除了门捷列夫,谁还发明过元素周期表呢?

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除了门捷列夫,谁还发明过元素周期表呢?插图

1907年1月27日,俄国首都彼得堡比往日更加寒冷、萧瑟。太阳暗淡无光,大风呼啸着卷起积雪,又洒落下来,像是有意撒着白纸花。街道上,到处点着蒙着黑纱的灯笼,一派凄哀的景象。由几万人组成的送葬队伍正在街上慢慢地移动着。队伍的最前头,既不是花圈,也不是遗像,而是十几个青年学生抬着的一块大木牌。上面画着一张表格,表格中写着各种元素的化学符号。它象征着一位伟人一生的主要功绩——这位伟人在7天前伏在他的写字台上与世长辞了。当时,他的手里还握着笔,一本未完成的科学著作的手稿还摊开在桌子上。

他,就是著名的俄罗斯化学家、化学元素周期表的创始人德米特里·伊凡诺维奇·门捷列夫。

除了门捷列夫,谁还发明过元素周期表呢?插图(1)

常言道:“三十而立。”门捷列夫正是在他31岁时被彼得堡大学聘为正教授的。从这一年起,门捷列夫改教无机化学。那时的彼得堡大学还没有现成的教材。所以,在科学研究之外,门捷列夫还得抽出大量时间来编写教材。每当这个时候,门捷列夫总会有一种思绪如麻的感觉。因为从18世纪中叶到19世纪中叶这100年中,科学家们平均每两年半就发现一种新元素。1789年的拉瓦锡时代,已知元素只有23种,而到1869年,人类发现的元素达到了63种,而且元素的种类还在不断增加。这时,人们已经猎想,元素之间可能存在着某种次序关系。许多化学家都试图探索元素间的关系之谜,排出它们的次序。譬如,1829年,德国的德柏莱纳将当时已知的54种元素按其性质的相似程度分成若干组,结果发现元素系列中间的某个元素的性质正好介于它前后的两个元素之间,而其原子量也正好是前后两个元素的平均值。1850年,德国的培顿科菲发现各元素原子量值之差常为8或8的倍数。例如:碱族元素中的锂、钠、钾,锂的原子量是7,钠是7+2×8=23,钾是23+2×8-39,1859年,法国的杜马发现各元素的原子量有一个公差,如族元素中的 为19,氯为19+16.5=35.5,为19+2×16.5+28=80,碘为19+2×16.5+2×28+19=127……1860年,意大利的坎尼柴罗提出了测量原子量的新方案,从此化学界对元素化合价和原子量的确定有了统一的规范。此举意义重大,这对后来门捷列夫发现元素周期表具有决定性的意义。1862年,法国的德·尚古特瓦创造了一个元素《螺旋图》,成为科学史上第一个提出元素性质有周期变化的人。可惜他的这项成果被法国科学院埋没了20多年才重见天日。那时,门捷列夫的元素周期表已经问世将近20年了。英国人奥德林和纽兰兹,德国人迈耶尔都先后列出过元素周期表,不过都由于有种种缺陷而显得不够成熟。到1869年门捷列夫的元素周期表问世之前,有关探索元素周期律的记载多达几十处,真是“天时、地利、人和”,前人的贡献,为门捷列夫的元素周期表“水到渠成”创造了条件。

不过,前人的努力只是为他的成功奠定基础,而在当时元素之间的联系还是一个谜,因此门捷列夫无论怎样编教材总觉得杂乱无章,支离破碎。门捷列夫和他的前辈一样坚信元素间存在着某种规律,而又弹思竭虑找不出这种规律。1868年的冬天,门捷列夫决定搁下教材的编写工作,全力以赴投入探索元素间规律的研究。他天天独自坐在他那高大的写字台前,苦苦思索着,计算着。为了摸索元素间的内在联系,他用硬卡纸制了63张像扑克牌似的卡片,每张卡片写上一种元素的化学符号,以及它的性质和原子量。然后,他玩起这些“纸牌”来。他想按原子量的大小把卡片排成一张表,就像打扑克一样,一会儿排齐,一会儿分开,不断地调换着桌子上纸牌的位置。可是横排竖排,他总是不能排成。

