元素帝国的无冕之王凭啥玩转世界?

作者:苏更林来源:科普中国发布时间:2019-03-11

对于元素周期表的研究,门捷列夫不是第一人,也不是最后一人。

  一张简洁的元素周期表,一部世界通用的科学“圣经”。她承载了宇宙的浩瀚、生命的精巧以及科学的缜密……门捷列夫的思想光辉赋予了周期表玩转世界的力量。值此纪念元素周期表诞生150周年之际,谨向那些为元素周期表建设做出贡献的大师们致以崇高的敬意! 

球形周期表 

(图片来源:https://www.meta-synthesis.com/webbook/35_pt/pt_database.php?PT_id=53) 

  周期表横空出世 

  门捷列夫花了几年功夫潜心研究和收集元素数据,并把每个元素分别写在纸片上,在卡片上写上原子量以及相关信息,从而制成了一副由63张牌组成的“扑克牌”。 

元素纸牌(图片来源:rainbowresource.com) 

  日复一日,年复一年,门捷列夫一直摆弄着他的“扑克牌”。有一次,他接连摆弄了三天三夜,以至于对前来拜访的老朋友都不屑一顾。慢慢地,他发现了原子量在元素分类中的重要意义。 


门捷列夫的手稿(图片来源:澎湃新闻网截图) 

  关于门捷列夫周期表的出世,流传的版本很多,其中在睡梦中产生周期律思想的说法流传最广。有人说这就是灵感的魅力,其实灵感就是人们智力的一种特殊表现形式,它不会偶然地凭空产生和迸发,只有长期执着一念忘我探索的人才有可能突发灵感。事实上,门捷列夫周期律思想的孕育大约经历了十来年的时间。真可谓是“十年磨一表”呀! 

门捷列夫在工作 

(图片来源:https://baike.so.com/doc/5621598-5834215.html) 

  历史会铭记,1869217日,是门捷列夫化学元素周期表的诞生日。一个月后,俄罗斯化学会收到了门捷列夫的一份科学报告,题目就是《元素的性质与其原子量的关系》。这实际上就是门捷列夫发现的化学元素周期律。门捷列夫的这一发现刊发在俄国化学会会刊的第一卷上。 

  但是,对于门捷列夫的周期律,赞成者有之,质疑者也不在少数。 

  “无冕之王”的灵感启蒙 

  门捷列夫(1834-1907)出生于西伯利亚的托博尔斯克。1850年,门捷列夫随母亲辗转来到圣彼得堡,在一所师范学院开始了教师培训。1857年,门捷列夫担任圣彼得堡大学化学系副教授。1859年至1861年间,门捷列夫被公派出国,先后在巴黎的勒纳尔特等地学习。1861年,门捷列夫回到圣彼得堡。1869年,门捷列夫成为圣彼得堡大学的普通化学教授,继续进行化学元素方面的研究创新。 

  在当时,人们对元素的认识支离破碎,没有权威的化学教科书。门捷列夫立志当一名好老师,因此决定写一本像样的化学教科书。 

门捷列夫(图片来源:维基百科) 

  然而,那时人们对于元素的认识还是十分模糊的,原子量的精确测量也都是难题,这些都限制了人们对于元素整体关系的探索。这个时候,他想起了曾为他点亮“心灯”的老前辈。 

  1860年的一次学术交流会议,是周期表发展历史上的一个重要节点。这一年的9月,第一届国际化学大会在德国卡尔斯鲁厄举行。来自许多国家的化学精英们出席了大会,并就化学界的一些前沿问题进行了激烈的讨论,年轻的门捷列夫有幸参加了这次大会。 

  会议结束时,意大利药剂师卡尼扎罗向与会者分发了一份关于元素原子重量的决定性文件。卡尼扎罗是阿伏加德罗气体定律的支持者,并将其应用于原子量计算。 

  卡尼扎罗提出的原子量清单,在当时为已知最为准确的原子量清单。阿伏加德罗的思想光辉令门捷列夫的心里亮堂了许多,那份清单同样也对门捷列夫酝酿周期律产生了重要影响。 

  元素周期表的诞生之路 

  对于元素周期表的研究,门捷列夫不是第一人,也不是最后一人。元素周期表的演进,凝聚了一代代科学家的智慧。 

  法国著名化学家拉瓦锡首次将元素定义为基本物质,并于1789年出版了第一个元素表。他的元素表共列出了当时已知的33种元素,但实际上只包含了23种元素,因为他把一些非单质以及光和热也列为了元素。拉瓦锡关于元素的定义以及元素表的出版,为近代化学的发展奠定了基础。 

拉瓦锡的元素表 

(图片来源:参考文献[1]) 

