过渡元素


　　人们对路易斯一朗缪尔关于元素电子壳层结构的概念加入一
些细节后，才找出了这个难题的答案。

　　1921年，布里提出壳层未必局限于8个电子。虽然8个总是足
够满足外层，但当该层不在外面时，可以具有比较大的容量。当
一个壳层的外面又形成了另一层时，内层可吸收更多的电子，而
每个后继壳层也可以比前一个容纳更多的电子。因此K层的总容
量为2个电子，L层为8个，M层18个，N层32个，等等——增加的
数目按）顺序层数的平方乘以 2（即2 X1、2 X 4、2 X9、2 X 
16等等）。

　　详细研究元素的光谱支持了这种观点。丹麦物理学家玻尔指
出，每个电子层都是由能级略微不同的亚层组成的。在每个后继
的壳层里，亚层的向外扩展比较大，因此壳层间会互相重叠。结
果，内层（比方说M层）的最外亚层，实际上可以说，可能比下
一层（比方说N层）的最内亚层离中心更远。既然如此，可能N层
的较内层已填满电子，而M层的较外层还是空的。

　　一个例子会把这一点弄清楚。根据这个理论，M层划分成三
个亚层，它们的容量分别是2、6和10个电子，共18个电子。在M
层具有8个电子的氩，已填满电子的只有里面的两个亚层。事实
上，M层的第三亚层或最外层，在元素增添的过程中不会得到下
一个电子，因为它位于N层的最内亚层之外。就是说，氩之后的
钾，其第19个电子并不是进入M层的最外亚层，而是进入N层的最
内亚层、钾在N层有1个电子，像M层有1个电子的钠。下一个元素
钙（20），在N层有2个电子，像M层有2个电子的镁。但现在N层
仅有2个电子位置的最内亚层已经满了，再加入另一个电子可以
开始填充M层的最外亚层，而此层到目前为止却尚未接触过。钪
(21）开始该过程，而锌（30）完成它。在锌里，M层的最外亚层
终于达到它的10个电子的补充。锌的 30个电子分布如下：2个在
K层、8个在L层、18个在M层、2个在N层，此时，电子可以再继续
填入N层。下一个电子使N层有3个电子并形成镓（31），它像M层
有3个电子的铝。

　　在填充那个曾被暂时跳过的亚层的过程中所形成的21～30号
元素为过渡元素。注意钙的性质像镁，镓的性质像铝。而镁和铝
是周期表内相近的元素（第12号和13号）。但钙（20）和镓（31）
却不是。它们之间有过渡元素存在，这导致周期表的复杂性。

　　N层比M层大，划分成4个亚层而不是3个：它们分别可容纳入
2、6、10及14个电子。36号元素氪填充N层的2个最内亚层，但这
里有重叠的O层的最内亚层介入，因此，在电子进入N层外的2个
亚层前，它们要先填充O层的最内亚层。氪之后的元素铷（37号）
在O层有它的第37个电天，锶（38号）完成O亚层2个电子的填充，
因此，一个新系列的过渡元素陆续填入N层跳开的第三亚层，到
镉（48号）完成。而后电子跳开N的第四亚层，填入O的第二最内
亚层，以氙（54号）结束。

　　但是甚至现在N的第四亚层都必须等待它的轮到；因为在这
个阶段，重叠得太厉害，甚至连P层也插入一个亚层，而在N的最
后亚层填满以前，一定要先填这个P的亚层。氙之后的元素铯（5
号）和钡（5号）在P层各有五个电子及2个电子。N层仍未轮到，
第57个电子出人意料地进入O层的第三亚层，产生元素镧（图6－
3）。此时，一个电子好容易才进入N层的最外亚层。稀土元素挨
个地把电子加到N层直到71号元素镥，才最后填满它。镥的电子
是这样排列的：2个在K层，8个在L层，18个在M层，32个在N层，
9个在O层（2个亚层填满，加上1个电子在次亚层）和2个在P层
（最内亚层填满）。