门捷列夫是个有惊人毅力的人。当年他写《有机化学》一书时,几乎有两个月没有离开过书桌。所以,对于周期表,他自然是不达目的誓不罢休的。他仍然天天坐在写字台前,摆弄着这些奇特的“纸牌”,简直到了废寝忘食的地步,有时甚至通宵达旦连续几昼夜都不停息。有一次,他从按原子量大小排列的表中,惊奇地发现有好几处都是在某个元素之后,隔了7个元素又出现了一个与这个元素性质十分相似的元素。他心里豁然开朗,他将“纸牌”稍作调整后,一副新的“牌阵”出现在他眼前,一望这“牌阵”,63种元素间带规律性的关系居然一目了然。门捷列夫兴奋极了,马上把他的研究所得写了一篇论文。几个月后,正赶上俄罗斯化学学会召开学术讨论会。别的与会学者有的带上论文,有的带着样品,有的带着实验器具当众演示,只有门捷列夫只身空手,将那一副纸牌描在怀里。三天会期,他一直不言不语,主席觉得奇怪,在讨论会快要结束时,他问门捷列夫是否可以发表些意见。不料门捷列夫起身走到那张演示实验的大桌子前,从怀中掏出一副纸牌,排起“牌阵”来。众人无不吃惊,都以为堂堂大学教授,竞在全国性的学术会议上开这种玩笑。只见门捷列夫将那副牌一会儿便排出一个牌阵来,众人上前一看,方知每张牌上写的是一种元素的名称、性质、原子量等,共是63张牌,代表着当时已知的63种元素。大家瞧着牌阵,都如进入云里雾中,看不出什么名堂来。门捷列夫这才清了清嗓子,开口说道:“世上这些众多的元素,看起来杂乱无章,其实有两条纽带将它们彼此间联系起来,期一是原子量。”说到这里,门捷列夫指着桌上的“牌阵”说道,“诸位不知是否看出,按原子量的大小,元素的性质呈现出周期性的重复?”在场的毕竟都是全俄一流的化学家,“心有灵犀一点通”,经门捷列夫这样一说,还有谁不明白的?个个都禁不住点起头来。门捷列夫接着说:“另一个是化合价。你们看,竖的一排的各种元素化合价相同,构成性质相似的一族,按周期循环,这就是元素周期律。”

真是“一语道破天机”。不少老教授当时就目瞪口呆,想不到自己钻研这个问题几十年还不着边际,现在却被这个年轻人用几张纸牌说得明明白白。

当然,也有人不以为然。有位先生当众提出问题说:“钢的原子量是75.4,应排在砷和硒之间,可这样一来砷就要被挤走了,不再跟性质相似的磷排在一族,硒也被挤走了,不再跟硫排在一族。”他一发难,门捷列夫一时倒无言以对。这时早已生气的门捷列夫的老师发起脾气来,把他的演示斥为儿戏。门捷列夫挨了训斥,心里却一百个不服。为了证明自己的发现,他更加废寝忘食地钻研起元素周期律来。他觉得,如果钢的原子量75.4是对的,那就证明他的周期表有问题;如果他的周期表是对的,那肯定钢的原子量不是75.4,于是,他决定自己来计算钢的原子量,最后得出的结果是113.1,这样,钢应该排在镉和锡之间。门捷列夫如释重负,更坚信他的周期表的正确了。按照同样的道理,他一一纠正了铍、钛、铈、铀等一些当时被算错原子量因而在周期表中“捣乱”的元素的原子量。重新排列的元素周期表就能天衣无缝地显示元素周期变化的规律了。

门捷列夫排定的周期表中留出了不少空缺,这都是因为没有恰如其“位”的元素而造成的。门捷列夫断言这些空缺的位置,都是未发现的元素。这样他一口气预言了11种未知元素。谁知却遭来了一些权威的否定,有人甚至攻击他在“研究鬼怪-世界上不存在的元素”。

可是,就在门捷列夫发表了他新编的化学元素周期表的3年后,法国化学家布瓦博德明发现了新元素镓,也就是在门捷列夫预言的“类铅”以后,他预言的11种元素–被人找到。全世界的科学界都被震惊了,几乎所有的外国科学院都来聘请他当院士。

门捷列夫元素周期表,是科学理论研究中运用逻辑思维的成功范例,是科学预见的丰硕成果。他在元素周期表中,不仅预见到19世纪末化学元素的发现,甚至对20世纪发现的放射性元素,以及“二战”后出现的人工元素,也在周期表中预约定位了。不仅如此,门捷列夫的元素周期表还暗示了以氢为原型的元素原子结构的关系。这是20世纪后由于量子力学的发展才了解到它的意义和本质的。
门捷列夫周期表不仅是化学发展史上的里程碑,而且也影响到其他学科,例如元素光谱学,等等。

门捷列夫誉满天下,功盖学界。研究科学史的人却难免要因此为德国化学家迈耶尔叫屈。迈耶尔发表过与门捷列夫内容和观点一致的论文,只可惜比门捷列夫晚了9个月。所以,科学史家认为两人是独立并且几乎在同时发现元素周期律的。人们“先人为主”,把这一功劳都归于门捷列夫一人,这多少有点不够公平。所以,我们在谈起门捷列夫时还要补上一笔,否则总觉得有些太亏待了迈耶尔先生了。

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