  1803年,英国化学家道尔顿为了解释化学实验现象,创立了一种新的原子理论。他还发表第一张原子量表,为后人测定元素原子量奠定了基础。 

  尚库尔图瓦斯(De Chancourtois)为法国的一名地质学家,于1862年发表了一个被称为“地螺旋”(Telluric Screw)的周期律方案。这是一个卓越的立体形式的发明,虽然引起了地学工作者的兴趣,但是没有引起化学工作者的兴趣。直到1869年门捷列夫周期表发表之后才被科学界广泛认可。 

尚库尔图瓦斯“地螺旋”周期律方案 

(图片来源:http://dataphys.org/list/telluric-screw-of-de-chancourtois/) 

  1864年,英国科学家纽兰兹设计的元素周期表,是根据元素的相对原子量进行分类的。他发现周期律与八音律有着异曲同工之妙,因此将该周期表命名为“八度律”。然而,这篇论文受到当时英国学术界的嘲笑,英国化学会也拒绝刊载这篇论文。 

  1869年,一位名叫迈耶的德国化学家与门捷列夫几乎同时各自发明了自己的周期表,并且都是按照原子量进行排列的。只是迈耶对物理性质的周期性印象更深,而门捷列夫对化学性质更感兴趣。然而,迈耶周期表的发表还是比门捷列夫慢了半拍。 

  在创建元素周期表的赛跑中,也许造就了许多个英雄,但是“第一”只有一个。实际上,门捷列夫也是一个集大成者,是站在巨人的肩膀上走向科学之巅的。即便如此,门捷列夫被誉为“元素帝国”的无冕之王也是当之无愧的。 

  门捷列夫之所以成为胜利者,源于他对化学的精通,以及具有洞察力的直觉,更重要的他那具有深邃内涵的思想之光。除此之外,他还十分重视宣传自己的周期律。 

门捷列夫演讲入场券 

(图片来源:http://www.rsc.org/news-events/features/2019/jan/finding-the-periodic-table/) 

      诞生于化学沃土的门捷列夫元素周期表,经受住了来自日后的各种考验,并被应用于几乎所有的自然科学领域。有学者断言,如果有一天,人类要与宇宙中其他文明进行对话,那张漂亮别致的周期表也许就是地球文明的一个“标签”。 

  成功预测赢得口碑 

  为每个元素都找到一个“家”,是门捷列夫进行元素排列的基本目标,但并不是“居者有其屋”那么简单。 

  门捷列夫的周期表是按照元素的原子量从轻到重进行编排的,并且性质会发生周期性变化。门捷列夫的高明之处,还在于他在“元素帝国大厦”中为未知元素预留了“房间”。 

“元素帝国”大厦 

(图片来源:http://www.sohu.com/a/147050938_489486) 

  门捷列夫对元素镓、钪和锗的成功预测,就是他赢得口碑的一个重要原因。 

密封在真空安瓿中的镓(图片来源:维基百科) 

  1875年,法国化学家布瓦博德兰从闪锌矿中发现了镓元素,元素符号定为Ga,中文名为“镓”。门捷列夫预测的比重为5.96/立方厘米,而发现者测定的比重为4.7/立方厘米。18765月,法国科学院在院刊上公布了布瓦博德兰关于镓的新发现。不久,布瓦博德兰就收到了门捷列夫写来的信件,信中说让他重新测定一下镓的比重。 

  于是,布瓦博德朗把镓提纯之后重新进行了测量,镓的比重实测值为5.96,与门捷列夫的预测十分吻合!布瓦博德朗甚是惊讶,他还写信对门捷列夫表示感谢。此事在欧洲的震动很大,门捷列夫赢得了很好的口碑,自然扩大了他的周期表的影响力。 

  而若干年之后,发现钪和锗的喜讯也相继传来。1879年,瑞典化学家尼尔森从镱土中发现了钪元素;1886年,德国化学家文克勒从硫银锗矿中发现了锗元素。并且,钪和锗的理化性质都与门捷列夫的预测相一致,从而为门捷列夫周期律的科学性提供了有力的证据。 

  收编“惰性一族”赢得最终胜利 

  说起门捷列夫的最终胜利,还真的有点戏剧色彩。门捷列夫的元素周期表原本是没有为惰性气体预留空间的。可拉姆齐等人在19世纪90年代的发现,着实让门捷列夫有点措手不及。 

  拉姆齐是一个实验高手,为1904年诺贝尔化学奖得主。1894年,拉姆齐等人分离出了氩元素,第二年他又发现了氦元素,接着还发现了氖、氪和氙。这些元素都非常低调,不能与其他元素结合。拉姆齐对门捷列夫的周期律有着深刻的理解,并以高超的技术测量了这些元素的原子量。按理,氦应当排在氢与锂之间,然而却没有这一族。 

门捷列夫塑像 

(图片来源:https://learnodo-newtonic.com/dmitri-mendeleev-facts) 

  其实,门捷列夫比拉姆齐更着急。自己精心设计的“元素帝国大厦”,眼看就要被这些“不伦不类”的气体给摧毁,能不着急吗?!他认为,像氩气这样的新气体,根本就“不合群”,似乎不适合放在我的周期表中。 

