人類天生就喜歡整理東西。廚師們會精心地將各種香料分類，並依照字母順序或使用頻率分類。孩子會把存錢筒裡的硬幣倒出來，分成一毛、五毛、一圓和兩圓幾類。就連雜貨店裡的商品也是按照某種方式分類的。沿著國際通道走，你會發現中國雞蛋麵和玉米餅殼放在一起。
事實證明，化學家也是組織狂。他們尋找元素之間相似的物理和化學性質，物質的基本形式，然後嘗試將它們歸類為相似的組別。
19世紀末，科學家開始嘗試將元素分類，當時他們已知的元素約有60種。然而，由於缺乏關鍵資訊——原子結構，他們的努力尚未成功。雖然最初的嘗試失敗了，但一位名叫德米特里·門捷列夫的俄國化學家的一次嘗試卻大有希望。儘管門捷列夫的預測並不完全正確，但他的方法為現代元素週期表奠定了基礎。
如今，元素週期表囊括了112種已命名的元素，並承認還有幾種未命名的元素。它已成為化學領域最實用的工具之一，不僅對學生有用，對在職化學家也很有用。它根據原子序數對元素進行分類（稍後將詳細介紹），告訴我們任何給定元素的核組成，描述電子在給定元素周圍的排列方式，並讓我們預測一種元素與另一種元素會發生怎樣的反應。
那麼，這種組織方式究竟有何過人之處呢？請繼續閱讀，我們將為您介紹這最實用的化學工具的歷史、組織方式和用途。
井然有序：元素週期表的起源
1829年，德國化學家J. W. Dobereiner注意到某些由三個元素組成的族具有相似的性質。他將這些族稱為三合族，並基於它們發布了一套分類系統。例如，氯、溴和碘形成了一個三元組，因為溴的原子量（79.904）接近氯（35.453）和碘（126.904）的平均原子量。遺憾的是，並非所有元素都能組成三元組，因此多貝雷納的努力失敗了。另一個分類系統試圖將元素分為八度音階，就像音符一樣，但並未成功。
1869年，俄國化學家德米特里·門捷列夫（Dmitry Mendeleyev）出版了第一張元素週期表，將每個元素的化學性質和品質寫在卡片上。他依照原子質量從大到小的順序排列卡片，發現性質相似的元素會依照規律出現。但他對這張表做了一些改變。在某些情況下，他違反了原子質量從大到小的順序，將性質相似的元素放在一起。例如，他將碲（原子質量為128）放在了碘（原子質量為127）之前，這樣碘就可以與氯、溴和氟歸為一類，因為它們都具有與碘相似的性質。他也推斷，如果為了保持週期性規律而必須顛倒元素的位置，那麼原子質量值一定是錯的。最後，他在元素週期表中為那些他認為應該存在但尚未被發現的元素留出了空白。
門捷列夫的元素週期表預測了原子質量分別為45、68和70的三個元素。後來，這些元素分別被確定為鈧、鎵和鍺，證明了門捷列夫的預測是正確的。現代元素週期表中的原子質量與門捷列夫時代的略有不同，因為20世紀期間測量原子質量的方法得到了改進。這些發現證明了門捷列夫方法的實用性，儘管這種方法並非沒有缺陷。直到20世紀初，原子結構開始顯現，人們才有了合理的解釋。
1911年，英國化學家亨利·莫斯利研究了高能量電子轟擊各種元素時，這些元素發出的X射線的頻率。每個元素發出的X射線都有獨特的頻率，頻率隨著原子質量的增加而增加。莫斯利按頻率遞增的順序排列元素，並為每個元素分配一個數字，稱為原子序數（Z）。他意識到原子序數等於質子或電子的數量。當以原子序數遞增排列元素時，無需像門捷列夫那樣切換某些元素，就能觀察到週期性規律，而元素週期表中的「空格」則帶來了新元素的發現。莫塞利的發現被總結為週期律：當按原子序數遞增排列元素時，它們的化學和物理性質會呈現週期性規律。這項規律催生了現代元素週期表。