图6—3 镧的电子层和亚层重叠示意图。N层的最外亚层尚需填充

　　现在我们终于开始看到为什么稀土元素和一些其他过渡元素
的族如此相似。就化学性质来说，决定元素差异的是它们最外层
的电子构型。例如，碳在它的最外层有4个电子；氮有5个，在性
质上它们完全不同。另一方面，电子忙于填入内亚层而最外层却
保持不变的一列元素，其性质改变不大。如铁、钴和镍（27、27
和28号元素），它们全都有相同的外层电子构型——一个N亚层
被两个电子填充，化学行为极为相似。它们内部电子的差异（在
M亚层）在很大程度上被它们的表面相似盖住。至于稀土族元素，
这点更加突出。它们的差异（在N层）不是埋在一个而是埋在两
个外层电子构型（在O层和P层）之下，在所有这些元素中都是相
同的。因此，这些元素化学上像豆荚内的豆子一样相似便不足为
奇了。

　　因为稀土金属用途很少而且很难分离，因此化学家们没花多
少功夫这样做——直到铀原子被裂变为止。后来，分离这些稀土
金属变成紧急的事，因为在裂变的主要产物中含有这些元素中的
某些放射性的品种，而在原子弹设计中，必须迅速而清晰地把它
们分离开并加以鉴定。

　　由于采用了1906年俄国植物学家茨维特首先设计的化学方法，
称为色谱分析法，使这个问题得到了迅速解决。茨维特发现，用
溶剂把化学性质相似的植物染料①从装有粉末状石灰的长管中冲
洗下来，可以将它们分离。他把植物染料的混合物溶在石油醚中
并倒在石灰上，然后以纯净的溶剂不断地淋。当染料慢慢地通过
石灰粉末冲洗下来时，每种染料以不同速度移下，因为附着于粉
末上的强度各不相同，结果它们分成了一系列不同颜色的色带。
继续冲洗，分离物质在柱底一个接着一个分开淋下。

　　许多年来科学界忽视了茨维特的发现，也许是因为他只是个
植物学家又是个俄国人，而当时关于难分离物质的研究的领导者
都是德国的生物化学家。但在1931年，德国的生物化学家威尔施
泰特重新发现了这种方法，从此才进人一般使用（威尔施泰特因
为在植物染料方面的优异研究，得到了1915年的诺贝尔化学奖。
而据我所知，茨维特却没有得到荣誉）。

　　发现经过粉末柱的色谱几乎对一切种类的混合物——无色的
以及有色的一一都见效。氧化铝和淀粉被证实用来分离一般分子
比石灰好。分离离子的过程叫做离子交换；一种名为沸石的化合
物是第一个用来完成此目的的有效试剂。例如，人们把水倒入沸
石长柱，可以从硬水里除去钙离子和镁离子。钙离子和镁离子附
着于沸石上，被溶液里原先存在于沸石上的钠离子取代，因此软
水就从长柱的底部滴出来。沸石的钠离子必须由注入高浓度的食
盐溶液不断地补充。1935年，随着离子交换树脂的发展又有了改
进，这些合成物质可以根据所要完成的工作来设计，例如，某些
树脂可用氢离子取代正电离子，。而另一些树脂则可用氢氧离子
取代负离子；合并这两类树脂可除去海水中的大部分盐。装有这
种树脂的工具包在第二次世界大战期间是救生筏上急救设备的一
部分。

　　美国化学家斯佩了采用离子交换色谱来分离稀土。他发现这
些元素以原子序数相反的次序流出离子交换柱，因此它们不仅被
快速地分离而且也被鉴定。事实上，遗漏的61号元素钷就是从裂
变产物的微小含量中以这种方法证实的。

　　由于色谱法，我们今天才可能成公斤甚至成吨地制备纯稀土。
原来稀土井不是特别稀少的，它们之中最稀少的（除钷以外）比
金或银还要多，而最丰富的——镧、铈和钕——比铅丰富。所有
稀土金属占地壳的百分比例比铜和锡合起来还多，所以科学家巧
妙地丢开稀土这个名称而改称这一系列的元素为镧系．根据领头
元素来命名。的确，各个镧系元素在过去用得并不多，但是现在
分离的技术已使它们的用途增多，到对世纪70年代，一年用掉
1100万公斤（约2500万磅）。铈一镧合金是一种主要含有铈、镧、
钕的混合物，占香烟打火机火石重量的 3／4。氧化物的混合物
用于抛光玻璃，不同的氧化物加入玻璃来制造某些希望的性质。
某些铕和钇氧化物的混合物在彩色电视里当作红敏的磷光体等等。

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①原文为染料——译注