。換句話說，具有相同價電子的元素，也就是在元素週期表上同一行（族）的元素，通常會具有類似的化學性質。

舉例來說，8A 族的氦、氖、氬、氪、氙等元素，因為電子的數量剛好可以填滿電子軌域，故都是不容易起反應的穩定氣體，又被稱為惰性氣體。而 1A 族的氫、鋰、鈉、鉀等元素，則是因為剛好多了這麼一顆價電子，所以容易失去價電子，反應後會成為少了一顆電子的帶正電離子，如鈉離子（Na+）。2A 族則有類似情形，只是會變成帶有正 2 價的離子，例如鈣離子（Ca2+）。7A 族的情形則反之，氟、氯、溴等元素需要獲得電子來滿足電子組態，因此常見帶一個負電的離子，如氯離子（Cl-）。（編按：前述元素相關化合物的化學屬性，可上化學知識地圖查找資訊，如氰化銅、次氯酸鈉、全氟辛酸等。）

最後來說說中文的符號有什麼玄機吧，事實上你可以看到中文的元素就只有四個部首，分別是金、石、水、气。這四個部首就代表了該元素在常溫常壓下的狀態，若是固態金屬，就是金部，固態非金屬則用石部，液態的話就用水部，氣態當然就是气部。

說了這麼多，當你下次要記元素週期表的時候，想想這些背後的原因和規則，或許可以幫你省下不少功夫喔。

元素週期表的下一個 150 年，關於未知的新元素

雖然今年已經是元素週期表發表後的第 150 年，但事實上，科學家到今天為止，仍然在嘗試找出新的元素。2009 年，元素週期表上的元素只有到第 111 號的錀（Rg），到了 2010 年，112 號元素鎶（Cn）正式被命名，兩年後，編號 114 的鈇（Fl）和 116 的鉝（Lv）也加入。最終在 2016 年，113 鉨（Nh）、115 鏌（Mc）、117（Ts）與 118（Og）正式加入元素週期表，也就是元素週期表誕生第 147 年後，科學家們終於成功填滿了一到七週期中所有的空格了！

十年之前，元素週期表上只有111個元素。

(圖修改自：GDCH)

但是第七週期是找到所有元素的最後一塊拼圖嗎？德國化學家杜爾曼（Christoph E Düllmann）就說過：「我不知道任何懷疑元素 119 與 120 存在的人。(I know of nobody who doubts that elements 119 and 120 can exist.)」也就是說，科學家們都相信第八週期元素的存在，只是目前為止尚未發現而已。

事實上，與其說是「發現」新元素，這些年倒不如說科學家「製造」出新元素還貼切一些，因為目前為止在自然界發現的元素只有約 90 幾種，其他的元素都是在實驗室裡面製造出來的。尤其是那些原子量超過 104 的超重元素們（superheavy elements），幾乎都是使用加速器使輕元素相互碰撞後產生的。說起來簡單，但做起來可是困難重重，先不說每次的碰撞實驗都需要花上幾個月的時間去準備，成功合成出想要的元素後，這些重元素又會很快就衰退消失成其他元素，壽命從千分之一秒至一兩秒都有，根本就是實驗室裡的煙火秀。

位於俄羅斯杜布納（Dubna）的超重元素研究室。圖：JINR

在這短暫的時間中，還要想辦法從各種粒子中找到並去確定新元素的性質，這就像是要幫閃電拍照一樣困難的任務！以元素 114 鈇（Fl）為例，當時部分的學者推測鈇是一個活性很低的元素，甚至與惰性氣態相近。但又因為鈇在元素週期表的位置在鉛之下，所以照元素週期表的規則來說，鈇的化學性質應該類似於重金屬。

為了找出答案，科學家們設計了一場實驗，他們讓鈇原子通過一個狹窄的黃金隧道，隧道一開始是熱的，但出口端的溫度會低至攝氏 -170 度。若鈇的性質與鉛相似，一開始就會被隧道所吸收，反之如果比較像惰性氣體，那就會移動到接近出口時才被吸收。然而等到實驗結果出爐後，兩組研究人員卻得到了相反的結果，也意味著學者們仍需要更多的實驗，來瞭解鈇這個元素。這個故事向我們展現了研究超重元素的困難，即便如此，科學家們仍會努力地去找出下一個新的元素。

在 119 號元素以後的元素週期表，會有哪些神奇的元素？會在何時結束？又是否會一直保有週期性呢？回首元素週期表誕生 150 週年，讓我們預祝下一個 150 年一樣充滿發現與驚喜。

參考資料

1. Düllmann, C. E. (2019). 118 and Counting… The Periodic Table on its 150th Anniversary. Angewandte Chemie International Edition, 58(13), 4070-4072.

2. 環境部化學署「化學知識地圖網站」—列管毒化物簡表