逐塊建構元素週期表
元素週期表中的每個區塊都包含一個元素以及一些關於該元素的標準事實：
- 原子序數：整數，等於元素中原子數或電子數。金的原子序為79。
- 元素符號：一個或兩個字母。如果是兩個字母，則第一個字母總是大寫。氫的符號是H，氦的符號是He。符號可能比較複雜，因為有些符號是基於元素常用名稱的第一個字母，如氫的符號，而其他符號則是基於元素的拉丁文名稱，如金的符號Au（拉丁文為aurum）。
- 元素名稱
- 原子質量：通常為十進制數值，例如黃金的原子質量為196.966 569(4)表示黃金
有些元素週期表在元素名稱下方或元素名稱的旁邊標示了電子結構（電子排列）。此外，有些元素週期表也精心設計了彩色符號，用於表示元素在標準溫度（25攝氏度或77華氏度）下是固體、液體還是氣體，並使用彩色背景來表示元素的類型（鹼金屬、鹼土金屬、非金屬、稀有氣體等）。
如您所知，元素在週期表中按原子序數遞增排列。元素橫跨七行。每行稱為一個週期，表示電子在該元素原子核周圍佔據的能量級或殼層。例如，第一能階最多只能容納兩個電子，因此氫和氦佔據週期1。在周期2中，第二能階開始填充。這種模式一直延續。第七週期中的元素有足夠的電子來填充第七能階。目前尚無已知的元素具有八個能階。
第一級以上的每個能階都有子能階或軌道。軌道有s（尖銳）、p（主要）、d（擴散）和f（基本）四種。但電子不會依照s、p、d、f的順序直接填滿。那樣太簡單了。一個能階的軌道與下一個能階的軌道之間存在一些重疊。例如，第四能階的電子會依照以下順序填滿： 4s、3d、4p。 （如果您不太清楚，美國化學學會的元素週期表可以讓您了解各種電子結構是如何運作的。
隨著原子序數的增加，一個能階被填滿，一個新的週期開始。如果按照原子序數遞增的順序排列所有元素，週期表將佔據一張以上的標準紙。這就是為什麼化學家格倫·西博格（Glenn Seaborg）建議將鑭系元素和錒系元素從表中抽出，放在下面，以使表格更緊湊。
最外層能階的電子是參與化學反應的活躍電子。因此，在每個新周期開始時，都有化學性質相似的元素－那些具有一個外層電子、兩個、三個等。門捷列夫無法預測這種週期性，因為他不知道原子結構。但是這些柱子呢？
週期表中的長條圖
構成元素週期表的各列稱為族－共有18族。族表示具有相似化學和物理性質的元素。大約80%的元素是金屬（具有良好導熱性和導電性的閃亮元素），15%的元素是非金屬（導熱性和導電性較差）。其餘元素是類金屬，兼具金屬和非金屬的特性。讓我們來看看其中一些元素族，記住，有時族成員分散在元素週期表上，不一定排成整齊的一列。例如，氫看起來應該屬於第1族，即鹼金屬，但實際上它更喜歡與非金屬為伴。
鹼金屬（第1組或IA）如鋰、鈉和鉀，具有高度反應性，在自然界中通常不單獨存在。它們因與水發生化學反應而命名，在化學反應中生成強鹼性物質，如氫氧化鈉或鹼液。它們具有一個價電子（或最外層電子，即離原子核最遠的電子），在化學反應中會失去該電子。鈉氣填充路燈，而液態鈉則用於某些核反應器中的熱傳遞。
鹼土金屬（第2組或IIA）包括鎂、鈣和鋇等。這些元素在化學反應中會失去兩個價電子。雖然它們不如鹼金屬活潑，但通常不會單獨存在於自然界中。例如，鈣與碳結合形成碳酸鈣，構成石灰石、大理石和貝殼。牙齒和骨骼也由鈣化合物構成。鈹是海藍寶石和祖母綠等寶石中常見的一種元素。
