门捷列夫之三:元素周期律发现之旅

门捷列夫系列之三
作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2015-09-09

关于化学元素排列规律的研究,已经近一个世纪。搞清楚元素的排列规律,不但有助于自己完成著作,还能让各国科学家少走弯路。门捷列夫为了这个目的,常常寝食不安,总是在办公室与实验室之间徘徊思索。

       公元1868年夏,在俄国彼得堡大学主楼左侧的一幢楼房里,34岁的化学工程学教授门捷列夫撰写无机化学教材《化学原理》第二部时,遇到前所未有的困难,久久无法落笔。他站起身来,先回到侧边的卧室取一件宽大的上衣,再向右侧的实验室走去。这位留着长发,碧蓝眼珠,挺直鼻子、宽广前额的科学家刚踏进实验室大门,仿佛想起什么,立即从上衣口袋取出一个厚厚的笔记本,写划起来。他记的内容是:“一定要弄清氢、氧、铁之间排列的规律,克服一切困难!”

  门捷列夫遇到的困难,正是化学元素排列的规律问题。《化学原理》第二部的主题是论述化学元素的性质;而当时的现状是,世界各国的化学家们并不清楚化学元素排列的规律,论述性质从何谈起?

  实际上,关于化学元素排列规律的研究,已经近一个世纪。公元1789年,法国科学家拉瓦锡把已知的33种元素进行分成四类,分别是气体、金属、非金属和土质。这种分类主观性很强,无法证明元素之间的排列规律。公元1815年,英国医生普劳特提出所有元素都是氢原子构成的。这个见解虽然揭开了无机化学世界的迷雾,但同样缺乏科学依据。公元1829年,德国化学家柏莱纳把15种元素分成五组,每组三个;他发现每组元素的化学性质很相近,所以称之为“三素组”。柏莱纳的研究仅此而已。公元1865年,英国化学家纽兰兹做了一个开创性的实验:把元素按原子量大小进行反复排列。他惊奇地发现,无论从哪个元素开始,第八个元素便和第一个元素性质相近。他把这元素的这种周期叫做“八音律”。如果他继续坚持下去,或许现在就没有那么多人知道门捷列夫了。可惜纽兰兹也只是进行排列,并没继续研究元素之间的规律。

八音率图_副本

纽兰兹的八音率图(网络图)

 

  搞清楚元素的排列规律,不但有助于自己完成著作,还能让各国科学家少走弯路。门捷列夫为了这个目的,常常寝食不安,总是在办公室与实验室之间徘徊。

  很快,门捷列夫想到一个方便快捷而高效的方法,就是让仆人安东把厚纸片剪成60多张小纸片,每张纸片正面标明已知元素的名称、原子量、化合价等基本信息。这样,他可以直观地进行对比、调整。

  门捷列夫通过这些纸片,第一个解决的问题就是找到已知化学元素铍的化合价和原子量。他先按柏莱纳的方法,把纸片分为三组,按元素的原子量进行排列,把所谓的“三素组”搞透彻。完成这步后,他不断变化排列的方式,希望排出一种能体现各种元素之间内在联系的次序。经过几天时间,他终于排成了,同时还绘制成一张表格。此表中,各种元素的性质随原子量增加,呈现出周期性变化。

  门捷列夫没有时间为这点进展兴奋,因为遇到新问题。他把已知元素作如下排列:

  元素:  氢   锂   硼   碳   铍   氮   氧   氟

  原子量:1    7    11   12  13.5   14   16  19

  很显然,这个排列中,夹在碳与氮中间的铍是多余的;而锂与硼之间,似乎少了个元素。“难道铍应该在锂与硼之间?那铍的原子量岂不错了?”门捷列夫作出了这个设想。为了证明这个设想,门捷列夫查了大量资料,做了很多实验,终于证明铍的性质很像镁。根据镁的+2化合价推测,铍的原子量应该为9,正好排在锂和硼中间。

  这次成功极大地鼓舞了门捷列夫的信心。他再接再励,又更正了几个元素的化合价和原子量,从而让这些元素找到了自己的“家”。

邮票_副本

反映门捷列夫发现化学元素周期律的邮票(网络图)

 

  门捷列夫要解决的第二个问题,就是未知元素的化学性质。一段时间后,门捷列夫发现钙的原子量是40,而后面的钛却猛增到47.9,性质也上也与脱节,这说不过去。

  经过反复思考和研究,门捷列夫大胆地推测:这60多种元素,并不是全部,肯定还有许多没被发现的元素;比如钙与钛之间就有一个还没“出世”的元素。他没法证明这是什么元素,便命名为“类硼”,并给它留下一个“家”——在钙与钛之间。

  门捷列夫进一步发现,锌后面本来是砷,但砷的化学性质与磷相似。于是经过计算,他把砷放在磷后面,锌后面空出了位置。门捷列夫把这种未知元素称为“类铝”,并预言了这种元素的性质。

  做完这一切,门捷列夫终于松了一口气。很快,他抓起钢笔在那张图上写了一行字:“根据元素的原子量及化学性质所排成的元素表。”就这样,门捷列夫通过排列纸片,在35岁这年发现了元素周期律。

左图:门捷列夫1869年发布的化学元素周期表,表中周期为列,族为行。右图:门捷列夫,拍摄于1897年。_副本

左图:门捷列夫1869年发布的化学元素周期表,表中周期为列,族为行。右图:门捷列夫,拍摄于1897年。(网络图)

 

  公元1869年3月6日,俄国化学年度学会在彼得堡大学召开。门捷列夫本来准备在会上报告自己的最新发现,不想因前段时间劳累过度生病住院。最后,助手在会上代他宣读了关于元素周期律的论文。门捷列夫的元素周期律发现之旅告一段落。

  (元素周期律诞生之初,并没得到人们的认可,相反不少科学家还嘲笑这是无稽之谈。那门捷列夫做了哪些什么?周期律又是怎样被利用起来的?《化学原理》第二卷写出来了吗?……欲知后事,且看下集《元素周期律的验证之旅》。)

  注:本文写作参考《科学家传记大辞典》(1997)、百度百科等资料。

 

        门捷列夫系列之一:《门捷列夫:“虎妈”的第14个儿子》

        门捷列夫系列之二:《门捷列夫:最年轻的副教授》

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