  然而,氦、氖、氩、氪、氙的行为又有惊人的相似处,即都是非常惰性的,并且它们的原子量又呈规律性的增加。所以,门捷列夫对周期表系统进行了一次最大的修改,专门为惰性气体设置了一个新专栏。 

  而门捷列夫从拒绝到收编“惰性一族”,使得门捷列夫周期律的科学性得到了进一步证明。1906年,门捷列夫在生前最后一版《化学原理》一书中把“惰性一族”排进了周期表。 

  周期律走向世界 

  门捷列夫的成功,使其在国际上享有了极高的声誉。于是,各种演讲邀请纷至沓来。门捷列夫通过这些演讲和讲座,结识了科学界的许多精英,同时也扩大了周期表的国际影响。他的经典著作《化学原理》分上、下两卷出版,上卷收录了氢、氧、氮、碳等8种常见的元素,下卷收录了剩余的55种元素。《化学原理》被译成多种文字,与元素周期表一起流传了150年,从而把周期律推向了全世界。 




门捷列夫的《化学原理》(图片来源:澎湃新闻网截图) 

  而中国近代著名科普出版家、翻译家杜亚泉创办的《亚泉杂志》,则为元素周期表在我国的传播做出了重要贡献。1900年创刊号刊发的《化学原质新表》,介绍了当时已被确认的76种元素。1901年第6期刊发的《化学周期律》,系统介绍了门捷列夫元素周期律。 

杜亚泉(1873-1933) 

(图片来源:https://baike.so.com/doc/8704958-9027098.html) 

《亚泉杂志》(创刊号)刊发的《化学原质新表》 

(图片来源:2009-02-26《科学时报》) 

  我们知道,最初的门捷列夫周期表是按照原子量的大小进行排列的,同时考虑了化学性质的相似性。而现代元素周期表是按照原子序数来排列的。从原子量到原子序数,看似差别不大,实际上是一个质的飞跃。英国著名物理学家和化学家莫斯利(1887-1915年),对物理学和化学做出的最大贡献就是发现了原子序数这一概念。原子序数等于质子或电子的数量。虽然战争夺去了这位天才科学家的年轻生命,然而他的原子序数概念却为改进元素在周期表中的排列方式提供了科学依据。 

  门捷列夫的周期律虽然取得了巨大的成功,但是对于周期律背后的秘密并不清楚,这也是门捷列夫十分纠结的一个问题。1913年,英国物理学家莫斯利提出的原子序数的概念,对于门捷列夫之前的直觉提供了确切的实验基础,从而使得元素在周期表的排序更为精确。 


莫斯利及其周期表(图片来源:slideplayer.com) 

  莫斯利根据元素的原子序数而不是原子量将元素周期表重新进行排列之后,显示了一些未被发现的空缺位置(如43号、61号、72号和75号)。现在,这些序数的元素均已被发现,分别为锝、钷、铪和铼。 

  与时俱进的周期表 

  我们现在使用的周期表,看上去与门捷列夫早期的周期表相差甚远,这就是周期表与时俱进的结果。无数科学家在这个过程中付出了辛勤和汗水。 

  门捷列夫曾说过:“规律永远是一些变数的适应,就像代数中变数和函数的关系一样。”言外之意是说,我的周期表也难以突破时代的局限,因此需要后人来揭示元素规律的真谛。 

门捷列夫早期的周期表 

(图片来源:davidjohnewart.com,红圈为笔者所加,内有问号) 

  细心的读者可能会发现,在门捷列夫最初的周期表中,有好几个元素的质量都被打上了问号。困扰了门捷列夫一生的“原子量颠倒问题”,终于随着同位素和中子的发现而变得迎刃而解了。 

  周期表的最后一次完善是由格伦•西博格完成的。西博格为1951年诺贝尔化学奖得主,先后发现了元素钚、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔和锘,并把锕系元素置于镧系元素之下,重新配置了元素周期表。 

西博格 

(图片来源:http://www.achievement.org/achiever/glenn-t-seaborg-ph-d/) 


元素周期表 

  (图片来源:https://www.thoughtco.com/element-families-606670) 

  门捷列夫的周期表奠定了现代元素周期表的基础。150年来,周期表已经在科学、技术、社会三个维度上发挥了重要作用。也许还有人在为诺奖拒绝门捷列夫而愤愤不平,而今年全世界都来为周期表庆贺生日,是不是口碑要胜过奖杯呢? 

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  参考文献:  

  [1]凌永乐.《化学元素周期系史话》,化学工业出版社,2011年版。 

  [2]李绍山,王斌,王衍荷.《化学元素周期表漫谈》,化学工业出版社,2011年版。 

  [3](日)宫村一夫编著,张琳译.《化学元素大研究》,人民邮电出版社,2014年版。

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