鑭系元素和錒系元素（第3組或IIIB組）包括有光澤的金屬（鑭系元素或稀土元素）和放射性元素（錒系元素）。鑭系元素在地殼中含量豐富，但很難從其化合物中分離出來。所有錒系元素都是放射性元素，但只有錒、釷、鐃和鈾是天然存在的。其他錒系元素是在核反應器和粒子加速器中產生的。
過渡金屬（第4-12族或第IB、IIB和IVB-VIIIB族）都是自然界中存在的發光金屬，但反應性不如第1和第2族。最外層s軌道和內層d軌道的電子可以參與化學反應。它們包括我們通常認為的金屬元素，如鐵、鎳、鉻和貴金屬，如金、銅、銀和鉑金。
金屬多位於第13族（IIIA），部分位於第14-16族（IVA-VIA）。金屬包括鋁、錫、鉛和鉍。金屬比第1族和第2族元素更堅硬、更緻密，但比過渡金屬更柔軟、更不緻密。大多數金屬在自然界中以化合物的形式存在，但經過提煉後，它們可以像鋁一樣以遊離態存在。
惰性氣體（第18組或VIIIA）包括氦、氖、氬、氪、氙和氡。當然，氦氣用於填充氣球和飛艇。氖、氬和氙用於照明。氡是地球放射性衰變產生的產物，透過土壤進入您的家中。惰性氣體也被稱為惰性氣體，因為它們不會與其他元素發生化學反應。為什麼不會？它們最高能階的軌道上充滿了電子。因此，它們不會與其他元素發生反應，也不會與其他元素分享價電子。
非金屬和類金屬組成了元素週期表。非金屬可以透過相互共享價電子或從金屬中奪取價電子來形成化合物。一類非金屬（17或VIIA）具有高度反應性，稱為鹵素（氟、氯、溴、碘和砹）。
元素週期表中的趨勢
了解特定元素屬於哪個族以及其原子結構是怎樣的非常有用，但這並不是元素週期表的全部。如果你正在研究它，那麼你正在研究科學家們窮其一生努力探索的課題。如果你將元素週期表作為一個整體來看，一些大的趨勢開始顯現，這些趨勢告訴我們一個元素如何與另一個元素反應。
在了解這些趨勢之前，先快速回顧化學知識可能會有所幫助。首先，金屬與非金屬反應形成離子化合物。非金屬原子從金屬原子獲得一個或多個價電子。當一個原子獲得或失去一個價電子時，就會形成離子。質子數多於電子數的離子帶正電，稱為陽離子（來自金屬）。電子多於質子的離子帶負電，稱為陰離子（來自非金屬）。最終，兩種離子都達到外層能階。其次，非金屬傾向於共享電子，使兩個原子都達到外層能階，形成共價化合物。但是，如何知道哪一種元素與哪一種元素反應，從而生成離子或共價化合物呢？這取決於幾個因素：
- 電離能：剝離第一價電子所需的能量
- 電負性：衡量原子束縛價電子的緊密程度
- 核電荷：原子核中的正質子與能階中的負電子之間的吸引力。質子越多，核電荷越大。
- 屏蔽：內部電子傾向於屏蔽外部電子免受原子核的吸引力。價電子和原子核之間的能階越高，屏蔽效果越好。
讓我們看看這些因素如何幫助預測任何兩種元素將發生何種化學反應。
如果你查看元素週期表，會發現離子的電離能會隨著縱列的下降而降低，隨著週期從左到右的移動而增加。將第1組和第2組（左側）的元素與第16組和第17組（右側）的元素進行比較，就會發現前一組元素的電離能較低，不會緊緊抓住價電子，而是傾向於形成陽離子。因此，第1組和第2組中的元素傾向於形成離子化合物。
與電離能一樣，從左到右，電子負性在縱列中遞減，在週期中遞增。因此，氟比鋰更容易從其他元素中奪取電子。兩個元素之間的電子負性差異將決定它們是交換電子（離子化合物）還是共享電子（共價化合物）。你可以利用電離能和電子負性的趨勢來預測兩個元素是否會形成離子或共價化合物。
最後，原子核電荷在元素週期表上從左到右逐漸增加，而屏蔽作用在元素週期表上保持不變，但會隨著元素在元素週期表上的下降而增加。這些趨勢可以告訴我們原子的大小。原子和離子在元素週期表上從左到右逐漸變大，因為屏蔽效應超過了原子核電荷的影響，所以原子核和電子之間的吸引力變弱，原子體積變大。相反，原子在週期表中會變小，因為核電荷效應超過了屏蔽效應，所以原子核與電子之間的吸引力更大，原子體積縮小。
很難相信一張薄薄的紙片竟能包含如此多的信息。
國際純化學與應用化學聯合會（IUPAC）：元素的守門人
IUPAC負責管理元素週期表，截至2011年11月，該表包含112種正式命名的元素，如鑀和常規的舊元素鉀。
官方元素是指聲稱已被發現、發現經過驗證且已命名的元素。非官方元素是指聲稱已被發現但尚未得到證實，因此尚未命名的元素。最近在元素週期表中聲名大噪的元素之一是倫琴，它於1994年12月被發現，並以X射線發明者威廉·倫琴的名字命名。
最後發現的元素原子序數為112、114、116和118。它們分別被非正式地稱為ununbium（Uub）、ununquadium（Uuq）、ununhexium（Uuh）和ununoctium（Uuo），分別是這些元素的希臘文名稱。元素週期表中有原子序數為115和117的元素，但這些元素尚未被發現，就像門捷列夫在元素週期表中為尚未出現的元素留出了空白。當然，科學領域沒有什麼是靜止不變的，所以如果您不確定某個元素是否是官方元素，最好向IUPAC確認一下。
「鈾鈾」這個讀音不太順口，那麼元素是如何獲得新名稱並正式命名的呢？命名時是否有任何限制？用心愛的寵物來命名元素是否嚴格禁止，而用家鄉或實驗室的名稱則可以接受？
請記住，這些新元素都是放射性元素，它們是在粒子加速器中產生的，在衰變成另一種元素之前壽命很短。此外，任何新發現的元素必須具有超過10-14秒的壽命。在確認這些新元素方面有兩個困難：第一，它們不是大量產生的；第二，它們不會持續很長時間。這意味著，要證實新元素已被發現這項說法，還有很長的路要走。但命名元素的過程如下：
- 必須在科學文獻中公佈發現新元素的主張。
- IUPAC會分析該聲明，確定發現者（通常會有多個實驗室宣稱發現了新元素）、實驗是否有效以及是否符合新元素的標準。 IUPAC會在其官方期刊《純化學與應用化學》上公佈分析結果，確定發現者以及發現過程。
- 該元素將獲得一個臨時的希臘文名稱，並在元素週期表中佔有一席之地。
- IUPAC邀請有功的發現者提交新元素的名稱和符號，這些名稱和符號應取自神話概念、礦物、國家或地區、屬性或科學家。
- 通常由中立的科學家對提案進行公開審查。
- IUPAC做出最終決定。
- IUPAC在《純與應用化學》雜誌上公佈新元素名稱，並將其添加到元素週期表中。
許多人用不同的方式來表現元素週期表，例如螺旋形、3D形式，甚至還有幽默的“大象元素週期表”，其中一隻卡通大象對元素進行了略微不同的詮釋。例如，氦元素區畫中畫了一隻充滿氦氣的大象氣球，鈹元素區畫中畫了一隻冷冰冰的大象－Brrr-illium。明白了嗎？然而，這些對元素週期表的演繹都沒有被證明比現在任何化學教科書中使用的標準形式更有用。